Solar Energy Blog
RS-485 to standard telekomunikacyjny dotyczący transmisji danych, który opisuje sposób łączenia urządzeń typu sterownik i odbiornik w systemach transmisji szeregowej. Standard został utworzony w 1983 r. przez Stowarzyszenie Przemysłu Elektronicznego (Electronics Industries Association – EIA), które jest międzynarodowym organem standaryzacyjnym. Co istotne, standard RS-485 jest również określany jako RS485 oraz EIA-485.
Standard RS-485 jest szczególnie mocno popularny w automatyce i rozwiązaniach przemysłowych. W praktyce RS-485 stanowi warstwę fizyczną dla określonych protokołów (m.in. Modbus i Profibus). Określone są w nim wyłącznie wymagania odnoszące się do charakterystyk elektrycznych, więc nie jest to specyfikacja kompletna. Wykorzystuje się go często w wielopunktowych liniach transmisyjnych. Standard stosuje się m.in. w aplikacjach przemysłowych i użytkowych.
Zastosowania RS-485
Standard RS-485 jest mocno rozpowszechniony w przemyśle, co jest efektem jego dużej wszechstronności.Przykładem wykorzystania RS-485 jest sterowanie za pomocą programowalnego sterownika logicznego (PLC) falownikiem fotowoltaicznym. Zastosowanie standardu umożliwia w praktyce zdalne sterowanie, monitorowanie pracy i poszczególnych parametrów, a także optymalizację działania danego systemu. Poza falownikami, standard wykorzystywany jest także m.in. w przekaźnikach zabezpieczających, licznikach energii, automatyce budynkowej i napędach silnikowych.
Do sterowania falownikiem wykorzystywane są protokoły komunikacyjne, w tym popularny protokół Modbus. Przykładowo, w rozwiązaniach marki Fronius na karcie Datamanager 2.0 stosowany jest Modbus RTU, dzięki któremu można podłączać liczniki energii, akumulatory, sterowniki obciążeń czy też urządzenia innych producentów.
Współcześnie standard RS-485 jest stosowany zarówno w automatyce przemysłowej, jak i budynkowej, gdzie wykorzystuje się go do łączenia urządzeń w celu sterowania i prowadzenia monitoringu. W budynkach może łączyć wiele różnych urządzeń, w tym np. systemy bezpieczeństwa i kontroli dostępu. Standard jest popularny także w systemach inteligentnych domów, gdzie również może łączyć poszczególne urządzenia domowe. Na podobnej zasadzie RS-485 wykorzystywany jest m.in. w obejmujących mierniki temperatury, wilgotności i gazu systemach, które służą zbieraniu danych dotyczących środowiska.
Szerokie zastosowania RS-485 wynikają przede wszystkim z tego, że standard pozwala na komunikację między różnymi urządzeniami, a tym samym – na kompleksowe zarządzanie systemami.
RS-485 a RS-232
Przed utworzeniem standardu RS-485 powstał standard RS-232, który znalazł zastosowanie m.in. w komputerach osobistych. Opracowany w 1960 r. RS-232, będący standardem szeregowej (binarnej) komunikacji danych, jest w pewnym sensie przodkiem RS-485.
Oba standardy różnią się od siebie znacząco pod pewnymi względami. Kluczową przewagą nowszego standardu jest to, że pozwala on na tworzenie sieci łączących w sobie wiele urządzeń, podczas gdy RS-232 pozwala jedynie na przesyłanie danych między dwoma urządzeniami. W praktyce RS-485 jest szybszy i jednocześnie bardziej odporny na ewentualne zakłócenia.
Dzięki swojej specyfikacji i konfiguracji standard RS-485 może pracować szybciej, pozwalając na szerszy – względem RS-232 – zakres przesyłania danych. Równocześnie w przypadku RS-485 radykalnie większa jest maksymalna długość przewodu komunikacyjnego (1200 m wobec 15 m). Różnice między oboma standardami obejmują też brak określenia w RS-485 standardowej końcówki przewodu.
Za istotną przewagę RS-485 uznaje się także większy poziom odporności na zakłócenia. Chodzi zarówno o zakłócenia, jak i tzw. szumy elektryczne. Przewaga standardu RS-485 wynika z tego, że w przesyłaniu danych punktem odniesienia nie jest tutaj, tak jak w przypadku RS-232, poziom masy.
Transmisja w RS-485
Standard RS-485 oparty jest na transmisji różnicowej, która realizowana jest za pośrednictwem skrętki dwuprzewodowej. To korzystne rozwiązanie, ponieważ zewnętrzne zakłócenia działają wtedy tak samo na obie linie sygnałowe.
W konsekwencji sygnał wspólny jest eliminowany już na wejściu różnicowym odbiornika. Z tego powodu RS-485 nadaje się do używania w rozbudowanych sieciach czy też trudnych warunkach przemysłowych, w których istnieje większe ryzyko zewnętrznych zakłóceń transmisji.
Zgodnie z obowiązującymi zasadami, w standardzie RS-485 nadajnik powinien posiadać wyjście różnicowe z napięciem na poziomie co najmniej 1,5 V. Odbiornik powinien natomiast odbierać sygnały różnicowe o wartości minimum 200 mV. Takie wartości umożliwiają realizację transmisji nawet wtedy, gdy dochodzi do wyraźnych strat sygnału w niektórych częściach toru transmisji.
Węzeł sieci
Jako węzeł sieci określa się po prostu urządzenie z interfejsem RS-485, które jest podłączone do sieci. Urządzenia z portem RS-485 posiadają układy nadawczo-odbiorcze (transceiver), czyli układy będące jednocześnie nadajnikiem i odbiornikiem. Układy tego typu pozwalają na łączenie urządzeń z siecią oraz komunikację z pozostałymi urządzeniami.
Co istotne, na rynku dostępnych jest wiele różnych układów nadawczo-odbiorczych. Wykorzystanie konkretnego układu powinno uwzględniać specyfikę danego urządzenia i sieci, w tym np. napięcie zasilania interfejsu logicznego, długość i przepustowość sieci, a także różne zasilanie magistrali.
W ramach standardu RS-485 modelem wyjściowym jest łączenie poszczególnych węzłów w układzie magistralnym (łańcuchowych). Taki układ topologii liniowej opiera się na tym, że poszczególne urządzenia posiadają co do zasady dwa gniazda sieciowe i są połączone z sąsiednimi urządzeniami. Dane są przesyłane poprzez kolejne połączenia i urządzenia.
W kontekście układu magistralnego jedną z istotniejszych kwestii jest to, by linie, po których sygnał trafia z urządzenia do urządzenia, były możliwie jak najkrótsze. Przykładowo, jeżeli szybkość transmisji wynosi do 1000 kb/s, a czas narastania sygnału wynosi do 100 ns, to maksymalna długość połączenia danego urządzenia z magistralą nie powinna wynosić więcej niż 2 m.
Full duplex vs half duplex
Aktualnie stosowane są dwa główne warianty standardu RS-485 – wersja 2-przewodowa i 4-przewodowa.
Najczęściej używa się wersji 2-przewodowej z komunikacją typu half duplex (tryb półdupleksowy), gdzie dane są przesyłane wyłącznie w jedną stronę. Nadawanie i odbieranie danych jest tutaj realizowane w sposób naprzemienny. W ramach trybu półdupleksowego tylko jedno urządzenie może w danej chwili nadawać dane na magistrali. Nadawanie przez większą liczbę urządzeń prowadziłoby do kolizji – w efekcie nie dojdzie wtedy do przesłania żadnych danych. Zabezpieczeniem przed takimi sytuacjami w ramach protokołu sterującego mogą być sygnały kontrolne, które np. poprzez adresy urządzeń powodują, że odpowiedzi na zapytanie udziela jedynie urządzenie zaadresowane w zapytaniu.
Wersja 4-przewodowa, czyli full duplex (tryb pełnodupleksowy), jest z kolei w praktyce połączeniem dwóch magistrali 2-przewodowych (dwóch par sygnałów różnicowych). W tym przypadku dane mogą przepływać w tym samym okresie czasu w obie strony.
Długość magistrali a szybkość transmisji
Na maksymalną długość danej magistrali wpływają zarówno straty sygnału w linii transmisyjnej, jak i rozsynchronizowanie przy określonej szybkości transmisji. W standardzie RS-485 dostępne są różne opcje szybkości transmisyjnej. Szybkości te powinny być odpowiednie dla określonego zastosowania. Co ważne, szybkość transmisji ma przy tym wpływ na długość samej magistrali w standardzie RS-485.
Maksymalna długość magistrali jest w praktyce uzależniona od poziomu rozsynchronizowania i strat sygnału. Jeżeli poziom rozsynchronizowania przesyłanych bitów przekracza 10 proc. czasu trwania bitu, to efektem jest zdecydowane pogorszenie niezawodności przesyłania danych. W tym kontekście bardzo istotny jest wybór odpowiedniej prędkości w stosunku do długości danej magistrali.
Ważne jest także to, że w przypadku wzrostu długości przewodów większe znaczenie ma reaktancyjny charakter linii, a pod uwagę brane powinny być straty w przewodzie. Wtedy konieczne może okazać się zmniejszenie prędkości transmisji. Rosnąca częstotliwość sygnału może natomiast wymuszać zastosowanie krótszych przewodów.
W standardzie RS-485 największa rekomendowana prędkość transmisji wynosi 10 Mb/s, przy czym niektóre współczesne interfejsy pracują również z szybkością na poziomie 40 Mb/s i pozwalają tym samym na szybszy transfer danych. Warto pamiętać, że w sytuacji rozsynchronizowania bitów danych na poziomie 10 proc. czasu trwania bitu maksymalna dopuszczalna długość przewodu to ok. 1200 m.
Łączenie urządzeń
Standard RS-485 pozwala na podłączenie do jednej sieci wielu urządzeń. Co do zasady liczba urządzeń, które można połączyć, wynosi 32, ale w niektórych przypadkach liczba ta może być jednak większa.
W ramach RS-485 nie określa się standardowej końcówki przewodu – w efekcie przy łączeniu urządzeń można stosować różne metody. Możliwe jest zastosowanie do podłączenia sygnałów np. zacisków śrubowych lub wtyczek DB9, co zapewnia bezpieczne i stabilne podłączenie poszczególnych urządzeń. W sieciach RS-486 wykorzystuje się również nieekranowe skrętki UTP o odpowiedniej impedancji.
W sytuacji podłączenia urządzenia 4-przewodowego do 2-przewodowej sieci konieczne jest wykonanie adekwatnych mostków sygnałów, przy czym urządzenie i tak nie będzie pracować w trybie pełnodupleksowym. Analogicznie podłączenie 2-przewodowego urządzenia do 4-przewodowej magistrali wymaga odpowiedniego połączenia mostkowego między liniami danych. Wtedy zmodyfikowana w ten sposób linia może pracować jedynie w trybie półdupleksowym.
Okablowanie
W realizacji magistrali w standardzie RS-485 stosowana jest z reguły nieekranowa skrętka UTP o impedancji charakterystycznej 120 Ω i przekroju ok. 0,6 mm, przy czym większą odporność na zakłócenia może zapewnić ekranowa skrętka STP. Najczęściej przy magistralach korzysta się z 4-parowych skrętek, w których dwie pary przewodów są wolne. Co do zasady jedna z par odpowiada za sygnał różnicowy, a druga para ma za zadanie łączenie masy urządzeń.
Co istotne, przy magistrali półdupleksowej korzystać można z kabli z dwiema parami skręconych przewodów, podczas gdy w magistrali pełnodupleksowej wystarczające są kable z trzema parami skręconych przewodów.
Rezystory terminujące
Magistrala w standardzie RS-485 musi mieć maksymalnie dwa końce, które powinny być zakończone rezystorami dopasowującymi (terminującymi). Takie rozwiązanie pozwala na uniknięcie efektu odbijania sygnału.
Linia danych w magistrali w standardzie RS-485 powinna być zawsze zakończona rezystorami terminującymi. Duże znaczenie odgrywa odpowiednie dopasowanie rezystora do impedancji charakterystycznej przewodu. Zalecane jest korzystanie z przewodów o impedancji charakterystycznej na poziomie 120 Ω, dlatego też częstym rozwiązaniem są rezystory dopasowujące o takiej właśnie wartości na każdym końcu kabla. Co ważne, zalecane jest także stosowanie rezystorów o dokładności na poziomie 1 proc.
Obciążenie
Do magistrali w standardzie RS-485 można podłączać tylko ograniczoną liczbę urządzeń. W praktyce każde urządzenie i każdy obwód typu failsafe jest obciążeniem dla magistrali. Wraz ze zwiększeniem ilości odbiorników rośnie też prąd obciążenia.
W celu ustalenia maksymalnej liczby urządzeń w danej sieci stosowane jest pojęcie jednostki obciążenia jednostkowego UL (unit load). Taka jednostka odpowiada rezystancji obciążenia na poziomie mniej więcej 12 kΩ. Zgodnie z założeniami, w ramach standardu RS-485 powinno być możliwe wysterowanie 32 urządzeń z takim poziomem wejściowej rezystancji. Warto pamiętać, że współczesne sterowniki gwarantują mniejsze obciążenie jednostkowe, więc do magistrali można podłączać więcej urządzeń – nawet do 256, gdy stosowane są odbiorniki o obciążeniu 1/8 UL.
Ustalając maksymalną liczbę urządzeń w sieci, konieczne jest uwzględnienie również obwodów failsafe. Taki obwód zwiększa bowiem pobór prądu i jest równocześnie dodatkowym obciążeniem, co z kolei przekłada się na zmniejszenie maksymalnej liczby węzłów w danej sieci.
Izolacja / izolacja galwaniczna
Jedną z istotniejszych kwestii w odniesieniu do sieci w standardzie RS-485 są sprawy dotyczące izolacji. Rekomendowaną formą izolacji jest separacja masy urządzenia – przy użyciu dodatkowych rezystorów – od lokalnego systemu uziemienia. Ta metoda prowadzi do zmniejszenia ryzyka powstawania pętli prądowej, ale jednocześnie i tak linie sygnałowe są zagrożone zakłóceniami.
Za najkorzystniejsze rozwiązanie w przypadku rozległych sieci uważana jest izolacja galwaniczna. To rozwiązanie pozwala na izolację linii sygnałowych węzłów magistrali od lokalnych źródeł sygnału oraz zasilania. Dzięki izolacji galwanicznej w instalacji RS-485 możliwe staje się połączenie odległych urządzeń, w przypadku których różnica potencjałów mas wynosi do kilku kV. To efekt zastosowania odseparowujących układów nadawczo-odbiorczych, dzięki którym przekazywany sygnał i masy urządzeń nie są połączone elektrycznie, a możliwość tworzenia się pętli prądowych zostaje ograniczona.
Izolacja galwaniczna jest optymalnym rozwiązaniem pod względem bezpieczeństwa w systemach przemysłowych, ponieważ chroni układy elektroniczne i użytkowników przed wysokimi napięciami. W tak izolowanej sieci pętla prądowa jest minimalizowana. Zastosowanie izolacji galwanicznej pozwala ponadto na poprawę stopnia integralności sygnału.
Tryb awaryjny
Tryb awaryjny (failsafe) oznacza w przypadku sieci opartych na standardzie RS-485 zdolność odbiornika do przyjęcia danego stanu przy braku sygnału na wejściu.
Co do zasady brak sygnału na wejściu jest powodowany trzema przyczynami: – otwarty obwód (np. brak podłączonego urządzenia); – zwarty obwód (np. zwarcie związane z uszkodzeniem izolacji); – brak aktywności węzłów sieci. Takie sytuacje prowadzić mogą do odczytywania losowych wartości przez dany odbiornik. W praktyce dobrym rozwiązaniem jest wykorzystanie dodatkowych obwodów zewnętrznych.
Obwód typu failsafe jest obwodem zewnętrznym, który obejmuje rezystancyjny dzielnik napięcia. Rozwiązanie to pozwala zapobiec nieokreślonym stanom w awaryjnych sytuacjach, gwarantując na wejściu różnicowym niezbędny poziom sygnału.
Brak komentarzy