Технический бюллетень TNP011 04.06.2012 г. Защита оборудования от перенапряжений со стороны портов RS-485.

Технический бюллетень TNP011 04.06.2012 г. Защита оборудования от перенапряжений со стороны портов RS-485.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений класса III

На сегодняшний день RS-485 является одним из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Этот стандарт стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации. RS-485 (Recommended Standard 485 или EIA/TIA-485-A) – рекомендованный стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному симметричному каналу связи. Данный стандарт описывает только физические уровни передачи сигналов (т.е. только 1-й уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI) и не описывает программную модель обмена и протоколы обмена. Основные технические характеристики RS-485 приведены в таблице 1.

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи двух или четырёх проводов, как правило, витых пар. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум равнозначным сигнальным проводам таким образом, что между ними всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.

Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Если два провода пролегают близко друг к другу и при этом перевиты между собой, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

Дифференциальная передача сигнала в системах на основе RS-485 обеспечивает надежную передачу данных в присутствии шумов. Однако, для защиты от значительно больших уровней перенапряжений, необходимо принимать дополнительные меры.

Самый универсальный способ защиты от перенапряжений - гальваническая развязка. Гальваническая развязка линии и устройств осуществляется либо опторазвязкой цифровых сигналов с организацией изолированного питания микросхем приемопередатчиков, либо применением приемопередатчиков со встроенной гальванической развязкой сигналов и питания. Защита такого типа не предназначена для поглощения или отвода избыточной энергии. Пока разность потенциалов между изолированными цепями не превышает напряжения пробоя схем развязки (обычно это 1000-2500 вольт), порт не будет поврежден. Необходимо отметить, что развязка хорошо защищает только от синфазных помех. Для защиты от больших величин дифференциальных и синфазных перенапряжений, необходимо применять устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Предпочтительнее применять совместно гальваническую развязку и УЗИП.

На достаточно протяжённых линиях связи и при прокладке в условиях сложной электромагнитной обстановки применение УЗИП особенно актуально. Для обеспечения эффективной защиты необходимо устанавливать УЗИП на всех концах линии связи.

Примеры применения УЗИП для защиты типовых сетей приведены далее:

1. Для сетей, работающих по 4-х проводной линии

Рис. 1. Установка УЗИП на 4-х проводной сети.

2. Для сетей, работающих по 2-х проводной линии

Рис. 2. Установка УЗИП на 2-х проводной сети.

УЗИП следует устанавливать, как можно ближе к порту, который они защищают, при этом сопротивление заземления должно быть минимальным. Хорошее соединение с землей критически важно для корректной работы УЗИП. Оно должно быть сделано как можно более коротким проводником большого сечения. Для различных вариантов включения устройств RS-485 возможно применить несколько видов устройств защиты. Примеры подключения устройств защиты приведены ниже.

В случае размещения оборудования во взрывоопасных зонах, УЗИП необходимо устанавливать до начала искробезопасной цепи (до «искрового барьера») или размещать оборудование и УЗИП во взрывозащищенной оболочке.

2. Для случаев, когда постоянно присутствующие синфазное напряжение V_cm менее 7 В, т.е. нет необходимости использовать «дренажный» провод и не используется изолированное питание, устройства защиты необходимо подключать как показано на рис.3. В данном случае уравнивание происходит относительно защитного заземления, с которым наглухо соединены сигнальное заземление и заземлитель ЭПУ.

Рис. 3. Защита 2-х и 4-х проводных сетей.

4. В случае использования «дренажного» провода для поддержания постоянно присутствующего синфазного напряжения на входе приёмников в рекомендуемых пределах -7…12 В его обычно соединяют с защитным заземлением через резистор с номиналом 100 Ом для ограничения величин токов уравнивания потенциалов земель. В данном случае необходимо производить уравнивание относительно защитной земли, используя модули защиты, в которых предусмотрено разделение сигнальной и защитной земли. При этом, опасные токи будут растекаться на заземляющее устройство, не создавая экстремально высокого потенциала «дренажного» провода. Рекомендуемые схемы защиты приведены на рис.4.

Рис. 4. Защита 2-х и 4-х проводных сетей с дренажным проводом.

При использовании оборудования с гальванической развязкой и изолированным питанием допускается присутствие больших величин разницы потенциалов между изолированными полюсами. Уравнивание рекомендуется осуществлять также относительно защитной земли. Рекомендованные схемы включения УЗИП приведены на рис. 5.

Рис. 5. Защита 2-х и 4-х проводных сетей с гальванической развязкой и изолированным питанием.

5. В разветвлённых и протяжённых сетях, использующих оборудование с гальванической развязкой и изолированным питанием, обычно, применяют 3-й «общий» сигнальный провод. Для подобных схем необходимо устанавливать УЗИП согласно рис. 6. Здесь также уравнивание производится относительно защитной земли, и применяются устройства защиты с разделением сигнальной и защитной земли.

Рис. 6. Защита 2-х и 4-х проводных сетей с гальванической развязкой и дренажным проводом.

Основным преимуществом стандарта RS-485 считается возможность передачи информации на сравнительно большие расстояния. При этом, большая скорость передачи данных (10 Мбит) достигается только при небольших расстояниях и использовании дополнительных средств, таких как:

• использование 4-х проводных линий;

• использование кабеля на основе витых пар;

• экранирование кабеля.

В связи с этим, в большинстве случаев, сети, основанные на данном стандарте, используют малые скорости передачи. Для защиты оборудования таких сетей достаточно применять УЗИП, допускающие прохождение сигналов скорость не более 1 Мбит/с.

Для поддержания постоянно присутствующего синфазного напряжения на входе приёмников в пределах -7…12 В стандарт рекомендует применение дренажного провода. Обычно, при этом величина напряжения V_cm близка к 0. В связи с вышесказанным, возможно применение устройств защиты с порогом срабатывания 6-8 В, что достаточно для большинства сетей с дренажным проводом.

В качестве универсального решения для защиты оборудования со стороны портов RS-485 были разработаны УЗИП К2Р Н485Р (рис. 7). Их параметры удовлетворяют всем требованиям стандарта RS-485. Данные устройства возможно применять в качестве любого УЗИП во всех вышеприведённых случаях применения интерфейса RS-485.

Рисунок 7 -Схема УЗИП К2Р Н485Р

Схема данных устройств также позволяет удовлетворять требованиям раздела 10.4. СТО Газпром 2-1.11-290-2009 в части обеспечения эффективности заземления экрана кабеля на высоких частотах при высокой длине кабеля. Для этого в п. 10.4.3. рекомендуется заземлять один из концов экрана кабеля через ёмкость (рис. 8). В схеме К2Р Н485Р предусмотрены два контакта для подключения экрана кабеля непосредственно к заземлению (Х2 контакт 2) или через шунтирующую ёмкость (Х2 контакт 1).

Рисунок 8 - Заземление экрана кабеля с использованием шунтирующей емкости

Примечания:

1. Вопрос использования и заземления экрана и брони кабеля в данном бюллетене не рассмотрен в полном объёме;

2. Схемы и параметры устройств защиты приведены в соответствующем разделе на сайте.

Литература:

1. ГОСТ Р МЭК 60870-5-103-2005 «Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 103. Обобщающий стандарт по информационному интерфейсу для аппаратуры релейной защиты»;

2. RS-422 and RS-485 Application Note / B&B Electronics Mfg. Co. Inc.; B&B Electronics – Revised June 2006. – 40 с.;

3. Евдокимович Арсений «Правильная разводка сетей RS-485» (27 марта 2009 года) [Электрон. дан]. – Режим доступа: https://forum.segnetics.com/showthread.php%3Ft%3D329;

4. Обрежьте жирок с RS-485: Maxim's Tutorial 119 (A184, март 2001 года), Перевод: Игорь Николаевич Бирюков (14 марта 2001 г.). – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/rs485/power.htm;

5. Яшкардин Владимир RS-485 рекомендованный стандарт электрических характеристик генераторов и приемников для использования в балансных многоточечных системах. [Электронный ресурс]: Яшкардин В. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.softelectro.ru/rs485.html;

6. СТО Газпром 2-1.11-290-2009 Положение по обеспечению электромагнитной совместимости производственных объектов ОАО «Газпром».