RS-485 Modbus RTU

На объекте была проблема плохой связи между шкафом автоматизации, в котором находился сенсорный программируемый контроллер СПК110 ОВЕН, и соседним шкафом, где располагались четыре частотных преобразователя ПЧВ3 ОВЕН. Когда монтаж был завершен, приступили к проведению пусконаладочных работ.
При подаче питания на частотные приводы (без включения электродвигателей) связь с СПК110 обрывалась, хотя расстояние между шкафами было не более 15 метров. Сходу было сложно понять, в чем заключается проблема, поэтому, будучи участником группы единомышленников АСУ, задал вопрос в мессенджере телеграм (https://t.me/ru_ASUTP). Сообща стали обсуждать возможные варианты ошибок при настройке обмена данными по интерфейсу RS-485. В этой статье обобщены советы с графическими пояснениями.


 

1.    Разделение проблемы на части

Есть такая поговорка, что «кушать слона удобнее по частям». Разделение сети на сегменты и последовательный анализ позволяет выявить, где именно находится проблема.
Если отключить интерфейсный кабель от СПК110 и подключить контроллер через интерфейсный переходник, через программу Modbus Slave для имитации SLAVE-устройства, то можно проверить обмен с контроллером. Если в программе Codesys 3.5 устройство находится устойчиво в состоянии «Работа», подсвечено зеленым цветом, то можно утверждать, что контроллер и порт исправны. В программе есть диагностика соединения и счетчик ошибок обмена.
Хорошим вариантом программы для анализа связи между компонентами является MasterOPC Universal Modbus Server. Отличная функциональность, удобные логи. Плюс поддерживается вообще все – и мастер, и слэйв, ASCII/RTU/TCP, всякая специфика типа RTU over TCP.

 

 
 

Далее целесообразно проверить участок сети, который идет в сторону частотных приводов, предварительно подав на них питание. Важно использовать именно тот провод, который отходит от СПК110. Так мы проверим работоспособность (см. ответы в мессенджере телеграм) и устройств и кабельной линии, проложенной из одного шкафа в другой. Вместо СПК110 в данном случае будет выступать программа Modbus Pool.

 

Можно прибегнуть к научному методу диагностики сети и воспользоваться осциллографом.

 
График с подобными зазубринами может говорить о том, что линия сильно зашумлена помехами и для СПК110 будет сложно распознать в таких телеграммах, где ноль, а где один.
На данной осциллограмме уровень сигнала на первом порту всего 1,5 вольта, а на втором порту – около 3 вольт, при этом изменения терминатора не влияют на характер получения сигнала и уровни сигналов.
Таким образом, всего один неисправный компонент сети RS-485 может быть причиной отказа нормальной работы всей сети. Поэтому желательно при поиске неисправности разделять всю сеть на сегменты и подключать к мастеру по одному, анализируя качество обмена.

2.    Блок питания и заземление

Относительно необходимости заземления нулевого проводника блока питания 24В: следует объединять ноль источника питания 24VDC и клеммы заземления шкафа. Это позволит уменьшить вероятность появления паразитных помех в цепях постоянного напряжения. Если в процессе эксплуатации произойдет наложение фазы основного питания на слаботочную линию, то заземление спасет сам источник питания и слаботочное оборудование, отключив автомат защиты.

Важно:
- стараться не использовать пластиковые корпуса шкафов, где есть задачи управления по интерфейсу и одновременно есть частотные приводы;
- избегать установки открытых блоков питания Meanwell, так как последние дают смешанное напряжение, когда к постоянному напряжению 24В подмешивается синусоида 50Гц. Это сильно вредит обмену по интерфейсу RS485, так как СПК110 не имеет фильтра на входе по питанию и часть переменного напряжения разойдется по плате, включая порты RS-485;
- не связывать экран интерфейсного кабеля с защитной землей частотного привода (ПЧВ), так как на нее «сливаются» собственные помехи.
Таким образом, в случае наличия проблем в обмене RS-485 следует объединить ноль источника 24В питания с землей.

3.    Монтаж интерфейсных линии связи

Необходимо следить, чтобы интерфейсные кабели, участвующие в цифровом обмене, не находились рядом с высоковольтными проводами, вне зависимости от того, имеется у них экран или нет. Если же контакта с силовыми кабелями невозможно избежать, то места прилегания этих кабелей друг к другу нужно минимизировать. Чем больше будет площадь прилегания кабелей, тем больше будет индуктивно проникать в интерфейсный кабель помеха.
Значение также имеют сечение, материал проводника и его собственное сопротивление. Если у Вас нет специального кабеля, то можно взять обыкновенный монтажный медный провод и свить его шуруповертом в косичку. Такая прокладка выручит в шкафах, где зашумленность от помех частотных преобразователей особенно высока. Неиспользуемые жилы витой пары необходимо заземлить.

 
По фото витая пара зачищена слишком сильно, что позволяет проникать в линию наведенным помехам.
Важно:
- проанализировать, как именно витая пара заходит в сам частотный привод. Монтажникам обычно сложно понять разницу между типами кабелей и они прокладывают слаботочные провода прямо на винил силовых проводов, при этом возникает взаимоиндукция. Причем и экранирование в таком случае спасает слабо, желательно прокладывать интерфейсные кабели хотя бы в 10 см вдали от силовых.
- стараться в местах соединений с клеммником внутри устройств сокращать неэкранированную часть.

Таким образом, экран кабеля должен быть заземлен и объединен с нулем источника питания 24В в шкафу откуда происходит опрос. Экран должен быть соединен в устройствах, через которые он проходит.

4.    Анализ зашумленности линий связи

Самым лучшим решением для диагностики зашумленности линии является осциллограф. Он графически показывает помехи в виде всплесков и лучше помогает в деле нахождения источника помех.
Если же у Вас нет возможности найти осциллограф, то можно использовать для определения зашумленности индуктивный прозвонщик. При поднесении ответной части индуктивного прозвонщика к интерфейсной линии связи RS485 раздастся треск, значит, возможны помехи в линии. Слышно именно ту синусоиду, которая является основой питания любого шкафа. Она паразитно просачивается в линию, тем самым зашумляя ее. Иными словами, шум, который находится в линии, не дает полезному сигналу возможности пройти.

Таким образом, если вы слышите шум в линии, это может являться следствием паразитных наводок, которые могут иметь как внешнюю природу (через экран кабеля), так и через схемы самих подключаемых приборов.

5.    Терминаторы

Что такое терминирование и зачем нужны терминаторы?
Электрический импульс бежит по проводам и упирается в конец линии, дальше воздух, пластик, резкий переход проводящих свойств. Происходит отражение импульса и он бежит в обратную сторону, по пути суммируясь с исходным импульсом и искажая его. Трансивер в устройстве получает определённые логические уровни как нули и единицы. Если в сигнале из-за наложения появляются провалы или пики в местах, где этого не должно быть, то телеграмма воспринимается некорректно и связь при этом падает. Терминирующий резистор имитирует продолжение линии, в нём гасится мощность импульса и предотвращается отражение.
По правилам подключения приборов ОВЕН (обеспечивается спецификация Modbus), описанных в документации к приборам, на концах шины следует устанавливать резисторы 120 Ом. Если оборудование ОВЕН используется совместно с оборудованием других брендов, то требования по применению терминаторов должны быть заимствованы. Например, могут требоваться подтягивающие резисторы.

 
Схема подтягивающих резисторов в SIEMENS

По стандарту SIEMENS для сетей RS485 устранение шума осуществляется путем подключения подтягивающих резисторов 390 Ом от А к плюсу и от В к минусу.

 
Так выглядит схема подключения терминаторов для устройств Schneider Electric.

Особое внимание стоит обратить на конденсатор в 1nF. Данный элемент носит практическую роль и без него обмена данными не будет.
Линия с отключенными по питанию приборами и подключенными терминаторами должна быть примерно 50-60 Ом.
Для коротких участков линий в большинстве случаев лучше всего ставить по 100 Ом на концах линий. Этого достаточно и будет работать лучше, чем 120 Ом, - таким образом «угадывается» волновое сопротивления кабеля.
Иногда советуют устанавливать ферритовые кольца для успокоения помех, с проницаемостью не менее 2000н.
Если уменьшать терминальное сопротивление, то и амплитуда сигнала будет уменьшаться, для RS-485 стандартное значение 1,5В.

Джамперы на СПК1**, которые нужны для терминирования шины, следует использовать с осторожностью, так как применение этих переключателей не всегда приводит к желаемому результату. Например, в сети нужно установить терминатор. При переключении джампера в ряде случаев можно увидеть, что связь стала менее устойчивой. В таком случае стоит отказаться от их использования.

 
Так выглядит переходник, позволяющий подключать терминаторы на три порта RS485.
Таким образом, терминаторы нужны, но к их применению следует подходить осмысленно. На очень коротких сегментах линии они могут даже мешать.

6.    Скорость обмена на шине RS-485

Качество обмена на шине зависит от выбранной скорости. В одних решениях лучше выбрать скорость 9600 бод, а в других, несмотря на длину линий, выбирают скорость 115200 бод.
Для коротких локальных решений (по опыту автора статьи) лучше всего для оборудования ОВЕН подходит скорость 38400 бод, на протяженных линиях – 9600 бод.
Таким образом, скорость обмена подбирается каждый раз индивидуально.

7.    Заземление экранированного кабеля

Важным условием корректного экранирования интерфейсной линии связи является принцип ее заземления в том шкафу, откуда происходит опрос магистрали.

 
Если уже принято решение об использовании FTP, то нужно учитывать, что общая луженая жила идет под полиэтиленовой пленкой и не имеет контакта с экраном. Необходимо соединять луженую жилу именно с этой фольгой.
Можно найти такой тип кабеля FTP, в котором экран выполнен в виде плетенки. Такой кабель проще использовать в монтаже для подключения земли.
 

На снимке выше экран не выведен. Выведен «спутник», луженая жила, которая не является экраном. В данном случае стоит скорректировать монтаж: вывести наружу экранирующую фольгу с двух кабелей и соединить их с этим спутником.

 
Такой тип кабеля более удобен и условно подходит для прокладки сети RS485 и соединения всех сегментов сети по экрану.
Важно:
- экран необходимо соединить между всеми участкам сети;
- соединять экран с землей следует только на стороне щита управления;
- шкаф сам должен быть заземлен;
- потенциалы между шкафами должны быть выровнены. Очень уязвимы для помех неэкранированные кабели и зачищенные, без экрана, участки кабеля.
В современных реалиях стало очень распространенным использование кабеля витой пары для любых применений. Утюг – пожалуйста, RS-485 – без проблем. По умолчанию такой тип кабеля предназначен для сетей Ethernet, а не для целей прокладки линий RS485. Низкая стоимость и доступность берут вверх над необходимостью использования кабеля по назначению.
Почему такое решение плохо подходит?
У дешевых типов кабеля очень тонкие одножильные проводники, иногда из медных сплавов, а не из меди, завивка слабая, что плохо подходит для сети RS485. Сечение жил таких кабелей редко дотягивает до 0,5 мм.
Работать такое решение, конечно, будет, но при соблюдении качества прокладки и остальных факторов.
Для сетей rRS485 необходимо приобретать кабельную продукцию, где в спецификации указано: «кабель для промышленного интерфейса RS-485». Вот пример такого кабеля отечественного производителя: КИПЭВ 1х2х0,6 или специализированные марки кабеля МКЭШ.

 
Таким образом, от качественного заземления зависит работоспособность шины для передачи сигнал по RS485.

8.    Следование правилам установки частотных приводов

Сам частотный привод в силу своей конструкции является источником помех. Он может влиять как на приборы, с которыми он напрямую не взаимодействует, так и на цепи электропитания, от которых берет питание.
Частотные преобразователи работают по принципу преобразования постоянного напряжения в переменное, а это значит, что чем выше частота генерации, тем сильнее будет фонить кабель в пространстве. При этом важно понимать, что этот фон отлично гасит экранирование кабеля, как силового, так и интерфейсного.

Существует стандарт, описывающий правила электромагнитной совместимости:
ГОСТ Р 50397-2011. https://drives.ru/stati/ems-preobrazovatelej-chastoty/drives.ru
Важно:
- устанавливать дроссели в местах распределения питания на частотные приводы;
- устанавливать частотные приводы внутрь металлических шкафов;
- использовать экранированные кабели для подачи питания на электродвигатели;
- частотные преобразователи имеют свои пределы по длинам моторных кабелей;
- при коммутации асинхронного двигателя с ПЧ, рекомендуется фазные жилы пропускать через ферритовые кольца возле борно.
Таким образом, системы, где присутствуют частотные приводы или иные источники высокочастотных помех (плавный пуск, генератор и т.п.), требуют особого внимания в вопросах прокладки и заземления интерфейсного кабеля. В противном случае можно потратить много времени на поиск проблемного участка.

9.    Оценка состояния сети по осциллограмме
 

 

Для оценки состояния обмена и зашумленности линии был использован двухканальный осциллограф от фирмы Мотор мастер, подключаемый к ноутбуку по USB. Подойдут для данных целей недорогие модели Hantek 6022, доступные на AliExpress.
На снимке отображены одновременно два канала, к потенциалу А один провод и ноль, к каналу В второй провод и ноль. Тогда сигналы должны зеркально отобразиться и должны совпасть по фронтам.
На графике, представленном выше, наблюдаем зашумленность интерфейсной линии, которая предположительно возникает из-за ряда причин: щит пластиковый (не экранирован), ошибки в экранировании и заземлении.

 
При изучении осциллограммы можно заметить, что на линии замера А больше шума, а на линии замера Б больше завалены фронты.
На верхнем сигнале видна «борода» после достижения уровня сигнала. Это похоже на отражение из-за плохого терминирования, а на нижнем фронты завалены. Заваливание фронтов обычно является признаком длинной линии, хотя известно, что линия не более 15м.

Таким образом, анализ графика с осциллографа позволяет быстрее разобраться в ситуации, и если производить манипуляции с сетью, наблюдать изменения кривых, то можно более качественно и быстро добиться результата.

Краткое описание RS-485

Гармонические искажения - простое решение

Частотные преобразователи и электромагнитная совместимость