RS-485 Conexión de 100 dispositivos: evite el bucle GND

Soy nuevo en la comunidad y es mi primera pregunta, así que perdónenme por los errores que podría cometer al agregar imágenes y descripciones.

Planeo usar 100 dispositivos y conectarlos a través de RS-485 de manera semidúplex, como se puede ver en la imagen a continuación. Cada nodo necesitará un máximo de 150 mA y planeo usar una fuente de alimentación de 12 V 20 A conectada a una red principal de 220 V CA. Se agregarán resistencias de terminación a los extremos.

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Busqué problemas que podrían terminar con la comunicación RS-485 y vi que los bucles de tierra podrían ser problemáticos. En ese sentido, se ofrece la implementación de suelo específico para la comunicación y aislamiento como se puede apreciar en la siguiente imagen;

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Sin embargo, todos los ejemplos que pude encontrar relacionados con problemas de bucle de tierra en RS-485 mencionan las diferencias de tierra según las diferentes fuentes de alimentación conectadas a la red eléctrica del edificio que están muy lejos y pueden tener diferentes potenciales, aunque la referencia de la fuente de alimentación es la tierra. La conexión a tierra puede crear bucles de tierra e interferir con las señales de comunicación. Se podría crear una gran corriente en el bucle de tierra y podría dañar el circuito. Si las tierras no están conectadas, los potenciales de tierra podrían ser muy diferentes y el transceptor no podría manejar la brecha de potencial de tierra.

En mi caso, usaré un solo suministro y conectaré todos los dispositivos en cadena. Y en el peor de los casos, se utilizará un total de 15A y me temo que esto también podría crear diferencias de tierra entre los dispositivos. ¿Esto creará un bucle de tierra como en el caso de una fuente de alimentación diferente? No tengo experiencia en líneas de transmisión, pero en mis diseños de PCB trato de separar las conexiones a tierra digitales y analógicas y también separar las conexiones a tierra de alta corriente y conectarlas en un punto para evitar bucles de conexión a tierra. Por cierto, la distancia total (dispositivo 1 a 100) no será más de 200 metros y la tasa de baudios es baja (9600). Sé que el aislamiento es la mejor manera, pero desde la perspectiva de los costos, esta configuración es la que prefiero si no hay problemas.

También me gustaría preguntar acerca de las resistencias pull up y pull down a prueba de fallas conectadas a las líneas A y B. ¿Tenerlos solo en el dispositivo maestro es suficiente o debería tenerlos en todos los dispositivos?

Gracias por las respuestas,

Mert

Una muy cálida bienvenida al sitio y gracias por poner mucho esfuerzo en una pregunta tan bien escrita, votada positivamente. A prueba de fallas, las resistencias serían para poner el sistema en un estado seguro. Entonces, dónde los necesita depende de dónde cree que se pueden romper las conexiones. Eso es algo para que lo pienses. Por cierto, edite la nueva información en su pregunta en lugar de agregarla en los comentarios, y no debajo de un banner de 'Editar'; en su lugar, reescriba el texto según sea necesario. De nuevo, bienvenido.
Gracias por el cálido mensaje de bienvenida y su respuesta. Entonces, creo que si no habrá una conexión en caliente o si se supone que no hay desconexión, tener un solo nodo sería suficiente para no tener un estado indefinido cuando todos los nodos están inactivos.
una forma de evitar los bucles de tierra es acoplar magnéticamente la señal dentro y fuera de cada dispositivo. Los transformadores baratos para eso están disponibles, porque cada tarjeta ethernet tiene uno. Eso, sin embargo, podría indicar el hecho de que, con el tamaño de su sistema, Ethernet podría volverse más fácil de manejar (y económicamente comparable) que RS485.
Pregunta general: parece que tiene la intención de usar suministros aislados para cada suministro local (supongo que eso es lo que quiere decir con "aislador de suministro"); ¿es eso realmente necesario? (también: si hace eso, puede usar un voltaje más alto y una corriente más baja en sus líneas de suministro, lo que reduce las pérdidas del cable). Eso suena bastante costoso y, a menos que esté esperando un cambio de tierra significativo, la idea detrás de RS- 422/-485 fue que la señalización diferencial era robusta contra pequeños cambios de tierra.
El diseño propuesto en la segunda imagen es una sugerencia del artículo de Texas Instruments. Tampoco creo que sea necesario y también en ese ejemplo hay diferentes fuentes de alimentación para cada nodo conectado a la red eléctrica. En mi caso, existe una fuente de alimentación con 12V y no puedo estar seguro de si termino con un problema de comunicación. También podría aumentar el voltaje a 24 V para reducir la corriente a la mitad, como usted señaló, pero tengo que bajar de 24 V a 5 V dentro de cada nodo, eso causará calor, pero creo que no será un problema con los reguladores de modo de conmutación como lm2596
Creo que tener el mismo cable de tierra para 15A de corrientes de retorno de la fuente de alimentación y mantener el voltaje entre los nodos relativamente igual es problemático. La tierra común de datos no debe tener flujo de corriente, por lo que puede mantener cada nodo en un potencial de tierra común. Y los cables de suministro y retorno de 15 A deben aislarse de la conexión a tierra común. Es posible que desee tener un suministro común y un transceptor aislado, o un transceptor común y suministros locales aislados. Permitiría usar un voltaje más alto y una corriente más baja si usa reguladores reductores aislados.

Respuestas (2)

Para superar esos problemas, debe comenzar a pensar en usar un transceptor aislado. Además, necesitaría algunos repetidores RS485, porque un pequeño transceptor 485 no puede controlar 100 dispositivos a la vez.

Por cierto, no conecta el PE directamente en el transceptor, es solo por el potencial de protección ESD. Si está integrado en IC, entonces sí, lo conecta a GND del secundario... hay varias posibilidades, mejor si se implementa como lo declara el fabricante.

Ejemplo 1 Puede ver que GND3 está flotando, conectado al potencial de tierra a través de un acoplamiento capacitivo de 4.7n y por medio de una alta resistencia de 1M.

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Ejemplo 2 Mismo fabricante, ahora el potencial de tierra está conectado directamente a IC. Nota: En ambos circuitos solo A y B están conectados al otro nodo.

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En la hoja de datos MAX3078, se dice que el transceptor tiene 1/8 unidades de carga, por lo que teóricamente se permiten 32 * 8 = 256 nodos, pero podría estar equivocado. Sobre el aislamiento, sí, tiene razón, los transceptores aislados o la implementación del circuito de aislamiento es la mejor manera, pero este proyecto se utilizará como sistema Pick By Light en el almacén y habrá alrededor de 1000 nodos, un grupo de 10 constará de 100 nodos. También podría reducir los grupos a 50. Minimizar el costo es el objetivo final y si alguien que hizo la misma configuración dice que no habrá problemas con respecto a la comunicación, quiero usar la solución MAX3078 barata.
@mertkon Depende de usted decidir. Si se rompen 1000 nodos, será una solución muy costosa.
Sí, tienes razón. Si existe alguna posibilidad de que surja un problema y el sistema no funcione, será mucho más costoso. Como dice el dicho "No soy lo suficientemente rico para comprar cosas baratas"
@mertkon Eché un vistazo a la hoja de datos para MAX3078 y es mejor que use un transceptor limitado de velocidad de giro si tiene la intención de usar velocidades más bajas que varios Mhz, funcionaría mejor. Lamentablemente todas las aplicaciones. las notas de MAXIM que usan esos circuitos integrados muestran un tipo aislado.
@mertkon Incluso podría usar un estándar industrial de 24 V CC para el suministro, luego un convertidor aislado de 24/5 V y luego puede conectar MCU y 485 IC directamente. Entonces todo el tablero tendrá un potencial flotante.

El aislamiento galvánico no es necesario cuando todos los nodos de la red funcionan con la misma fuente de alimentación.

Muchas personas conectan al menos 5 cables a cada nodo, incluidos 2 "cables GND" independientes separados para cada nodo: el cable "Power GND" (generalmente emparejado con el cable "+12 V power" o "+24 V power"), y una "señal GND" separada. Muchos buses de comunicación se denominan bus de 2 hilos, pero en realidad recomiendan 3 hilos (un par diferencial + una referencia a tierra), incluidos RS-485, CAN bus, Profibus, etc. 1 2 3 4 5 6 7 8

La tierra de la señal generalmente se conecta con una resistencia de 100 ohmios a la tierra de alimentación en cada nodo. ( Tierra común RS485: ¿voltaje común o cable común o ambos? ) 9 10

La disposición de resistencia de terminación y a prueba de fallas recomendada tiene 4 resistencias:

  • 2 resistencias de terminación, una en cada extremo del bus RS-485 lineal largo, directamente entre los cables A y B. Idealmente, la impedancia característica de cualquier cable que esté utilizando, que suele ser de alrededor de 120 ohmios o 150 ohmios. Y,
  • 2 resistencias a prueba de fallas (polarización), una tirando del cable "-" hacia abajo para "señalar GND", la otra tirando del cable "+" hasta la alimentación de datos. (La potencia de datos suele ser de +5 V, pero he visto +3,3 V en algunos sistemas). No importa dónde se encuentren las resistencias de polarización. Muchos sistemas los colocan solo en el nodo líder, porque ninguno de los nodos seguidores los necesita. Muchos otros sistemas los colocan solo en un extremo del bus lineal RS-485 (no importa en qué extremo), al lado de la resistencia de terminación para ese extremo. 11 12 13

Algunos sistemas (por simetría, por lo que ambos extremos de la red son iguales) usan 6 resistencias ("polarización dual a prueba de fallas"), 3 en cada extremo, lo que podría decirse que funciona un poco mejor que la terminación de 4 resistencias:

  • 2 resistencias de terminación (igual que arriba). Y,
  • 4 resistencias a prueba de fallas (polarización), dos en cada extremo del bus RS485 lineal. Dos de ellos, uno al lado de cada resistencia de terminación, tirando del cable "-" hacia abajo para "señalar GND". Los otros dos, uno junto a cada resistencia de terminación, tiran del cable "+" hasta la alimentación de datos. Cada una de estas 4 resistencias tiene el doble de la resistencia de cada una de las dos resistencias de polarización de los sistemas de 2 resistencias de polarización. Estas 4 resistencias suelen tener alrededor de 1 KOhm cada una. 14 15

Es posible que algunos transceptores no necesiten resistencias de polarización externas, ya sea porque el umbral de su receptor excluye 0 V o porque ya incluyen resistencias de polarización internas a prueba de fallas. 16 17

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