【好书共读——《电子硬件工程师入职图解手册》】——⑤RS485通信故障案例分享<二>

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RS485通信故障案例分享<二>

 

前面两篇连接：

1、【好书共读——《电子硬件工程师入职图解手册》分享】——②RS485总线讨论 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1274372-1-1.html

2、【好书共读——《电子硬件工程师入职图解手册》】——④RS485通信故障案例分享<一> https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1275305-1-1.html

 

    在我分享的《RS485总线讨论》、《RS485通信故障案例分享<一>》篇章中，主要讨论了RS485总线定义，主要特性、网络拓扑、应用电路、失效理论分析和两个典型失效案例。这里，我们将在对RS485的失效案例进行实际分享。本文将围绕以下3个异常案例进行分享：

 

案例三：屏蔽层不可靠接地导致通信被干扰

问题现象：在某水利发电项目应用中，当水轮发电机开始工作时，RS485总线通信中断，难以监测发电机运行状态。当水轮发电机停止时，RS485总线通信恢复正常。

验证过程：①分析RS485通信拓扑，确认通信电缆的端接匹配电阻和从机接线方式符合设计；②观察现场环境，发现水轮发电机工作时，电脑受到较大磁场干扰，鼠标发生迟钝反应现象；③分析现场通信线缆布线，发现RS485通信线缆和发电机的电力线缆处于同一线缆槽中，怀疑RS485通信线缆被发电机发电时的电力线缆干扰。④检查线缆槽，发现RS485通信线缆的屏蔽层未能可靠接入大地。重新将屏蔽层接地后，通信恢复正常。

问题原因：RS485通信线缆的屏蔽层未能可靠接入大地，发电机电力线缆干扰RS485通信线缆。

解决方案：将屏蔽层接地后，通信恢复正常。

问题复盘：

为什么发电机电力线缆会干扰RS485通信线缆？

        发电机电力线缆属于强电层，RS485通信线缆属于弱电层，两个电层上下平行放置。由于RS485通信线缆屏蔽层未能接入大地，当强电电缆上有大电流通过时会产生电场。电场干扰耦合到弱电层，与RS485通信线缆形成平行电容板模型，对差分同行进行干扰。当屏蔽层接地后，强电电场干扰通过屏蔽层走线下到大地，降低了对RS485通信干扰。干扰等效模型如图1所示。

 

图 1

 

案例四：设备被烧坏导致通信中断

问题现象：在某水利发电项目应用中，分别采用A厂的通信管理机，B厂的发电机调速控制器，C厂的发电机，A厂与B厂独立通信正常，B厂与C厂独立通信正常。但是A厂、B厂、C厂一起工作时，B厂的设备被烧毁。整机拓扑如图2所示。

 

图 2

验证过程：①分析RS485通信拓扑，确认通信电缆的端接匹配电阻和从机接线方式符合设计；②确认设备运行环境、布线走线连接方式符合设计；③检查硬件电路发现A厂设备的RS485接口被明显烧毁。RS485通信为弱电通信，怀疑有强电串入通信电路导致通信接口烧毁；④检查发现B厂设备的RS485线路与接地的金属壳存在220VAC电压差。最终确认发电机的220V相线与B厂设备的24V  GND直接短接，导致弱电与强电未实现隔离，RS485通信接口烧毁。

问题原因：发电机的220V相线与B厂设备的24V  GND直接短接，弱电与强电未实现隔离，导致RS485通信接口烧毁

解决方案：将B厂设备的24V  GND与发电机220V相线隔离接地。

问题复盘：

为什么时B厂设备被烧毁，而A厂设备正常？

        在设计中，A厂采用金属壳并接大地，而B厂采用塑料壳未接地。当B厂设备GND中串入220V AC时，该AC电压通过B厂设备，然后再通过RS485串到A厂设备，最终通过A厂设备机壳接到大地，形成电流回路。A厂设备经过机壳到底，未经过CPU等控制器。B厂设备可以等效于环路中的电阻，因此环路中B厂设备被烧毁。其等效电路如图3所示。

 

图 3

        一般，在电路设计中，如果涉及220V AC电压，就需要在PCB板上设计保护接地端子。由于产品的EMC需求，推荐将主板GND通过一个电容接到保护端子（电容需要1206封装以上或者Y电容、安规电容）。电容具有隔直通交的功能，当系统出现交流漏电时，电容可以将交流电泄放到大地，以确保工作人员安全操作。

 

案例五：RS485多设备通信失败

问题现象：在某工业应用中，客户购买10台通信主机和150台通信从机，工程现场安装调试发现连接4台从机时通信成功，接15台从机时通信异常，会随机出现几台从机无法上传数据的现象。

验证过程：①确认线缆拦截方式和拓扑结构正常，通信波特率9600，修改波特率、远端匹配电阻、主机轮询时间间隔，异常依然存在。②逐台从机添加到通信线路上，当设备较多时异常现象复现。③测试485A和485B之间的波形，发现该波形编程三角波。逐个去掉从机设备，通信波形慢慢变为方波。因此，确认异常主要是电路中串联得到某个容性元件导致，使得通信波形失真。④复查电路原理图发现，连路上有串联防雷模块，该模块为容性元件，具有充电放电特性。防雷模块的主要作用是将RS485总线上的雷电干扰信号导入到机壳汇入大地。⑤去掉电路中的防雷模块，RS485通信恢复正常，示波器测试波形为方波。

问题原因：从机的RS485模块中传入了防雷模块，多个从机并联相当于多个电容下地，对通信信号形成了低通滤波，从而导致通信波形畸变。

解决方案：系统电路中去掉防雷模块

问题复盘：

系统中去掉防雷模块是否存在风险？

        系统直接去掉防雷模块确实存在风险，这就需要将屏蔽层做好可靠接地措施，避免雷电干扰串入RS485总线中。在后期项目设计中，建议直接在485A和485B走线上并联TVS管到地，击穿电压设置在6.5V。TVS管具有很小的寄生电容，一般选择pF级别寄生电容的的TVS管，这样就可以做好防雷措施。