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。