太浦閘監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)可靠性研究

鄒愛(ài)平，迮振榮，晉成鳳，呂國(guó)芳

（1.太湖流域管理局 蘇州管理局，江蘇 蘇州 215011；2.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院 江蘇 南京 211100）

太浦閘作為太湖流域的重要控制性工程之一[1]，為滿足該流域的防洪調(diào)度和水資源管理等需要，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)組成水利工程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)水閘工程進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時(shí)的控制和監(jiān)測(cè)，為工程實(shí)時(shí)調(diào)度及安全運(yùn)行提供依據(jù)，并將運(yùn)行的結(jié)果發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，方便上級(jí)部門(mén)查詢分析，做出宏觀調(diào)控。

針對(duì)該水利工程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的LCU（現(xiàn)場(chǎng)控制單元）出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出了采用RS485集線器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。

1 LCU及其存在的問(wèn)題

監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制單元采用2臺(tái)西門(mén)子S7-300系列可編程控制器 （PLC），通過(guò)RS-485總線分別對(duì)1#～15#和16#～29#閘門(mén)開(kāi)度、上下游水位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳至工控機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。這2臺(tái)PLC安裝在中控室，閘門(mén)全部在中控室的一側(cè)，按其離中控室的遠(yuǎn)近編號(hào)為1～29#，其中15#閘門(mén)距離中控室約100 m，29#閘門(mén)距離中控室約180 m。上下游水位傳感器在中控室的另外兩個(gè)方向上，距離中控室約485 m、300 m。其通信總線組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 LCU RS-485組網(wǎng)Fig.1 LCU RS-485 network

當(dāng)初在組網(wǎng)時(shí)，打算用總線將閘門(mén)開(kāi)度傳感器和上下游水位傳感器串接在一起的，但是考慮到鋪設(shè)電纜的不方便和串接節(jié)后，其總線長(zhǎng)度超過(guò)了1 200 m，此距離超過(guò)了RS485總線的最大傳輸距離。由此，采用星型接法，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，可以正常運(yùn)行。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行5年后，出現(xiàn)了在雷雨季節(jié)，有時(shí)會(huì)受到雷電襲擊，造成中控室2號(hào)PLC偶爾接收不到上下游水位信息，甚至有時(shí)會(huì)造成通信模塊的損壞。

2 問(wèn)題原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的勘測(cè)與分析，可能導(dǎo)致通信故障的原因：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不合理、總線特性阻抗的連續(xù)性不好、系統(tǒng)保護(hù)措施不夠[2]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

RS-485支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)[3-4]。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：采用一條雙絞線電纜作總線，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。圖2所示為實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的一些錯(cuò)誤連接方式（a、b、c）和正確的連接方式（d、e、f）。 a、b、c 這 3 種網(wǎng)絡(luò)連接盡管不正確，在短距離、低速率情況下，仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長(zhǎng)或通信速率的提高，其不良影響會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，主要原因是信號(hào)在各支路末端反射后與原信號(hào)疊加，會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量下降。

圖2 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Bus topology

上述系統(tǒng)中2號(hào)PLC通信網(wǎng)絡(luò)正是采用了星型接法，這種接法雖然在低速率下可以正常運(yùn)行，但是其穩(wěn)定性和可靠性不高，這是系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題的一個(gè)原因。

2.2 阻抗連續(xù)性

在通信過(guò)程中，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒(méi)有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。這種信號(hào)反射的原理與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通信電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻。

RS-485需要2個(gè)終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300 m下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸總線的兩端。

2.3 系統(tǒng)保護(hù)措施

RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收[5-6],即在發(fā)送端,驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出；在接收端,接收器將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力。但RS-485接收器差分輸入端對(duì)“地”的共模電壓允許范圍為（-7～12）V，超過(guò)此范圍的過(guò)壓瞬變可能會(huì)損壞器件。引起過(guò)壓瞬變的來(lái)源通常是雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開(kāi)關(guān)干擾等,例如人體接觸芯片的引腳而產(chǎn)生靜電放電，其電壓可以高達(dá)數(shù)千伏，可以使工作中的器件產(chǎn)生閉鎖而不能運(yùn)行或使器件受損；而雷電感應(yīng)在RS-485傳輸線上引起的瞬變干擾，其能量更可在瞬間燒毀連接在傳輸線上的全部器件。

由于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)端距離中控室400 m左右，一旦發(fā)生強(qiáng)電，雷電干擾，極其容易導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不正常，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)損毀設(shè)備。

3 解決方案

針對(duì)以上3個(gè)可能的問(wèn)題，采用TD-1204型RS-485集線器來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3.1 RS-485集線器

TD-1204是一款4口RS-485集線器 （又稱RS-485總線分割集中器，RS-485HUB），是深圳市天地華杰科技有限公司為了解決復(fù)雜電磁場(chǎng)環(huán)境下RS-485總線大系統(tǒng)中星型布線而專業(yè)設(shè)計(jì)的。該RS-485集線器采用雙向透明傳輸，能夠把一路RS-485或一路RS-232總線分割為4路RS-485總線，或者把4路RS-485信號(hào)匯集到一路RS-485或一路RS-232總線，并且每個(gè)端口都獨(dú)立具有光隔、短路、開(kāi)路、防雷防浪涌保護(hù)功能。在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，內(nèi)置的控制器能夠及時(shí)地切斷有故障的端口。使RS-485集線器保證每一端口都起到獨(dú)立工作，達(dá)到互不干擾的效果。每個(gè)端口可同時(shí)連接32個(gè)接點(diǎn)，可延長(zhǎng)1 200 m RS-485信號(hào)，是改變RS-485總線布線中單一結(jié)構(gòu)的最好選擇。

3.2 網(wǎng)絡(luò)改造

采用RS-485集線器，利用集線器對(duì)2號(hào)PLC通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，將閘門(mén)做為一路，上下游水位傳感器各做一路，利用TD-1204 RS-485集線器把這3路RS-485信號(hào)匯集到一路RS-485總線上，連接到PLC。RS-485是不支持星型接法的，這里通過(guò)插入RS-485集線器，將1路總線轉(zhuǎn)化成3路，從而實(shí)現(xiàn)了總線的星型接法。并在總線的終端和RS-485集線器都進(jìn)行了阻抗的匹配，匹配電阻值為120 Ω。其接法如圖3所示。

圖3 改造后的RS-485網(wǎng)絡(luò)Fig.3 RS-485 network of transformation

根據(jù)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，采用RS-485集線器來(lái)實(shí)現(xiàn)星型接法，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理，并通過(guò)其光電隔離的防雷的功能，來(lái)加強(qiáng)系統(tǒng)的保護(hù)，同時(shí)在總線的終端串接電阻來(lái)改善總線特性阻抗的連續(xù)性，來(lái)對(duì)原有現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。改造后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)太浦閘監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制單元通信網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題，進(jìn)行了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和理論分析，提出了基于RS-485集線器支持星型接法和光電隔離的防雷的功能，對(duì)原有通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，解決了原有網(wǎng)絡(luò)存在星型接法不合理和沒(méi)有防雷保護(hù)等因素導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常的問(wèn)題。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，證明本改造方案合理且切實(shí)可行。

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