西門子S7-200PLC的RS485通信口易損壞的原因分析和解決辦法
添加時間:2008-10-17 15:30:48 點擊次數:21224
   一、 S7-200PLC內部RS485接口電路圖
圖中R1、R2是阻值為10歐的普通電阻,其作用是防止RS485信號D+和D-短路時產生過電流燒壞芯片,Z1、Z2是鉗制電壓為6V,最大電流為10A的齊納二極管,24V電源和5V電源共地未經隔離,當D+或D-線上有共模干擾電壓灌入時,由橋式整流電路和Z1、Z2可將共模電壓鉗制在±6.7V,從而保護RS485芯片SN75176(RS485芯片的允許共模輸入電壓范圍為:-7V~+12V)。該保護電路能承受共模干擾電壓功率為60W,保護電路和芯片內部沒有防靜電措施。

  二、常發生的故障現象分析:
  當PLC的RS485口經非隔離的PC/PPI電纜與電腦連接、PLC與PLC之間連接或PLC與變頻器、觸摸屏等通信時時有通信口損壞現象發生,較常見的損壞情況如下:
  ●R1或R2被燒斷,Z1、Z1和SN75176完好。這是由于有較大的瞬態干擾電流經R1或R2、橋式整流、Z1或Z1到地,Z1、Z2能承受最大10A電流的沖擊,而該電流在R1或R2上產生的瞬態功率為:102×10=1000W,當然會將其燒斷。
  ●SN75176損壞,R1、R2和Z1、Z2完好。這主要可能是受到靜電沖擊或瞬態過電壓速度快于Z1、Z2的動作速度造成的,靜電無處不在,僅人體模式也會產生±15kV的靜電。
  ●Z1或Z2、SN75176損壞,R1和R2完好。這可能是受到高電壓低電流的瞬態干擾電壓將Z1或Z2和SN75176擊穿,由于電流較小和發生時間較短因而R1、R2不至于發熱燒斷。
  由以上分析得知PLC接口損壞的主要原因是由于瞬態過電壓和靜電造成,產生瞬態過電壓和靜電的原因很多也較復雜,如由于PLC內部24V電源和5V電源共地,24V電源的輸出端子L+、M為其它設備混合供電可能導致地電位變化,從而造成共模電壓超出允許范圍。所以EIA-485標準要求將各個RS485接口的信號地用一條低阻值導線連接在一起以保證各節點的地電位相等,消除地線環流!
  當帶電插拔未隔離的連接電纜時,由于兩端電位不相等電路中又存在諸多電感、電容之類的器件,插拔瞬間必然產生瞬態過電壓或過電流。
  連接在RS485總線上的其它設備產生的瞬態過電壓或過電流同樣會流入到PLC,總線上連接的設備站點數越多,產生瞬態過電壓的因素也越多。
  當通信線路較長或有室外架空線時,雷電必然會在線路上造成過電壓,其能量往往是巨大的,常有用戶沮喪地說:“聯網的幾十臺PLC全部遭打壞了!”。
  三、 解決辦法:
  1、從PLC內部考慮:
  ●采用隔離的DC/DC將24V電源和5V電源隔離,我們分析了三菱、歐姆龍、施耐德PLC以及西門子的PROFIBUS接口均是如此。
  ●選用帶靜電保護、過熱保護、輸入失效保護等保護措施完善的高擋次RS485芯片,如:SN65HVD1176D、MAX3468ESA等,這些芯片價格一般在十幾元至幾十元,而SN75176的價格僅為1.5元。
  ●采用響應速度更快、承受瞬態功率更大的新型保護器件TVS或BL浪涌吸收器,如P6KE6.8CA的鉗制電壓為6.8V,承受瞬態功率為500W,BL器件則可抗擊4000A以上大電流沖擊。
  ●R1和R2采用正溫度系數的自恢復保險PTC,如JK60-010,正常情況下的電阻值為5歐,并不影響正常通信,當受到浪涌沖擊時,大電流流過PTC和保護器件TVS(或BL),PTC的電阻值將驟然增大,使浪涌電流迅速減小。
  2、從PLC外部考慮:
  ● 使用隔離的PC/PPI電纜,盡量不用廉價的非隔離電纜(特別是在工業現場)。西門子公司早期出產的PC/PPI電纜(6ES7 901-3BF00-0XA0)是不隔離的,現在也改成隔離的電纜了!
  ● PLC的RS485口聯網時采用隔離的總線連接器,如PFB-G,速率為0~10Mbps自動適應,外形和使用方法與西門子非隔離的總線連接相同。
  ● 與PLC聯網的第三方設備,如變頻器、觸摸屏等的RS485口均使用RS485隔離器BH-485G進行隔離,這樣各RS485節點之間就無“電”的聯系,也無地線環流產生,即使某個節點損壞也不會連帶其它節點損壞。
  ● RS485通信線采用PROFIBUS總線專用屏蔽電纜,保證屏蔽層接到每臺設備的外殼并最后接大地。
  ● 對于有架空線的系統,總線上最好設置專門的防雷擊設施。

  以上拙見,希望與各位同行共同探討,或許能起拋磚引玉之作用,如有不妥,請不吝指正!

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