工控系统的通信抗干扰技术

一个工控系统常常由几台、几十台甚至更多的工业控制机组成各种形式的分布式测控系统。直接控制级（DDC）可以独立完成本地的数据采集和控制任务，主站负责系统的管理。所有的机器连接成网络互通信息，就可以完成以整体目标为宗旨的相互协调配合，达到更高的控制水平和管理层次。系统的通信因此就成为所有的机器协调一致的关键环节。对于工控系统的设计者来说，面对工业现场严重的干扰，提高通信网络的抗干扰能力无疑是非常重要的事。

1 给RS232C通信接口加装光隔电流环的抗干扰措施

RS232C是微机之间最常用的点对点串行通信接口，但RS232C的抗干扰能力很差。这是由于RS232C采用单端信号传输，而它的连接电缆把它所连接的两台机器的地又连接在了一起，因此，当两个地线之间的地电位不一致时，就有共模干扰电压产生。于是就造成了严重的干扰，甚至烧毁接口器件。如果给RS232C加装一个光隔电流环，就可以隔断两个地之间的联系，从而极大地提高其抗干扰能力。图1是RS232C加光隔电流环的电路原理图。图中，U1是工控机1的RS232C发送接口芯片1488，U2是工控机2的RS232C接收接口芯片1489。它们之间的通信信道已经由T1、T2组成的光隔电流环驱动。当工控机1发送“0”时，U1输出约+11 V，它使光隔管T1的发光二极管发光，使得T1的光电三极管导通，其发射极输出电流i。电流i通过通信线路，驱动光隔管T2的发光二极管发光，使得T2的光电三极管导通，其发射极输出电压约+11 V，接收芯片U2转换该电压成为TTL电平“0”。当工控机1发送“1”时，T1、T2截止，通信线路没有电流，T2的发射极输出-12 V，U2转换它成为TTL电平“1”。图中的C1、D2，C2、D3起加速作用。本电路经实际使用，可以构成几公里的通信。需要注意的是，光隔电流环的电源一定要选用与工控机电源隔离的电源。接地点D1、D2、D3各自独立于各自的体系，不能混接！由于工控机和外电路完全隔离，因此显著地提高了工控机的抗干扰水平。

对RS232C进行光隔电流环改造，隔断了工控机与外界的电的联系，显著地提高了工控机的抗干扰能力。而且这种改造只是在插口上进行，不涉及到工控机内部的电路，因此简单易行。图1省画了工控机2发送到工控机1的通信接口电路，它与图1是对称的。

2 采用RS422A、RS485通信接口，提高通信抗干扰能力

要想根本提高通信抗干扰能力，应当选用更好的通信接口RS422A。

2.1 RS422A的抗干扰性能

图2示出了RS422A通信接口连接图。它采用的是差动平衡驱动和接收电路。由于差动放大器具有很强的抗共模干扰能力，所以两个不同的地线间的电位差形成的共模干扰受到很大的抑制。因此，RS422A通信接口的抗干扰能力比RS232C有质的提高。图中，75LS174、75LS175是RS422A接口使用的一种芯片，它采用单一的＋5 V供电，应用方便。表列出了RS422A与RS232C的性能对比。从表中可见，RS422A的通信距离、速率和接口的性能等等都明显地高于RS232C。

表 RS4232A与RS232C通信接口性能对比表

内容
RS422A
RS232C

接口工作方式
双端
单端

最大电缆距离(m)
1200
15

最大传输速率(bps)
10 M
20 k

驱动器开路输出电压(V)
两输出间为6 V
±25

驱动器有载输出电压(V)
两输出间为2 V
±5～±15

驱动器断电输出阻抗(Ω)
在-0.25～+6 V之间为100 μA
300

驱动器输出电流(mA)
±150
±500

接收器输入阻抗(kΩ)
≥4
3～7

接收器输入阈值(V)
-0.2～+0.2
-3～+3

接收器输入电压(V)
-12～+12
-25～+25

2.2 使用RS422A组成工控网

RS422A可以作为工控机网络的物理层结构。图3是用RS422A构成的星型工控网络的接法。主站可以直接支持32个子站。用RS422A组网的优点是主站可以全双工方式与子站通信。但由于网络需要4根线连接，并且接线也较复杂，因此，人们常常使用它的变型 RS485通信网络。

2.3 RS485及其总线型工控网

RS485串行接口与RS422A接口使用同一种类型的接口芯片，不同之处只是RS485采用半双工方式通信。因此，它只需要两根通信线，网络连接更简单。现在，RS485已成为很多工控机和计算机网络的物理层结构。例如，当今最热门的全数字(智能)、全分散、全开放工控网络Field bus，就是采用的RS485总线网。 图4示意出了采用RS485组成的总线型网络的连接方法。图中，75176是专门用于RS485的通信接口芯片，它把RS422A的发送和接收差动放大器集成在了一起。每个发送驱动器可以直接驱动32个接收器。图中的75174、75175示意的是某些只有发送器或者接收器的单向工作站的通信接口。

RS422A的系列接口芯片75172～75178是一整套支持RS422A和RS485通信网络的接口芯片。它们组合接续，可以构成连通数十公里、数以百计工控机的工控网络。

2.4 插头方式转换RS232C成为RS422A通信接口，提高抗干扰能力

RS422A通信接口电路可以做成插头方式，插接于两个RS232C通信接口之间，直接把RS232C改造成为RS422A通信接口。于是它的抗干扰能力得到了明显的提高。常用来延伸通信距离和提高通信速率。目前这种产品市场上已有成品出售。由于使用方便，无需更改硬件和软件，因此很受欢迎。

3 给RS422A通信接口加装光电隔离电路，更进一步提高工控机的抗干扰水平

RS422A通信接口虽然大幅度地提高了通信电路的抗干扰能力，但是，它所连接的机器之间仍然有电的联系。要想更进一步地提高工控机的抗干扰水平，应当把工控机与外界完全隔离开来。因此需要给RS422A通信接口加装光电隔离电路。图5是一种加装光电隔离电路的方法。

图5 具有光电隔离的RS422A通信接口

其中，光电隔离管T1、T2选用的是TTL电路型的，型号为6N137。它的一次与二次侧的延迟时间tpd只有75 ns，因此速度远远超过普通光电三极管型的光隔管。因为普通的光隔管的tpd为3～6 μs。由于T1、T2把工控机和通信接口都隔离开了，因此工控机的抗干扰水平又上了一个台阶。图中的75LS174和75LS175的三态控制端没有画出隔离控制电路。如果需要控制发送和接收时，可以使用普通光隔管，隔离工控机的开关量输出口就可以了。另外，由于工控机2发往工控机1的通信电路与图5对称，因此也没有画出。

需要再次提醒的是通信接口的+5 V供电要使用独立电源，即一定要与工控机电源隔离。而且G1、G2、G3三个地线也要各自自成体系，不可混接。

4 通信电缆的选用和终端匹配

RS422A的通信电缆最好选用具有屏蔽层的双绞线，可以提高抗电场和磁场干扰的能力，同时也很经济。在图2中，L1、L2共一绞，L3、L4共另一绞。在图4中的通信线是两根，也要用共绞双绞线。在图5中通信线L1、L2共一个绞，电源线L3、L4共另外一个绞。双绞线的屏蔽层最好单点接地。

双绞线的终端要连接终端匹配电阻RT，减小网络的反射，提高抗干扰能力。终端匹配电阻RT值最好取100～150 Ω，连接方法可以按图2和图4，但最好采用平衡匹配法。图6是平衡匹配电阻的连接方法。图(a)用于总线型网络，而图(b)的发送端串联电阻匹配法多用于点对点通信。

5 结束语

工业控制系统通信抗干扰技术，硬件措施是根本。应当根据工控现场的具体情况组织实施。无论是选购现成的产品或者对其再进行改造，都要胸有成竹。除此之外，还应该采取必要的软件抗干扰措施，例如CRC码校验算法等作为补充。通信线路的屏蔽和接地的操作，在另文《工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术》中讨论。通信线路的防雷方法，可以采用TVP瞬变电压抑制器吸收，请参见另文《工控系统的电源抗干扰技术》。