RS485を使ってシステム接続したがとてもノイズに弱い、すぐ止まる
現場が語る その原因は、こんなミス あんなミス だった。。。特集!
と言う事で、
意外と現場で見落とされているミスと基礎を
システム接続と言う観点からちょっとまとめてみた。
これらの症状として、
ノイズにとても弱い
なぜか通信が停止する
結果として とても 重 症 なので見逃せない。
元来RS485やRS422は古くから世界中で採用されている長距離伝送方法なのだ。
昨今では光通信やインターネットと思われるだろうが、そのコストパフォーマンスは
まだRS485やRS422が勝っていると言えるだろう。
RS485やRS422は単純で原始的な為に
使用方法を間違えると思うようにパフォーマンスが出ないのも
事実である。なので以下のようなミスがあれば直ちに修正してしまおう。
そうすることで元来のノイズに堅牢なRS485やRS422性能が引き出せる。
では、
色々な現場でのミス例です。
ミス
ツイストペアケーブルを使用していない
バラ線
特にコネクタがDsub9ピンの場合、RS232C用のケーブルを使用している場合
もちろん内部がツイストペアで
ピンアサインも合致していればOKですが、
RS232Cは基本的にありえないのでボツです。
3本がまとまってネジってある、
いわゆる普通のケーブルを使用している場合
これもボツです。
ミス
複線のねじれをツイストと考えた
芯線が複数のモノ(単線でない)の場合、
その芯線同士が普通ねじれている
電話ではツイストケーブルを使用してますか? - - - - はい
見るまで判らない。。
はい、これもボツです。
★これが正しいツイストペア★
(CAT5ケーブの被服を剥いての拡大写真ですのでかなり大きく見えますが、
線径にしておよそ 0.3□ 程度です。内部が単線の方が特性もよろしいようです)
私は、このペアを、青の方を+へ、白青の方を−へ 接続するくせがあります。
ですので、これを使っていればOKです。
ミス
ケーブル自体はまともな上記写真のツイストペアですが・・・
2本のツイストペアを一まとめにして+へ
別の2本のツイストペアを一まとめにして−へ接続している
電話ではツイストケーブルを使用してますか? - - - - 「はい」
「はい」とお客さまに言われてしまったら、、、
写真を写してもらうか、実際見るまで私には本当に判らない。。
それでは、この例を見てください。
「ツイストペア接続 : これは使い方が間違いです↓」
なのでボツです。
実際、こうなっていました。。。ボツ
「ツイストペア接続 : これは正しいです↓」
ペアを使うと言うことなんで、やはりこうでしょ。
「ツイストペア接続 : これはとても正しいです↓」
(空き線をまとめてSGへ接続しています)
Good!!
ミス
スター接続になっている(1mなど短距離であればそれほど支障になりません)
一箇所から(例えば端子盤)複数のRS422やRS485端末へ何百mも分岐配線している
教科書的にボツですねぇ。(実際には、何年も問題なく動作している例もありました)
やはり基本は一筆書き(カスケード接続)
下記は、正しい接続例です
ミス
端末が3ヶ所以上の場合、終端抵抗が全ての端末でON(接続)になっている
オシロでみると非常に低い電圧になっている(通常5〜1V)
もちろん、複数の端末で終端がONになってもダメです。
大事なことなので繰り返しますが、物理的に一番遠い、
両端の2台がそれぞれONが正解です。
ミス
終端抵抗が全てOFF(未接続)あるいは1ヶ所だけとかになっている。
オシロでみると非常に高い電圧(10V以上)になっておりノイズにとても弱くなっている
ミスと言えるかどうか・・・・
ツイストペアケーブルのシールドタイプ(理想)なのだが、
そのシールドをパワー系のFGに接続している
ノイズをしっかりもらっている可能性あるので、
一旦、FGからSGを外して様子をみてみてください。
(実際には教科書のような理想のアースはみあたりませんので注意が必要です)
ミス
光絶縁型の変換器なのに、485や422側のシールドを変換器のFGに接続している。
この場合、光絶縁の意味がなくなり返ってノイズをもらうことになる
SGとFGがここで接続されるので非絶縁と同じになるので意味がなくなる。
また、 ± だけの相手機器接続で、SGを接続していない場合はもっとまずいだろう
ミス
SG(シグナルGND)を接続する目的は、
機器間のGNDループのインピーダンスを下げる為だが
いわゆるアースは金属筐体に人が触れた場合の保安が目的で
感電しないように大地に接続している
しかし実際には工事担当さんがSGとFGを「全て」接続していることがある
特に強電系の(パワー系)のFGだとノイズに弱い場合がおこる。
やはりSGとFGの意味を分けて考えないと・・・
ミスではないが、、
SGが接続されていない
相手機器にGNDが無い場合があるので接続できない
なければ接続しょうが無い
しかしノイズや耐性的には不利なのも事実
相手にSGが無い場合の対策は、、、
つなぎたくてもつなげない・・・では、
485機器のSGをシールドラインを用いて相手機器まで近づけます。
意味としては下図に示す TIのドキュメント で説明している、
仮想的な GroundLoop を短くします。
それでも通信エラー頻度が下がらない場合は、
もしかすると相手機器のFGへ落とすことで、
通信エラーが減少する可能性もあります。
あるいは数KΩの抵抗を用いてFGへ落とす、
あるいは数pFのコンデンサを用いてFGへ落とす、
など色々と試行錯誤が必要かもしれません。
:::::補足説明:::::
信号GNDを相手機器の信号GNDとつなぐかつながないか?
についての補足説明をしておきます。
インターネット記事には、あちこち誤った記事が多いので、心配になりました(^^;;
ネットに流れている間違った記事について
【 絶縁式RS485は ± の2線だけで良い 】これは大きな間違いです。
【 低速ならば ± の2線だけで良い 】これは大きな間違いです。
絶縁式だろうが非絶縁だろが、高速だろうが低速だろうが、
基準電位となるSG同士の接続せずに良いはずがありません。
接続しなければRS485の原理的に、
下図で説明するGroundLoopが必ず生まれます。
2点間電位差がRS485デバイスの許容電圧範囲を超えると劣化や破損を引きおこします。
現象として通信エラー頻度が異なるので良いだろうと思われがちなのです。
プロの工事や365日可動システムでは可能な限り接続してください。
大地の電位はさまざまな影響により変動していますので、
忘れたころに通信エラー頻度が上昇します。
信号電圧基準であるシグナルGND:SGを
機器間で繋ぐことは回路設計者なら常識です。
なぜかと言うと、
RS485やRS422は電圧で判断する通信手段だからです。
+側も −側も GNDを基準にした電圧であり、
+と−のペアに同時に入るノイズ(コモンモードノイズ)は、
受信する側のアンプでキャンセル(除去)されます。
(この除去性能も色々あるのですが)
だからノイズに強いと言われる由縁です。
しかし、この電圧基準のGNDが直接接続されていなければ、
仮想的なGND(GNDループ)が自動的に形成されてしまい、
(あなたの足元の床や壁を伝います)
基準GND電位がゆるくなります。
要するにそのルートで帰還する電流が戻るわけです。
だれが想像しても判るとおり、
ちゃんとSG同士を直結する方が素直に電流も戻れます。
参考資料として、
TIのドキュメント抜粋図を以下に載せます。
上図を含む詳細資料(TexasInstruments)
http://www.ti.com/lit/an/slla272c/slla272c.pdf
話しを戻して、
±信号の受信側の耐圧(GNDを基準として(± 間電圧ではありません))は、
±7V〜12Vがふつうで、
最悪値データ(Absolute maximum)ですと±14Vが限界値となります。
(デバイスで多少変わります)
それを超えると破損する可能性が高くなる。
デバイスメーカは動作保証しないと示されています。
(デバイスデータシートを見る時の注意は、
回路図で原理や接続例があるのですが
GNDは省略して描いてある場合があります)
さて、
± の差動で送っているのに なぜ? と思われた方は、
別の手段(原理)である
「 デジタルの”1"と"0"を電流量で判断する
通信手段のカレントループ通信方式 」 と
混同もしくは混乱されているのではないかと思われます。
これは2線式で電流がループしているので、
この方式の場合は、GNDは不要です。
ご注意!
インターネットの 例えば、ヤフー知恵袋などに書いてある回答を見ますと、
間違った回答がたくさんありますので安易に信じないでください。
::::::補足説明:::::をここまでにします。
では、理想をまとめてRS485(2線式)を例に図にすると
つづけて、
同ブログの別記事で 通信エラー発生 の記事をお読みください。
http://blog.livedoor.jp/rs485/archives/1728526.html
これは、通信エラーは、これまで書いた
ハード的な内容だけでは問題は100%解決できない
と言う 通信の誤解 についての記事です。
最後に 推奨事項をまとめると(黒丸は必須)
● ツイストペア
±信号線はツイストペアケーブルにします。
非平衡用ケーブルなどを使用しますと、
信号の平衡度が低下するので
伝送距離が伸びるほど通信劣化となります。
● 終端抵抗
伝送システムの最両端の2ヶ所へ終端抵抗をそれぞれ接続します。
適切な終端抵抗で無い場合、
伝送電圧レベルの低下や、上昇をまねき通信劣化やIC故障となります。
KS-485PTIの入力電圧範囲は±間で最大12Vです。最低0.2Vです。
抵抗値は、100Ω 〜 120Ω の 1/4W を推奨します。
ケーブルの特性インピーダンスと合致させるのが理想です。
○ シグナルGND
接続された2つ以上の全機器は、
同じ電位にする為に各シグナルGNDと接続します。
接続されない場合、(他社機器にSGが無い場合もあります)
回路を流れる信号の基準と成る電圧が狂い、
通信劣化やIC故障となります。
その場合グランドループを経由して
とりあえず電位を保っていますが、ノイズに弱い欠点があります。
○ ケーブル
シールド付き平衡伝送用
ツイストペア 必須
AWG24 程度
【特性インピーダンス100Ω±20%程度】
を使用します。
電話用の600Ω オーディオ用 高周波用など
あまりにも異なるケーブルですと、
反射現象により信号波がくずれ通信劣化の原因となります。
近距離での一時的な実験などは大丈夫ですが
長時間使用する場合は思わぬ所で通信不良を招きます。
【 推奨ケーブル 】
イーサーネット用ケーブル いわゆる LANケーブルですね。
これは CAT5 とか CAT5E などがあり、
これらの特性インピーダンスは、100Ω です。
シールド付きを推奨します。
購入時は、コネクタ付き RJ45 が両端についている場合が多く、
システムサコムの製品には、RS422でもRS485でも
そのまま RJ45 を直結できる変換器もあります。
もし端子台なら、RJ45コネクタを切断して芯線を剥き出して使って下さい。
あるいは、各社電線メーカが発売されている、
KPEV-S_1.25 も推奨します。
2線式485なら 2P〜
4線式485や422なら 4P〜 です。
○ 接地
機器間シグナルGNDの接続は伝送信号の基準となるものであり基本的に必要です。
FG接地いわゆるアースと呼ばれるものは感電防止など保安上の目的で行います。
強電機器の接地はノイズに汚染されている可能性が高いので
弱電機器の接地と距離的に分離した方が良い場合があります。
○ シールド
シールド線のシールドは内部からのノイズを外へ出さぬようにする目的と、
外部からのノイズを受けない様にする目的があります。
基本的に安定した電位に接続することで目的は達成できます。
しかし、SGと未接続のFG(互いに浮いている)と接続された場合も
互いに干渉することになります。
全ての RS422、RS485 使いの方々へ
少しでも参考になれば幸いです。
<< こちらは、RS232C、RS485、RS422、
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By システムサコム工業
コメント
コメント一覧
終端抵抗や配線の工夫だけでは、耐ノイズ性に
限度があります。それはスレシホールドが確か50mVしかないからです。
格段に強くなる方法は、FailSafeバイアスの抵抗を付けることです。
一度試験してみて下さい。
コメントに気づくのが遅くなり大変失礼いたしました。
>格段に強くなる方法は、FailSafeバイアス抵抗を付けることです。
これはおっしゃる通りだと思います。
SACOM製品の99%は、
フェイルセーフ抵抗を + 、− 側それぞれに装備してあります。
これであるていど耐ノイズ的にも強くなっていると考えています。
もちろん無通信時の Hiz状態 対策もフェイルセーフが働きますね。
これからもお気づきの点などありましたら教えてください。
>絶縁式だろうが非絶縁だろが、高速だろうが低速だろうが、基準電位となるSG同士の接続せずに良いはずがありません。
これは、ちょっと誤解を招きそうな表現かと思いました。
絶縁式で両側のSGを接続する人が出てきそうです(絶縁にならない)