Подключение приборов Bronkhorst® к промышленной сети RS-485/Modbus
Передача данных в промышленных сетях на основе RS485
FLUIDAT® on the Net – основы и возможности
Принцип работы термоанемометрического регулятора расхода газа MASS-STREAM
Как пользоваться сайтом www.massflow.ru
Объемный и массовый расход газа
Принцип работы электронного ротаметра MASS-VIEW
Принцип работы теплового регулятора расхода газа с байпасом
Соединение компрессионного типа
(OD compression type)
Соединения торцевого типа (VCR®)
Расшифровка кода степени защиты от проникновения оборудования (Ingress Protection Rating — IP)
Отличительная окраска газовых баллонов

Передача данных в промышленных сетях на основе RS485

RS-485 логотип

RS-485 (Recommended Standard 485) – стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Стандарт регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи. В настоящее время RS-485 широко распространен в промышленной автоматизации, его используют многие промышленные сети. Такая популярность связана с возможностью организации двустороннего обмена данными всего по одной витой паре проводов, он обеспечивает большую длину линии связи и высокую скорость передачи.

Передача данных в RS485 осуществляется по дифференциальному принципу. Один сигнал одновременно передается по двум проводам, по одному проводу (A) идет оригинальный сигнал, а по другому проводу (B) – его инверсная копия (см. рисунок). Если на одном проводе высокий уровень сигнала, то на другом – низкий. И наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при передаче логической единицы она положительна, при передаче нуля – отрицательна.

Дифференциальный принцип передачи данных RS-485

Такой способ передачи обеспечивает высокую степень защиты от помех. Поскольку два провода пролегают близко друг к другу и перевиты, синфазная наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

При разности напряжений от +200 мВ до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы. Разность напряжения от -200 мВ до -7 В передается логический нуль. Согласно стандарту, дифференциальное напряжение на выходе передатчика должно быть не менее 1,5 В. Видно, что падение напряжения на омическом сопротивлении линии может достигать 1,3 В (порог срабатывания приемника 200 мВ). Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях связи. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

Как же организовать двустороннюю передачу такого сигнала между устройствами промышленной сети всего по двум проводам? RS-485 – полудуплексный интерфейс, где прием и передача разделены по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаться в режиме приема.

На рисунке ниже приведена схема подключения к промышленной сети на основе RS-485 трех устройств. Каждое из них имеет передатчик D (driver) и приемник R (receiver). Для синхронизации их работы служат управляющие входы: разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Поскольку вход RE является инверсным, его соединяют с DE и переключают приемник и передатчик одним сигналом: низкий уровень напряжения – работа на прием, высокий – на передачу.

Синхронизация работы передатчиков и приемников устройств в сети RS-485

Если передачу выполняет устройство II, а прием –  устройство III, то выходы передатчиков I и III выключаются (переводятся в высокоомное состояние), т. е. фактически к линии оказываются подключены только приемники. А выходное сопротивление передатчиков устройств I и III не шунтирует линию.

Скорость передачи данных в RS-485 зависит от длины линии связи. Максимальная скорость может достигать 10 Мбит/с для линии 12 м. На линии максимальной длины 1200 м скорость передачи не будет превышать 100 кбит/с. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м, применяют специальные повторители.

Осталось обсудить вопрос согласования в линиях связи промышленной сети. При высоких скоростях передачи и больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре, начинают проявляться эффекты, связанные с конечной скоростью распространения электромагнитных волн в проводниках и отражением электрического сигнала от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Если длина линии достаточно большая, фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может исказить следующий передаваемый сигнал. В таких случаях нужно подавлять эффект отражения.

Линия связи характеризуется волновым сопротивление. Оно зависит от характеристик используемого кабеля, но не от его длины. Для обычно применяемых витых пар волновое сопротивление составляет 120 Ом. Если на удаленном конце линии, между проводниками витой пары включить резистор с номиналом равным волновому сопротивлению линии, то электромагнитная волна, дошедшая до конца линии, поглощается на таком резисторе, называемом согласующим резистором или терминатором.

Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи. В оба наиболее удаленных конца линии включают терминаторы Rc с сопротивлением 120 Ом (см. рисунок). Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

Согласующие резисторы на концах сети RS-485

Помимо установки терминаторов для эффективной работы промышленной сети на основе RS-485 требуется еще несколько резисторов. При отсутствии в линии активных передатчиков, когда никто не задает уровень, напряжение между линиями A и B по абсолютной величине может становиться меньше порогового (200 мВ). В результате на приемнике RO из-за несинфазной помехи могут формироваться произвольные логические уровни. Чтобы избежать передачи ошибочных сигналов, необходимо гарантировать разность потенциалов между линиями А и В более +200мВ. Это смещение при отсутствии входных сигналов обеспечивает на приемнике логическую единицу, и поддерживает уровень стопового бита.

Для создания такого смещения используют два дополнительных резистора смещения (см. рисунок). Через резистор Rсм1 линия А подключается к источнику питания, а через резистор Rсм2 линия В соединяется с «землей». Формируется резистивный делитель, сопротивления Rсм1 и Rсм2 должны подбираться так, чтобы возникающий ток обеспечивал перепад напряжения + 200 мВ на соединенных параллельно резисторах: два согласующих Rс с номиналом 120 Ом, входные сопротивления приемников Rвх всех устройств сети (обычно по 12 кОм).

Резисторы смещения в сети RS-485

Очевидно, номиналы Rсм1 и Rсм2 зависят от количества устройств в сети и величины питающего напряжения. Легко посчитать, что при питании 5 В и отсутствии в сети устройств (установлены только два согласующих резистора) суммарное сопротивление резисторов смещения Rсм1 + Rсм2 должно составлять примерно 1440 Ом. А в сети со 127 устройствами – примерно 880 Ом.

Компания Bronkhorst® рекомендует использовать следующие номиналы резисторов смещения и согласования в зависимости от напряжения питания:

Напряжение
питания

Согласующие

резисторы Rc

Резистор смещения Rсм1

Резистор смещения Rсм2

+5В

121 Ом

392 Ом

392 Ом

+10В

121 Ом

1210 Ом

392 Ом

+15В

121 Ом

2210 Ом

392 Ом

+24В

121 Ом

3480 Ом

392 Ом

 

Для работы в сетях с питающим напряжением от +15 до +24 В компания Bronkhorst выпускает согласующие терминаторы. Begin-терминатор состоит из последовательно включенных светодиода, и трёх резисторов: Rсм1 = 976 Ом, Rc = 121 Ом (между линиями А и В), Rсм2 = 392 Ом. Begin-терминатор устанавливается в начале сети. End-терминатор состоит из одного резистора Rc = 121 Ом и устанавливается на конце сети.

Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса. Способы кодирования и передачи данных, типы соединителей и кабелей определяются используемым протоколом передачи (Modbus, Profibus DP и т.д.).