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西门子S7-200PLC的RS-485通信接口简介和故障解析
发布时间: 2024-06-11 10:11 更新时间: 2024-06-26 08:00

1.引言

在过去的几年里,计算机控制技术迅速普及,在工业生产中,诸如工业控制计算机、PLC、变频器、触摸屏、机器人和柔性制造系统等设备得到了广泛应用。将这些不同的设备连接到同一网络中,实现彼此之间的数据交流,以实现分散控制和集中管理,已经成为了工业控制系统发展的主流趋势。因此,工厂自动化网络以及PLC与其他设备之间的通信问题日益受到重视。通信的方式主要包括并行通信和串行通信两种。并行通信是一种以字节为单位进行数据传输的方式,它需要使用较多的数据线和控制线,因此成本较高,通常只适用于近距离通信,比如计算机与打印机之间的数据传输。而串行通信则是以二进制位为单位进行数据传输,每次只传送一位数据,相比并行通信,它所需的信号线较少,甚至少只需要两根线(即双绞线),因此更适用于距离较远的场合。在工业控制领域,计算机和PLC通常都具备通用的串行通信接口,因此串行通信在工业控制中得到了广泛应用。

2.西门子S7-200 PLC的RS-485通信

(1)串行通信的不同标准

串行通信采用了多种接口标准,其中包括RS-232C、RS-442A和RS-485。RS-485是RS-442A的演变形式,而RS-442A是全双工的,采用了两对平衡差分信号线,分别用于发送和接收。相比之下,RS-485只使用了一对平衡差分信号线,并不能同时进行发送和接收。

利用RS-485通信接口和双绞线,可以构建串行通信网络,实现分布式系统的连接。在系统中,多可以连接32个站,而新型的接口设备已经可以支持连接128个站。(2)S7-200的网络通信协议

S7-200的网络通信协议包括以下五种类型:点对点接口协议(PPI)、多点接口协议(MPI)、Profibus协议、TCP/IP协议以及用户定义的协议(自由端口模式)。

(3)西门子S7-200 PLC的RS-485通信

在西门子工业网络通信中,串行通信是一种经济高效的通信方式,而RS-485则是其关键组成部分。在系统中,R1和R2是普通电阻,阻值为10欧姆,主要用于防止RS-485信号线D+和D-短路时产生过大的电流,以免损坏芯片。

同时,Z1和Z2则是齐纳二极管,其钳制电压为6V,大电流为10A。24V电源和5V电源共地未经隔离。当D+或D-线上存在共模干扰电压时,通过桥式整流电路和Z1、Z2,可以将共模电压钳制在±6.7V,从而保护RS-485芯片SN75176。值得注意的是,该保护电路能够承受的共模干扰电压功率为60W,而保护电路和芯片内部并没有采取防静电措施。

(4)RS-232与RS-485的转换

由于个人电脑的串口采用RS-232接口,而可编程逻辑控制器(PLC)的串口采用RS-485接口,因此在它们之间进行通信时,需要使用个人电脑/编程-编程接口(PC/PPI)电缆。RS-232接口与RS-485接口的引脚对应关系见下表。

3、常见故障分析

(1)常见故障现象

  • 当PLC的RS-485口经非隔离的PC/PPI电缆与电脑连接,或者在PLC与PLC之间,以及PLC与变频器、触摸屏等设备进行通信时,通常会发生通信口损坏现象。以下是较常见的损坏情况:

  • R1或R2被烧断,但Z1、Z2和SN75176完好。这可能是由于较大的瞬态干扰电流经过R1或R2、桥式整流、Z1或Z2到地,Z1、Z2可以承受大10A电流的冲击,而这个电流在R1或R2上产生的瞬态功率为:102×10=1000W,因此会导致它们烧断。

  • SN75176损坏,但R1、R2和Z1、Z2完好。这可能主要是受到静电冲击或瞬态过电压速度快于Z1、Z2的动作速度所致,静电是普遍存在的,即使是人体也会产生±15kV的静电。

  • Z1或Z2、SN75176损坏,但R1和R2完好。这可能是受到高电压低电流的瞬态干扰电压将Z1或Z2和SN75176击穿,由于电流较小且发生时间较短,因此R1、R2不至于发热烧断。

  • (2)故障原因分析

  • 从上述分析可以得知,PLC接口损坏的主要原因是瞬态过电压和静电造成的。产生瞬态过电压和静电的原因复杂多样,例如由于PLC内部24V电源和5V电源共地,24V电源的输出端子L+、M用于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。因此,EIA-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、电容等器件,插拔瞬间必然产生瞬态过电压或过电流。因此,在进行通信接头插拔时,尽量使设备处于断电状态。

  • 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PLC,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。

  • 当通信线路较长或存在室外架空线时,雷电是必须考虑的干扰。雷电是主要的自然干扰源,雷电产生的干扰可以传输到数千公里以外的地方。雷电干扰的时域波形叠加成随机脉冲背景上的一个大尖峰脉冲,这个能量巨大的尖峰脉冲必然会在线路上造成过电压,导致PLC等通信网络中所连接设备的损坏,应该采取措施来避免或降低损坏程度,减少损失。

  • 4.解决方案

    (1)内部处理方法

  • 采用隔离的DC/DC转换器分别为24V电源和5V电源提供隔离。经过分析发现,三菱、欧姆龙、施耐德以及西门子的PLC在Profibus接口方面都采用了类似的做法。

  • 选择带有静电保护、过热保护、输入失效保护等多种保护功能的次RS-485芯片,例如SN65HVD1176D、MAX3468ESA等。这些芯片价格在几十元左右,而SN75176只需1.5元。

  • 使用响应速度更快、能够承受更大瞬态功率的新型保护器件,如TVS或BL浪涌吸收器。例如,P6KE6.8CA的钳制电压为6.8V,承受瞬态功率达500W。BL器件甚至可以抵御4000A以上的大电流冲击。对于不带故障保护功能的芯片(如SN75176),可以在软件上进行一些处理,以避免通信异常。在正常数据通信之前,主机可以预先将总线驱动至大于+200mV的水平,并保持一段时间,以确保所有节点的接收器输出高电平。这样,当有效数据发送时,所有接收器都能正确接收到起始位,从而接收到完整的数据。

  • R1和R2采用正温度系数的自恢复保险PTC,例如JK60-010。在正常情况下,其电阻值为5欧,不会影响正常通信。当受到浪涌冲击时,大电流会通过PTC和保护器件(如TVS或BL),导致PTC的电阻值急剧增加,从而迅速减小浪涌电流。

  • (2)外部处理方法

  • 使用隔离的PC/PPI电缆,尽量避免使用廉价的非隔离电缆(特别是在工业现场)。西门子公司早期生产的PC/PPI电缆(6ES7901-3BF00-0XA0)是非隔离的,现在已经改为隔离电缆。

  • 在PLC的RS-485口联网时,采用隔离的总线连接器,如PFB-G。其速率可自动适应0~1.5Mbps,外形和使用方法与西门子非隔离的总线连接器相同。

  • 对于与PLC联网的第三方设备,如变频器、触摸屏等,其RS-485口均使用RS-485隔离器BH-485G进行隔离。这样可以确保各RS-485节点之间无电联系,也不会产生地线环流,即使某个节点损坏也不会影响其他节点。

  • 良好的接地是工控系统安全可靠运行的重要条件,尤其是对于工业通信网络。在工业通信网络中,至少需要三种分开的地线,并通过一点接地。其中包括低电平电路地线(如信号地线)、噪声地线(如继电器、电动机、高功率电路的地线)和机壳接地点(机械外壳、机身、机架、地盘使用)。这些地线应该与交流电源的地线相连。RS-485通信线应采用专用的屏蔽电缆,并确保屏蔽层接地到每台设备的外壳并终接地。

  • 对于架空线系统,好在总线上设置专门的防雷设施。

  • 5.总结

    RS-485通信在工业网络通信中扮演着重要角色,其网络和接口故障是工程技术人员经常面临的问题之一,也是影响工控系统稳定运行的主要因素。通过有效处理这些问题,可以确保通信系统的稳定可靠运行,从而提高工厂自动化的效率。本文对此进行了初步探讨,希望对工程技术人员在实际问题处理中有所帮助。


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