探究防雷水控系统RS485通信线路防雷改造

摘要：RS485总线由于其实施施工方便、部署灵活而广泛应用在高校后勤的水控管理系统中。从而实现对各终端水POS进行联机管理和控制。然而，随着水POS的大量应用，数据通信可靠性、系统的防雷安全性成为整个学位论文参考文献格式www.618jyw.com
应用的关键。本文提出了提高系统通信可靠性、防雷安全性的若干措施。这些措施具有针对性，在实际应用中效果良好。
关键词：RS485总线；控水POS机；防雷
1674-9324（2012）12-0176-02
随着计算机技术和电气控制技术的发展，RS-485通信被广泛应用于安防监控、电力控制、远程计量、水控电控、远程遥控等系统中，实现了远程数据采集和设备控制，目前在各大院校逐步推广使用的水控管理系统就是一个典型应用。水控管理系统主要用于控制公共浴室、公寓洗澡间和开水房的用水管理，系统硬件由管理服务器、一级管理机、二级管理机、智能级联器、控水POS机组成。管理服务器与一级管理机之间采用RS232串行通讯，一级二级管理机、智能级联器、控水POS机之间均采用RS485通讯。使用管理服务器上的软件可以很方便地对各终端控水POS机的运行状况进行监控和管理，系统配置一级管理机一台，二级管理机可配60台，每台二级管理机所带控水POS机最多为100台（二级管理机连接智能级联器，智能级联器连接控水POS机）。系统理论上最多带6000台控水POS机。

一、问题提出

由于水控管理系统的控水POS机分布面广，并不局限在一幢宿舍楼内，485通信线路必须在各楼宇间铺设，这就造成了雷击隐患，特别是在南方多雨地区，极易造成通信设备的硬件损坏，造成系统大面积故障的发生。雷击现象产生的根源是：雷雨天气，天空云层间由于风力作用产生摩擦，形成电荷积累产生高压，瞬间放电时造成高频辐射及感应电压，造成电子设备击穿损坏。在系统设计阶段，可以从以下几个方面来优化设计，考虑以下防雷措施。
1.电源供电：控水POS机电源可采用级联器供电方式，级联器采用线性电源供电，应用带硅钢片的绕组变压器，能有效利用硅钢片的磁饱和特征来隔离雷击时高压。一级管理机、二级管理机均应采用线性电源供电。
2.接地：控水POS机终端、级联器避免重复接地。屏蔽线材的地线，应分区单独接地，不能形成多点同地现象，防止接地线路中产生非工作电流。
3.分流：在设计RS485通信模块时，可以考虑使用气体放电管、高速稳压管来保护485通信线路，这些元件在雷击时会对高压进行分流泄放，对控制线间电压有一定的保护作用。
4.隔离：在设计RS485通信输入输出时，采用隔离电源并使用光耦元件对信号进行隔离通信，也是防止雷击损坏故障的有效措施。以上几点防雷措施，在早期的RS485应用系统的设计中，许多方面未得到重视，造成系统运行时防雷性能薄弱，系统雷击故障难以有效避免。

二、改造方案

针对雷击现象，如果在系统设计时未考虑到防雷设计，未采用线性电源供电、分流和隔离方法进行预防，那么在户外通信线路选择和施工上，就必须采取有效措施来补救，可以采用以下几种方法实施。
1.直连屏蔽：使用485通信电缆直连布线，采用线路屏蔽接地的方法，如采用具有屏蔽层的双绞线电缆，屏蔽层在楼宇外做专门的接地方案；或者采用双绞线穿铁管，铁管进行屏蔽接地，但铁管施工成本高昂。该方案需要多个专用接地，施工和维护成本相应增加。同时，由于户外485线路较长，选择的线径不宜太细，以免通信线路电阻对信号系统造成不必要的影响，一般应选择线径在0.75MM以上的双胶线。
2.电—电隔离器：布线采用不带屏蔽层的双胶线，在楼宇通信线路边界处，使用电—电通信隔离器，将户外线路与楼内通信线路完全隔离。该方案需成对增加隔离器，能有效降低雷击通信设备现象的发生概率，极端情况下，也仅仅损坏成本较低的隔离器，该方案优点是成本低，部署方便，对既有的通信线路没有大的变动。
3.光—电隔离：使用光纤布线，增加一对485光电协议转换器（光端机），楼宇内使用485通信，户外采用光纤通信，由于光纤本身是绝缘材料，能彻底避免户外线路造成雷击故障的发生。随着光纤的走低，光纤应用已成为目前应用系统户外布线首选方案。

三、典型案例

我院在2003年实施校园一卡通工程，水控系统共有控水POS机2310只，分为宿舍东区和西区，楼宇间采用485信号线直连方式户外通信，未有屏蔽和接地保护。由于宿舍东区西区距离较远，485通信线路较长，线路反射较大，使用一台服务器和管理机时不能有效管理到所有的控水POS机，所以建设初期，在东区和西区各架设一台服务器和管理机。在历年的夏季高温雷雨季节时，经常有雷击损坏一级管理机、二级管理机、级联器等大面积故障发生。针对该现象，学院组织了485通信线路技术改造，考虑到同步应用的电控系统、宿舍区校园网络、监控应用的需求，应用第三种方案即光—电隔离方案，对原有的水控系统、电控系统的485通信网络进行了改造。改造方案采用户外8芯光纤到楼宇，光纤汇集到管理机房，8芯光纤中水控系统485通信占用一芯，电控系统485通信占用一芯，互联网通信占用两芯，安防监控系统通信占用一芯，备用3芯。水控系统经户外线路改造后，取得了良好效果，主要表现在以下几个方面。
1.通信质量大为改善。原来宿舍区分为东西两片，一台管理机不能有效管理两片宿舍区，采用两台管理机分别进行管理；改造完成后，由于减小了通信线路反射，通信质量有所提高，目前一台服务器和一级管理机可以管理到所有控水POS机。节约了一台管理服务器和一台一级管理机及相应的运维，优化了系统结构，提高了管理效率。
2.通信设备安全性大大提高，改造后的近两年来，未发生过雷击损坏故障，保障了系统设备的安全。水控系统可以不间断长期运行，也提高了服务质量。
3.改造中使用的8芯光纤，分别融合了互联网、电控、安防监控等应用，为各子系统的应用提供了一个较好的通信线路条件，并提供了通信线路布线冗余。

四、发展方向

众所周知，RS485通信网络的优势是经济、部署灵活、使用方便，而缺点就是不适合做长距离通信，在长距离通信时，易造成负载能力下降、防雷性能差、线路反射增大等。如何用好RS485，更好地为系统应用服务，是未来总线发展首要问题。随着物联网的发展，相关标准也已经逐步完善，原来基于485的传输的系统设计也必将规范为现场总线传输。IEC61158标准定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。RS232、RS485只能代表通信的物理介质层和链路层，如果实现数据的双向访问，就必须自己编写通信应用和程序。而现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持。
五、结语
在校园信息化管理系统中，水控电控由于使用传统RS485通信线路进行户外布线，极易造成雷击损坏故障的发生，采用户外线路防雷改造方案，能使早期的RS485应用系统继续保持原有的应用和功能。本文提供的三种户外RS485线路改造方法，具有较强的针对性，特别是光纤方案，有着明显的优点。如何让在用的RS485管理信息系统防止雷击故障，本文提供了改造方案和典型案例，并指明了未来发展方向。
参考文献：
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