Выбор кабеля и проводка для связи RS485

Я разрабатываю систему датчиков, в которой каждый датчик обменивается данными через RS485 MODBUS в среде с высокой плотностью. Каждая линия состоит из 18 датчиков, которые затем идут к шлюзу (Elfin EE11), который преобразует RS485 в Ethernet, который затем идет на сервер. Каждая линия имеет максимальное расстояние 30 м от последнего датчика до шлюза. Каждое ведомое устройство использует модуль RS485-TTL для связи с MCU. Каждое ведомое устройство работает при напряжении 5В и потребляет до 1А.

Выбор кабеля

Я намерен использовать один и тот же кабель для подачи питания на каждый датчик. Этот кабель также будет проложен параллельно некоторым силовым кабелям с напряжением 240 В переменного тока, 30 А. В настоящее время я выбираю кабели CAT5e, которые будут передавать 48 В, как в системе PoE. Из-за того, что силовые кабели проложены параллельно, следует ли использовать кабели STP вместо UTP? Если бы я использовал STP, как правильно заземлить кабель?

Кабельная разводка

Стандартный кабель CAT5e имеет 4 витые пары. Планирую использовать 2 витые пары для питания. Еще одна витая пара на RS485 A и B соответственно и другая в качестве запаски. Что-то не так с этой проводкой? Нужно ли устанавливать согласующий резистор на каждое сенсорное устройство?

введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь

Любая помощь будет высоко ценится. Заранее спасибо.

Просто на заметку: вы все время говорите, что это похоже на PoE, но на самом деле это не так уж похоже: в PoE нет выделенной линии питания, а питание и данные накладываются на одни и те же пары.
Похоже, вы должны прочитать спецификацию MODBUS. Вы это читали? Скорее всего, в нем есть вся информация о кабелях, AWG, экранировании и концевых соединениях, которую вы спрашиваете. В противном случае ответы будут цитировать вам соответствующие части спецификаций.

Ответы (3)

Вопрос 1) Выбор кабеля; UTP против STP; Заземление:

Стандарт Modbus требует экранированного кабеля, поэтому вы должны использовать STP.

Стандарт Modbus также требует, чтобы экран был подключен к защитному заземлению только на одном конце, чтобы ток не мог протекать между устройствами через экран кабеля. При наличии разъема экран кабеля должен быть соединен с корпусом разъема, чтобы он заземлялся через разъем.

Стандарт Modbus говорит, что провода для передачи данных должны быть 24 AWG или толще, но не тоньше.

Стандарт Modbus говорит, что кабели CAT5 рассчитаны только на длину до 600 метров, поэтому они не так хороши, как кабели, которые на самом деле рассчитаны на Modbus или RS-485, а дифференциальный импеданс кабелей CAT5 100 Ом может быть не так хорош, как у кабелей с более высокой импеданс.

Так что просто в качестве предупреждения, CAT5 может быть не лучшим выбором, поэтому имейте это в виду, когда вы решите использовать CAT5 вместо кабеля, предназначенного для RS-485 или Modbus. Так что, если не работает, меняйте кабель.

Вопрос 2) Кабельная разводка; Прекращение:

Да, в том, что вы предлагаете, есть определенная проблема. RS-485 или Modbus не просто работают с двумя проводами данных. Между устройствами также должна быть общая земля для сигналов данных. Стандарт Modbus требует наличия третьего провода для соединения общей земли для передачи данных между устройствами. Общая земля для шины данных предназначена для поддержания потенциала напряжения приемопередатчиков на одном и том же общем потенциале земли, поэтому по ней не должны протекать токи источника питания. Тем более, что вы собираетесь использовать импульсные источники питания, вам нужен отдельный провод питания и обратный провод питания, и чтобы они были разделены, это в основном означает изолированные источники питания или изолированные интерфейсы RS-485 на датчиках, чтобы ни один датчик не соединяет общую землю для данных с общей землей для питания.

Завершение определенно не относится к каждому сенсорному устройству. Стандарт Modbus предписывает, чтобы шины были оконечными, что в шине должно быть только два терминатора на обоих концах шины.

«RS-485 или Modbus не просто работают с двумя проводами данных». Да, но вам нужен изолированный преобразователь с плавающим питанием к трансиверам. Обычно для определения потенциала GND используются резисторы высокого сопротивления от линий AB. Без гальванической развязки вам нужен 3-й провод - GND. Но эти устройства не используются в промышленности, они не подходят для многоабонентской связи, а скорее для двухточечной связи на коротком расстоянии.
Да, это может работать, и я не сомневаюсь, что это сработало для вас, но гарантированно ли это будет работать для всех во всех случаях с двумя контактными источниками питания, которые выдают синфазное напряжение относительно земли? Он также может работать, если он заземлен на всех устройствах, чтобы они получали общее задание через заземление сети. Кроме того, этого требует стандарт Modbus.
Пока вы используете изолированный тип, он работает, как описано. Modbus — это уровень протокола, а RS485 — физический уровень, поэтому проводка не является частью стандарта Modbus, IMO. Но можно ссылку на документ, где об этом сказано, но я сомневаюсь, что он должен отличаться от любого другого RS485.
@MarkoBuršič Я процитировал свободно доступный стандарт Modbus с сайта modbus.org, как соединить узлы RS485-Modbus вместе. Глава «3.6 Кабели».

Плохая идея - запускать связь параллельно с сетью. Вы не хотите делать трансформатор .... экран или не экран. Его также называют электростатическим экраном, а не электромагнитным. Как заземлить кабель - у вас действительно есть только одна точка заземления, так как питание идет по кабелю.

Убедитесь, что у вас есть защита для кабеля питания 48 В - вы не хотите, чтобы неисправность вызвала пожар.

Вам нужно заделывать только концы кабеля, а не каждый датчик. В зависимости от скорости передачи данных, драйверов, кабеля и т. д. оконечная нагрузка может не понадобиться. Тем не менее, разумно предвидеть потребность.

Помимо A и B, вам нужно 0V. Не используйте для этого щит. Вам также необходимо учитывать падение напряжения при питании 48 В — рекомендуется использовать изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный на каждом датчике.

Связь 48 В и RS485 - неудачный брак - большинство трансиверов 485 не оценят 48 вольт, подаваемых на шину. LTC1785 потерпит это. Могут быть и другие чипы, но средний 75176 или MAX485 сдохнет. Как Ethernet это терпит? Они используют трансформаторы и интеллектуальную защиту на конце блока питания.

К сожалению, с текущей настройкой у меня нет другого выбора, кроме как включить их параллельно с сетью. Лучшее, что я могу сделать, это расположить их как можно дальше, примерно в 2 дюймах друг от друга. Когда вы говорите заземлить кабель, вы имеете в виду правильное заземление? Какую защиту вы бы порекомендовали для линии 48 В? Могу ли я использовать 0 В линии Источник питания 48 В в качестве эталона 48 В предназначен только для передачи энергии, он будет понижен до 5 В с помощью понижающего преобразователя для каждого ведомого устройства.
Рассчитайте падение напряжения на кабеле. 0В в источнике не будет 0В в конце. Падение напряжения на A и B будет очень небольшим, поэтому у вас может возникнуть проблема с синфазным напряжением. Вот почему я предложил изолированные DC/DC преобразователи. Дьявол кроется в деталях. Также подумайте о защите от молнии.
Извините, я немного запутался. Как могут помочь и работать изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный? Кроме того, эта система полностью закрыта, нужна ли мне защита от молнии?
Вам нужно нарисовать себе схему. Замените провода 0 В и 48 эквивалентным сопротивлением кабеля (~ 10 Ом/100 м), приведенным к фактической длине провода, и используйте закон Ома для расчета падения напряжения. При использовании изолированных преобразователей 0В высокого тока для питания изолированы от 0В для RS485. Большая часть ущерба от непрямого удара молнии связана с индукцией. У вас есть много проводов, чтобы это произошло. Как часто в вашем районе бывают молнии?
На самом деле довольно сложно измерить падение напряжения на проводе, так как ток будет меняться и разделяться на несколько ветвей. Я добавил схему моей предполагаемой проводки. Если бы я добавил дополнительный кабель заземления, мне нужно было бы просто удлинить провод GND от источника питания 5 В? Я ищу изолированные преобразователи, но они кажутся слишком дорогими для моего бюджета. Молнии в моем районе не очень часты, и вся установка находится полностью в помещении.
Вы знаете длину проводов, знаете максимальное потребление тока каждым узлом, так что можете заменить резистор. В итоге вы получите лестницу резисторов, которую вы можете решить для напряжения на каждом резисторе. Все сводится к закону Ома. Вставьте значения в симулятор, если вы хотите избежать математики. Как только вы узнаете падение напряжения, вы сможете принять взвешенное решение. Пропустите это, и вы рискуете иметь что-то, что не работает или ненадежно. Вы, вероятно, можете сказать, что я делал это раньше.
Возможно, один из опытных участников этого сайта может создать симуляцию, поскольку это реальное приложение теории цепей.
Хорошо, я сделал математику и провел несколько простых симуляций, чтобы рассчитать падение напряжения. Если бы каждое ведомое устройство потребляло 5 Вт, что является экстремальным условием, падение напряжения на последнем ведомом устройстве составило бы 1,6 В на земле. Если бы каждое ведомое устройство потребляло 1 Вт, что более реалистично, падение напряжения на последнем ведомом устройстве составило бы 0,4 В. на земле. Это нормально?

Вы можете использовать выделенный кабель TP, например: UNITRONIC Li2YCY (TP) Вы не можете использовать топологию «звезда», а «сшиваете» устройства вместе одним кабелем.

введите описание изображения здесь

следует ли использовать кабели STP вместо UTP?

Кабель TP имеет довольно толстый экран, поэтому не следует использовать UTP.

как правильно заземлить кабель?

Экран должен быть заземлен только в одной точке. Так как вы разрезаете кабель на секции, вы можете заземлить, например, только один кабель: исходящий, поэтому входящий заземляется на предыдущем устройстве или ведущем.

Нужно ли устанавливать согласующий резистор на каждое сенсорное устройство?

Только на обоих концах линии передачи, как показано на рисунке.

Спасибо, так что, если я просто заземлю свой провод на шлюзе (главном), это должно сработать, верно? И когда вы говорите «земля», вы имеете в виду землю, землю, верно?
Вся линия будет ок. Длина 1 км, поэтому предпочтительнее промежуточное заземление. Да, я имею в виду потенциал земли.
Моя линия не будет длиннее 30 м. Поэтому я думаю, что заземления у источника должно быть достаточно. Есть ли специальные разъемы для этого?
@Max Дело не в линиях, датчиках, расстояниях. Можешь нарисовать картинку? Никаких специальных разъемов не требуется. Вы наматываете экран на проводник, а затем прикручиваете PE. Подсказка: youtube.com/watch?v=agJJkhXStHY
Я добавил диаграмму, чтобы, надеюсь, прояснить ситуацию. Хорошо, спасибо, это относится к кабелям STP и FTP?
@Max Я говорил об экранированном кабеле витой пары RS485 по ссылке, а не о STP и FTP. Кроме того, я думал, что вы используете гальванически развязанные (профессиональные) приемопередатчики. Эти дешёвые варианты нестандартны, так что придётся искать самому. По крайней мере, вам нужен дополнительный провод GND для трансиверов, а не только A и B.
Я вижу, что из-за нехватки времени и бюджета получить такие выделенные провода невозможно. Значит, я могу просто использовать дополнительную витую пару в качестве провода GND?
@Max Я не думаю, что это будет иметь какое-либо значение, так как это будет то же самое, что и провод питания GND, но вы также должны соединить его с преобразователем. Что касается бюджета, то было бы лучше использовать 24 В постоянного тока или 12 В постоянного тока и LDO, а не 48 В с понижающим напряжением, ... меньше шума, дешевле.