Применение интерфейса RS485 в системах управления автоматами для аргонодуговой сварки.. Применение интерфейса RS485. Блоки управления двигателями перемещения сварочной головки, изделия и проволоки
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Современный автомат для аргонодуговой сварки имеет в своем составе несколько основных блоков [1]: инверторный источник сварочного тока; блоки управления двигателями перемещения сварочной головки, изделия и проволоки; блок измерения и протоколирования параметров процесса выносной пульт управления. Все эти блоки, как правило, содержат микроконтроллеры и должны быть объединены одной или несколькими информационными шинами, которые должны удовлетворять нескольким требованиям высокая помехозащищенность расстояния передачи данных не более 20 метров скорость передачи данных – до 115200 Бод. Оптимальным для этих условий является широко распространенный в промышленности последовательный интерфейс. Однако при использовании в оборудовании для аргонодуговой сварки он нуждается в дополнительной защите. Основные источники помех, действующих на интерфейс, таковы: высокая напряженность переменного электрического поля при зажигании дуги с помощью высоковольтного пробоя дугового промежутка; • • • • • сильное постоянное, переменное и импульсное магнитное поле, наводящееся при сварке проводниками стоками в несколько сотен ампер; наводки от импульсных блоков управления коллекторными двигателями и от самих двигателей; наличие больших разностей потенциалов на разных заземляющих контактах из-за больших токов в цепях заземления высокая температура внутри корпусов, металлическая пыль, возможность обрыва и замыкания кабелей. Все эти факторы больше всего влияют именно на линии межблочных соединений – в первую очередь на линии интерфейса, питания и земли. Вопросы разводки цепей RS485 и методы борьбы с помехами описаны в статьях [2], [3], [4], [5], [6], [7]. Анализ этих методов и опыт практического внедрения позволили сформулировать требования кап- паратной реализации интерфейса RS485 в оборудовании для аргонодуговой сварки. Все линии RS485 по требуемому уровню защиты можно разделить на две группы межблочные соединения внутри одного корпуса и соединения между блоками, расположенными в разных корпусах. Межблочная линия RS485 внутри одного корпуса Внутри одного корпуса целесообразно использовать интерфейс без гальванической развязки с дополнитель- • • • • Р.Перковский Аргонодуговая сварка – прогрессивный метод создания неразъемных соединений металлов, сплавов и различных материалов для дорогостоящих изделий атомной, авиационной, космической, судостроительной и трубной промышленности. Для этих изделий высокие качество и надежность в работе являются обязательными. Обеспечить высокое качество сварных конструкций можно только за счет современного автоматизированного оборудования, объединенного с помощью многоконтурных систем управления. Важную роль в реализации распределенных многоконтурных систем управления играют интерфейсы, которые связывают отдельные блоки оборудования между собой. рис.1. возникновение наводок в замкнутых контурах Применение интерфейса RS485 в системах управления автоматами для аргонодуговой сварки ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес название рубрики ной защитой драйверов. Разводка земли и питания требует, чтобы все блоки были соединены водной точке корпуса, а интерфейс RS485 не допускает такой конфигурации – он требует последовательного подключения драйверов RS485 с терминальными резисторами на краях линии. В результате могут возникнуть замкнутые контуры (рис, в которых появляются токи наводки н. При передаче данных от ведущего) (U3) к ведомому (Slave) (U1) блоку этот ток создает напряжение синфазной помехи н, приложенное ко входу принимающего в данный момент драйвера, поскольку он в этом случае имеет наибольшее сопротивление в контуре. Это напряжение может достигать десятков вольт и быть причиной искажения передаваемой информации или выхода драйвера из строя. Чтобы в контуре, образованном проводниками питания, земли и сигнальными линиями, не возникали токи наводки, необходимо располагать проводники как можно ближе друг к другу. Для исключения наводок от линий питания на интерфейс последний нужно экранировать, а экран подключить в общую точку (рис.2). Линии Аи В каждого драйвера RS485 следует снабдить дополнительной защитой. Так, для защиты от импульсных помех в каждом блоке дополнительно установлены контуры (рис. Для защиты от синфазных и парафазных помех большой длительности установлены двухсторонние ограничители напряжения VD1, VD2 и самовосстанавливающи- еся электронные предохранители FU1, FU2. Чтобы гарантированно удерживать линию в состоянии «1» при отсутствии передачи, в устройство введены смещающие резисторы R1 и R2. Их сопротивление выбирается исходя из общего числа блоков на линии таким образом, чтобы общее сопротивление всех параллельно включенных резисторов составляло около 560 Ом. Это обеспечивает требуемое для RS485 смещение более 200 мВ. линия RS485 Между блокаМи в разных корпусах Для связи блоков, расположенных в разных корпусах, необходимо использовать интерфейс RS485 с гальванической развязкой. Это позволяет работать при больших синфазных помехах, которые могут возникнуть при неправильном заземлении корпусов или при больших токах в цепях заземления. Для связи ведущего модуля c несколькими ведомыми блоками, расположенными в разных местах оборудования, каждый блок нужно подключить по отдельной линии RS485 через устройства гальванической развязки U1–U4 (рис. Входы всех устройств гальванической развязки интерфейса RS485 соединяют как было описано выше, так как они расположены водном корпусе. Такое соединение позволяет на аппаратном уровне максимально защитить драйверы интерфейса и обеспечить прозрачный программный доступ между всеми модулями в сети. Наибольшую сложность в подключении представляют выносные блоки – к ним нужно подвести питание, обеспечить для них связь пои заземление. Пример такого блока – выносной пульт управления (рис.5). Для гальванической развязки интерфейса RS485 используется повторитель U1, который обеспечивает автоматическое определение направления передачи данных. Для защиты драйверов от помех используют контуры и ограничители напряжения VD1, VD2, VD3, VD4. Около каждого приемопередатчика установлены терминальные (R3, R4) и смещающие (R1, R2, R5, R6) резисторы. Гальваническая развязка интерфейса обеспечивается со стороны ведущего блока, в результате на него меньше влияют помехи, наведенные на межблочный кабель. Гальваническая развязка питающего напряжения организована со стороны ведомого блока (U2), что обеспечивает пульт стабильным питанием. Гальванически изолированная часть схемы соединена с защитным заземлением через высоковольтную емкость С. Защитный экран соединительного кабеля и корпус пульта подключен к защитному заземлению через сопротивление. Такая схема подключения обеспечивает надежную работу пульта в сварочном оборудовании. рис.2. разводка цепей питания и интерфейса рис. защита входов драйвера рис. соединение шиной RS485 нескольких блоков, расположенных в разных корпусах ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 6/2008 преобразователь интерфейса Для наладки систем управления сварочными автоматами требуется доступ к шине RS485 от компьютера. Компьютеры сегодня могут иметь интерфейсы RS232 и USB. Кроме того, часто отдельные блоки имеют интерфейс RS232 для выдачи протокола процесса вовремя сварки. Все это требует наличия различных переходников RS232-RS485, RS485-USB, RS232-USB, снабженных защитными цепями. Специально для работы с различным сварочным оборудованием в ЗАО Лаборатория электроники разработан универсальный преобразователь модели EL204. Он имеет гальваническую развязку между всеми интерфейсами, дополнительную защиту линий RS485 и позволяет передавать данные во всех направлениях отв и RS485, отв и RS485, отв и USB (рис.6). Драйверы интерфейсов включены таким образом, что принятые данные RXD от любого интерфейса поступают на выход двух других интерфейсов через TXD за счет логических элементов И DD1–DD3. Это позволяет использовать преобразователь для обмена данными в любом направлении без каких-либо коммутаторов. Кроме того, можно одновременно работать от USB с устройствами RS232 и RS485, если все они поддерживают протокол с адресом устройства. В качестве контроллера применен FTDI232, имеющий минимум обвязки и реализующий виртуальный порт в операционных системах Windows 98, Windows ME, Windows 2000, Windows XP, Windows Vista, Mac OS 8, Mac OS 9, Mac OS X, Linux, Windows CE.NET. Гальваническая развязка интерфейсов реализована на микросхемах фирмы Analog Devices, в которых применена технология монолитных трансформаторов Эта технология обеспечивает, по сравнению с оптопарами, более стабильные характеристики в широком температурном диапазоне и меньшую проходную емкость. Все сигналы интерфейса формируют драйвер ADM213 и микросхемы гальванической развязки серии ADUM12XX и ADUM14XX. Для формирования сигналов интерфейса RS485 используется приемопередатчик с внутренней гальванической развязкой. Кроме преобразования физических уровней интерфейсов, преобразователь обеспечивает согласование дуплексных интерфейсов USB и RS232 (данные на входи выход передаются по разным линиям, возможна также одновременная передача данных) c полудуплексным RS485 (данные передаются по одной дифференциальной линии, драйвер может работать или на прием, или передачу. Для этого необходимо управлять сигналом DE (направление передачи пота- ким образом, чтобы интерфейс RS485 всегда был включен на прием (DE=0) и только в момент передачи данных от USB или R232 – на передачу (DE=1). Применение полудуплексного интерфейса RS485 предполагает, что используемый протокол обмена не допускает одновременную передачу и прием данных по всем интерфейсам. При обмене данными между USB и RS485 для управления сигналом DE служит специальный выходу, который устанавливается в «1» только при приеме данных от USB (рис. При обмене данными между RS232 и RS485 отсутствует сигнал, указывающий направление передачи. Поэтому сигнал DE программно формируется микроконтроллером управления направлением передачи (см. рис) по анализу данных, которые поступают от RS232. Логический элемент обеспечивает управление сигналом направления передачи как от USB, таки от Управлять сигналом DE при обмене данными между RS232 и RS485 можно в двух режимах стандартном и авто- матическом. рис.5. подключение выносного пульта рис. функциональная схема универсального преобразователя ЭЛЕКТРОНИКА Наука, Технология, Бизнес название рубрики В стандартном режиме необходимо задать скорость передачи данных с помощью микропереключателей SA1- SA4 согласно табл. В исходном состоянии DE установлен виданные передаются отв (рис. Микроконтроллер постоянно анализирует данные, принимаемые от RS232, и при обнаружении стартового бита переключает RS485 на передачу, устанавливая DE в «1» на время t 1 трансляции одного байта данных исходя из установленной скорости обмена. После окончания времени t 1 DE удерживается в «1» еще в течение времени t 2 , равного половине времени передачи бита на выбранной скорости t 0 . Если в течение времени t 2 на входе RS232 появился новый старт-бит, то отсчет времени t 1 начинается заново, в противном случае преобразователь возвращается в исходное состояние и DE устанавливает в Стандартный режим реализовать все преимущества дифференциального интерфейса RS485, но требует предварительного задания скорости передачи данных и работает только в режиме «1 старт-бит и 1 стоп-бит». Его применяют, когда нужно обеспечить максимальную помехозащищенность и дальность передачи или при подключении большого числа устройств к одной линии. Автоматический режим устанавливается при размыкании всех микропереключателей SA1-SA4. В исходном состоянии установлен виданные передаются отв (рис. Микроконтроллер постоянно анализирует данные, принимаемые от RS232, и при обнаружении логического устанавливает DE в «1», переключая RS485 на трансляцию данных от RS232. В результате на выходе (в линии) RS485 устанавливается состояние логического «0». Такое состояние сохраняется до появления на входе RS232 логической «1». В этот момент запускается отсчет времени t 3 , в течение которого сигнал DE еще удерживается в «1», что приводит куста- новке на выходе RS485 состояния логической «1». После окончания времени t 3 драйвер RS485 переключается на приема состояние логической «1» продолжает удерживаться на линии RS485 смещающими резисторами R1 и R2 (см. рис. Приемопередатчик при этом возвращается к исходному состоянию. Время t 3 выбрано, исходя из наименее возможного времени передачи одного бита, что при скорости 115200 Бод составляет около 8 мкс. Таким образом, в автоматическом режиме преобразователь передает сигнал отв без привязки к скорости обмена Автоматический режим позволяет передавать данные рис. управление сигналом DE при обмене данными между USB и Скорость Бод SA1 SA2 SA3 SA4 Скорость Бод SA1 SA2 SA3 SA4 Автомат Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. 2400 Выкл. Выкл. Выкл. Вкл. 115200 Вкл. Выкл. Выкл. Выкл. 1800 Вкл. Выкл. Выкл. Вкл. 57600 Выкл. Вкл. Выкл. Выкл. 1200 Выкл. Вкл. Выкл. Вкл. 38400 Вкл. Вкл. Выкл. Выкл. 600 Вкл. Вкл. Выкл. Вкл. 19200 Выкл. Выкл. Вкл. Выкл. 300 Выкл. Выкл. Вкл. Вкл. 9600 Вкл. Выкл. Вкл. Выкл. 150 Вкл. Выкл. Вкл. Вкл. таблица 1. установка переключателей при обмене данными между RS232 ирис. управление направлением передачи при работе с фиксированными скоростями ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 6/2008 между RS232 и RS485 на любых скоростях. Однако он обладает меньшей помехозащищенностью, чем стандартный режим, так как при передаче логических «1» отв драйвер RS485 работает на выход только в течение времени, а в остальное время линия удерживается в «1» смещающими резисторами, что в условиях помех может привести к передаче ложного «0». Автоматический режим рекомендуется использовать при неизвестной или изменяемой скорости передачи данных. Временные характеристики работы преобразователя приведены в табл.2. Применение элементной базы с расширенным температурным диапазоном, а также специальных программных и аппаратных решений позволяют широко использовать универсальный адаптер RS485/RS232/USB модели EL204 [8] не только в сварочном оборудовании, но и других промышленных приложениях. литература 1. Гладков Э. А, Перковский Р. А, Невзоров В. А, Пономарев Д. В. Комплект цифровых модулей для контроля и управления параметрами сварочных установок Тяжелое машиностроение, 2004, №6. 2. Перковский Р.А. Применение интерфейса RS485 в системах управления сварочным оборудованием. – Электронные компоненты, 2007, №5. 3. Maxim's Application Note 1137. Using the MAX3157 High-CMR RS-485 Transceivers. 4. Maxim's Application Note 367. Explanation of Maxim RS-485 Features. 5. Maxim's Application Note 723. Selecting and Using RS-232, RS-422, and RS-485 Serial Data Standards. 6. Maxim's Application Note 763. Guidelines for Proper Wiring of an RS-485 (TIA/EIA-485-A) Network. 7. Maxim's Application Note 1090. Methods for Trimming the Power Required in RS-485 Systems. 8. рис. использование сигнала TXD для управления направлением передачи Параметр Мин. Макс. t 0 , время передачи одного бита, мкс- t 2 , время удержания сигнала DE в стандартном режиме после окончания стоп- бита, мкс t 0 · 0,5 t 0 · 0,5 + 1,5 t 3 , время удержания сигнала DE в режиме автомат, мкс таблица 2. временные характеристики работы преобразователя. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес название рубрики ЭЛЕКТРОНИКА Наука, Технология, Бизнес 6/2008 |