基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡故障分析

摘 要:現(xiàn)場總線是用于過程控制現(xiàn)場儀表與控制室之間的一個標準的、開放的、雙向的多站數(shù)字通信系統(tǒng)。本文介紹了變電站綜合自動化系統(tǒng)中常用的兩種現(xiàn)場總線:CAN(Controller Area Network控制器局域網(wǎng))、LonWorks(Local Operation Network局部操作網(wǎng))。。詳細分析了基于RS-485現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的故障查找與排除方法。

關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線 RS-485 Lonworks CAN

中圖分類號:TM63文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)07(a)-0052-01

1 Lonworks與CAN網(wǎng)現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線(Fieldbus)是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。它不但是一個基層網(wǎng)絡，還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。由于其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單、容錯性能強、安全性高、成本低等特點，目前已經(jīng)成為眾多自動化系統(tǒng)廠商開發(fā)熱點。

1.1 CAN((Controller Area Network)現(xiàn)場總線

CAN的網(wǎng)絡設計選用了符合ISO/OSI網(wǎng)絡標準模型，包括:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層三個結(jié)構(gòu)模型。網(wǎng)絡的物理層和鏈路層的功能由CAN接口器件完成，而應用層的功能是由處理器來完成。

1.2 Lonworks(Local Operation Network)現(xiàn)場總線

LonWorks采用了與OSI參考模型相似的7層協(xié)議結(jié)構(gòu)，其技術(shù)的核心具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現(xiàn)完整的LonWorks的LonTalk通信協(xié)議，節(jié)點間可以對等通信。LonWorks通信速率為78K bit/s～1.25M bit/s，支持很多種物理介質(zhì):包括雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線載波及無線通信等;而且還支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)比較靈活。依照RS485規(guī)范，為了限制和確保電氣反射和可靠的通訊，所有設備必須連接成總線拓撲結(jié)構(gòu)。

2 RS-485與現(xiàn)場總線的本質(zhì)區(qū)別

RS-485是串行數(shù)據(jù)接口標準，由電子工業(yè)協(xié)會(EIA)制訂并發(fā)布的，它是在RS-422基礎(chǔ)上制定的標準，RS-485標準采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，具體規(guī)格要求:接收器的輸入電阻Rin≥12kΩ;驅(qū)動器能輸出±7V的共模電壓;輸入端的電容≤50pF;在節(jié)點數(shù)為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動器至少還能輸出電壓1．5V(終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān));接收器的輸入靈敏度為200mV(即(V+)一(V一)≥0．2V，表示信號“0”;(V+)一(V一)≤一0．2V，表示信號“l(fā)”)因為RS-485的遠距離、多節(jié)點以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為工業(yè)應用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準。

而現(xiàn)場總線設備自動成網(wǎng)，無主/從設備之分或允許多主存在。在同一個層次上不同廠家的產(chǎn)品可以互換，設備之間具有互操作性。目前變電站綜合自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡中的現(xiàn)場總線大多都是基于RS485技術(shù)形成的，數(shù)據(jù)處理時必須進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3 基于RS-485現(xiàn)場總線變電站網(wǎng)絡的故障查找與排除

在變電站綜合自動化系統(tǒng)現(xiàn)場中，RS-485總線應用的非常的廣泛，但是RS-485總線比較容易出現(xiàn)故障。以下是本人根據(jù)多年現(xiàn)場工作實際，簡單介紹綜合自動化系統(tǒng)變電站RS-485通信總線組網(wǎng)范圍，并列舉一二缺陷，簡單說明幾點RS-485總線布線注意事項及故障排除方法。變電站RS-485總線典型缺陷分析及處理方法。

⑴缺陷一:2007年6月XX220kV變電站2#主變保護裝置PST1200等部分國電南自裝置通信中斷

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，所有報通信中斷的設備掛接在一根RS-485總線上，該總線直接接在保護管理機的一個獨立串口上。經(jīng)測試，保護管理機串口電平正常，且通信線纜完好無損。經(jīng)分析可能是由于此通信總線上某個裝置串口異常導致。

處理過程:采用排除法進行查找，即依次將此總線上的每個裝置依次隔離，看通訊是否恢復正常來判斷故障點。最終發(fā)現(xiàn)2#主變保護裝置PST1200串口損壞導致此總線匹配電阻增大導致所有裝置通訊中斷，將其更換后此總線所有裝置通信正常。

⑵缺陷二:2009年4月XX220kV變電站35kVI母所有裝置頻繁通信中斷/恢復

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，35kVI母所有裝置通過一跟RS-485總線與保護管理機通信，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)總線上電壓異常跳變，進一步發(fā)現(xiàn)該總線屏蔽地線未接地，經(jīng)分析可能存在干擾。

處理過程:將此總線所有裝置通訊線屏蔽地連接且在總線末端一點接地后通信正常。

綜合以上情況，RS-485通信總線故障一般表現(xiàn)為同一總線單個或多個或所有裝置通信中斷，或為一串總線上所有裝置通信時通時斷。以下簡單總結(jié)幾點基于RS-485現(xiàn)場總線變電站網(wǎng)絡的故障查找與排除。

①由于RS-485信號使用的是一對不平衡差分信號，意味RS-485網(wǎng)絡中的每一個設備都必須通過一個信號回路連接到地，以減少數(shù)據(jù)線上的噪音，因此數(shù)據(jù)線最好由屏蔽雙絞線組成，將RS-485網(wǎng)絡中RS-485設備連接起來，并且在一個點用屏蔽層可靠接地。

②由于在工業(yè)現(xiàn)場中情況復雜多樣，各個節(jié)點之間存在很高的共模電壓，RS-485接口使用的是差分傳輸方式，具有抗共模干擾的能力，但當共模電壓大于+12V或者小于-9V時，超過RS-485接收器的極限接收電壓，接收器無法工作，甚至可能燒毀芯片和設備?？梢栽赗S-485總線中使用RS-485光電隔離中繼器，將RS-485信號及電源完全隔離，消除共模電壓的影響。

③RS-485總線隨著傳輸距離的延長，會產(chǎn)生回波反射信號，如果RS-485總線的傳輸距離如超過100m，建議施工時在RS-485通訊的開始端和結(jié)束端加裝120歐姆的終端電阻。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)通信在變電站自動化中占有很重要的角色，保證數(shù)據(jù)通訊的速度、質(zhì)量、抗干擾能力，成為實際運行中力求做到的目標。本文分析了基于現(xiàn)場總線的變電站自動化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信，介紹了變電站綜合自動化系統(tǒng)中常用的兩種現(xiàn)場總線:CAN和LonWorks。詳細分析了基于RS-RS-485現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的故障查找與排除方法。

參考文獻

[1]鄔寬明．CAN總線原理與應用系統(tǒng)設計．北京:北京航空航天大學出版社，19962

[2]陽憲惠．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用．北京:清華大學出版社，1999