变频器串行通信中RS-485系统的常见故障及处理技

    RS-485是一种低成本、易操作的通信系统，但存在稳定性差和相互牵制性强等问题，通常一个节点出现故障就会导致系统整体或局部瘫痪，而且又难以判断。RS-485使用一对非平衡差分信号，这意味着网络中的每一个设备都必须通过一个信号回路连接到地，以最小化数据线上的噪声。数据传输介质由一对双绞线组成，在噪声较大的环境中应加上屏蔽层。以下是检查RS-485网络故障的方法。    ①若系统完全瘫痪，大多因为某节点芯片的VA、VB对电源击穿，使用万用表测得VA、VB间的差模电压为零，而对地的共模电压大于3V，此时可通过测共模电压的大小来排查。共模电压越大，说明离故障点越近，反之越远。不同的制造商对VA、VB线采用不同的标签规定，但VB线应该永远是在空闲状态下电压更高的那一根。因此，VA线相当于负极，VB线相当于正极，可在网络空闲的状态下用电压表检测。如果VB线电压不比VA线电压更高，那么可判断存在连接问题。    ②总线上连续几个节点不能正常工作，一般是由于其中的一个节点故障导致的。一个节点故障会导致邻近的2～3个节点（一般为后续节点）无法通信，因此将其逐一与总线脱离。如某节点脱离后总线能恢复正常，说明该节点故障。为了检查哪一个节点停止了工作，需要切断每一个节点的电源并将其从网络中断开。使用欧姆表测量接收端VA与VB或正极与负极之间的电阻值。故障节点的电阻值通常小于200Ω，而非故障节点的电阻值将会比400Ω大得多。    ③集中供电的RS-485系统在上电时常常出现部分节点不正常，但每次又不完全一样。这是由于RS-485的收发控制端TC设计得不合理，造成子系统上电时节点收发状态混乱，从而导致总线堵塞。改进的方法是为各子系统加装电源开关，然后分别上电。    ④系统基本正常，但偶尔会出现通信失败。一般是由于网络施工不合理，导致系统的可靠性处于临界状态，最好改变走线或增加中继模块。    ⑤MCU故障导致TC端处于长发状态而将总线拉“死”，此时应对TC端进行检查。尽管RS-485规定差模电压大于200mV即能正常工作，但实际测量时发现，一个运行良好的系统的差模电压一般在1.2V左右（因网络分布、速率的差异有可能使差模电压在0.8～1.5V范围内）。    当没有设备进行传输，所有设备都处于监听状态的时，RS-485网络中会出现三态状态。这将导致所有的驱动器进入高阻态，使悬空状态传回所有的RS-485接收端。节点设计中克服这一不稳定状态的典型方法是：在接收端的VA和VB线上加装下拉和上拉电阻来模拟空闲状态。为了检查这一偏置，应在网络供电和空闲的状态下测量VB线到VA线的电压。为了确保远离不定状态，要求至少存在300mV电压。如果没有安装终端电阻，偏置的要求是非常宽松的。    一根双绞线构成的RS-485网络可以上行与下行地传送数据。由于没有两个发送端能够在同一时间成功地通信，所以，在数据的最后一位传送完毕后的一个时间片内，网络表现为空闲状态，但实际上节点还没有使其驱动器进入三态状态。如果另一个设备试图在这一时间段内进行通信，将会发生结果不可预测的冲突。为了检测这种冲突，使用数字示波器来捕捉几个字节的1和0，确定一个节点在传输结束时进入三态状态所需要的时间。确保RS-485软件没有试图响应比一个字节的时间更短的请求(在76.8kbit/s速率下略大于1ms)。    虽然隔离是抵御电源浪涌的第一道防线，但是增加多级浪涌抑制器可以消弱更大的浪涌干扰，保证它们是在网络隔离可以容忍的范围内，最好是在网络的高性能接地点的位置安装浪涌抑制器。    西门子变频器内部的RS-485接口电路如图6-14所示。R1、R2是阻值为10Ω的普通电阻，其作用是防止D+和D-端短路时产生过电流损坏芯片。Z1、Z2是钳制电压为6V、最大电流为10A的齐纳二极管。24V电源和5V电源共地，未经隔离。当D+或D-线上有共模干扰电压灌入时，由桥式整流电路和Z1、Z2可将共模电压钳制在+6.7V，从而保护RS-485芯片SN75176 (RS-485芯片的允许共模输入电压范围为-7~+12V)。该保护电路能承受的共模干扰信号的功率为60W，保护电路和芯片内部没有防静电措旋。
    图6-14    西门子S7-200变频器内部的RS-485接口电路图    当变频器的RS-485接口经非隔离的PC/PPI电缆与计算机、PLC或触摸屏等通信时有通信口损坏现象发生，较常见的损坏情况如下。    ①R1或R2损坏，Z1、Z1和SN75176完好。这是由于有较大的瞬态干扰电流经R1或R2、桥式整流、Z1或Z2到地。Z1、Z2能承受最大10A电流的冲击，而该电流在R1或R2上产生的瞬态功率为102×10=1000 (W)，当然会将其损坏。    ②SN75176损坏，R1、R2和Z1、Z2完好。这主要是由于受到静电冲击或瞬态过电压速度快于Z1、Z2的动作速度造成的。静电无处不在，人体也会产生±15kV的静电。    ③Z1（或Z2）、SN75176损坏，R1和R2完好。这可能是高电压、低电流的瞬态干扰信号将Z1（或Z2）和SN75176击穿，由于电流较小和发生的时间较短，因而R1、R2不至于发热损坏。    由以上分析可知，变频器接口损坏主要是由于瞬态过电压和静电造成的。产生瞬态过电压和静电的原因很多也较复杂，因变频器内部24V电源和5V电源共地，24V电源的输出端子L+、M为其他设备混合供电可能导致地电位变化，从而造成共模电压超出允许范围。所以，RS-485标准要求将各个RS-485接口的信号地用一条低阻值导线连接在一起，以保证各节点的地电位相等，消除地线环流。    当带电插拔未隔离的连接电缆时，由于两端电位不相等，电路中又存在诸多电感、电容之类的器件，插拔瞬间必然产生瞬态过电压或过电流。连接在RS-485总线上的其他设备产生的瞬态过电压或过电流同样会流入变频器接口，总线上连接的设备站点数越多，产生瞬态过电压的因素也越多。当通信线路较长或有室外架空线时，雷电将会在线路上造成过电压，其能量往往是巨大的，将造成网络上的设备损坏，解决的办法如下。    ①变频器采用隔离的DC/DC变换器将24V电源和SV电源隔离。    ②选用静电保护、过热保护、输入失效保护等保护措施完善的高档次RS-485芯片，如SN65HVD1176D、MAX3468ESA等。    ⑧采用响应速度更快、承受更大瞬态功率的新型保护器件TVS或BL浪涌吸收器，如P6KE6.8CA的钳制电压为6.8V，可承受的瞬态功率为500W，BL器件则可抗击4000A以上的大电流冲击。    ④R1和R2采用正温度系数的自恢复保险丝(PTC)，如JK60-010，正常情况卜的电阻值为5Ω，并不影响正常通信。当受到浪涌冲击时，大电流流过PTC和保护器件TVS（或BL），PTC的电阻值将骤然增大，使浪涌电流迅速减小。    ⑤使用隔离的PC/PPI电缆，尽量不用廉价的非隔离电缆（特别是在工业现场）。西门子公司早期出产的PC/PPI电缆(6ES7901-3BF00-0A0)是不隔离的，现在也改成了隔离的电缆。    ⑥变频器用RS-485接口联网时采用隔离的总线连接器，如PFB-G，速率为0～1.5Mbit/s自动适应。外形和使用方法与西门子非隔离的总线连接相同。    ⑦与PLC联网的第三方设备，如变频器、触摸屏等的RS-485接口均使用RS-485隔离器BH-485G进行隔离，这样各RS-485节点之间就无“电”的联系，也无地线环流产生，即使某个节点损坏也不会连带造成其他节点损坏。    ⑧RS-485通信线采用Profibus总线专用屏蔽电缆，保证屏蔽层接到每台设备的外壳并最后接大地。    ⑨对于有架空线的系统，总线上最好设置专门的防雷击设施。