1. 问题描述及初步判断
生产现场近段时间以来工控机频繁烧毁485通信端口, 个别还造成光源控制器RS485端口损坏. 下图一台实际损坏工控机485端口的情形.
从图中可以看出, DB9软排线, 蓝色框住的最边一根线烧毁, 经查这是DB9_Pin5, 对应的是RS485三线制通信中的地线. 请注意其余RS485的AB线基本完好, 没有明显的烧毁痕迹. 本产品使用软排线较细, 实际线号28AWG, 所以承受电流能力很小,实际查询只有最大226毫安.
初步判断: 过大的地线电流是导致本次事故的罪魁祸首.
2. 背景知识: 什么是地环路电流 Ground Loop Current
地环路电流, 是在电子设备领域内, 特别是分布式接地的电子系统普遍存在, 轻微情况下, 它对设备间正常通信造成干扰, 严重的时候还有可能损坏电子设备. 更麻烦的是这种现象难以追踪和理论计算, 几乎全靠系统工程师实践操作去尽量改善, 达到不影响设备正常工作的期望. 为了形象说明ground loop current, 以下给出一个我们经常遇到的电脑音响系统来说明.
上图中, 台式电脑内部声卡, 输出信号+和信号地(绿色)连接到功率放大器, 功率放大器放大后推动扬声器speaker发出声音. 台式电脑通过LNE三线交流220V供电, 插在交流插线板A, 功率放大器通过LNE三线交流220V供电, 插在交流插线板B, 然后插线板AB又通过房间的交流电线连接在一起, 于是, 这里就完美形成了一个地环路, 如图中虚线所示, 路径包括信号地(绿色), PE地(蓝色), 房间电网地(棕色), PE地(红色). 这样一个地环路Ground Loop形成后, 造成了以下两类干扰.
- 由于台式电脑地, 功率放大器地, 房间电网地这三点不是理论上绝对的地电位(0电位), 于是这个环路中的地电位差, 导致地环路中有电流产生, 这个电压差虽然很小, 但因为环路电阻也很小, 比如毫欧级别, 根据欧姆定律, 这个环路电流其实不小的. 我们可以看出这个环路电流完整地通过上图的绿色线, 进入功率放大器被放大. 因为这种环路电流大多和电网频率一样, 比如50/60Hz及其倍频, 所以我们经常会迷惑, 我们电脑当没有任何音乐播放时, 但扬声器里总有一种电流声存在, 当我们换个交流电流插线位置, 这种声音或变大或变小. 综合而言, 这类干扰是低频.
- 还有一种干扰, 因为这个地环路存在, 形成了一个闭合回路, 如果房间的电磁环境比较复杂, 比如强电流继电器开合, 励磁电机启动和停止等, 这样电磁场会在这个闭合回路产生磁感应电流, 于是另一种环路电流形成了. 这种环路电流属于高频, 达到MHz级别, 因为功率放大器和扬声器的频率响应理论上是20Hz~20KHz, 所以我们用耳朵听不到这种干扰. 但是如果在比如RS485, USB, CAN等工业通信领域, 这种干扰就非常麻烦, 干扰正常通信, 是设备系统工程师必须要面对解决的问题.
3. 当前的工控机, 控制器和光源等综合配置
上图中, 工控机供电保护地PE, 接到工控机外壳(紫色), 也接到工控机主板(绿色), 工控机主板信号地和485三线通信地(红色)相连接, 也通过图中红线连接到工控机内部信号地.
光源控制器这边, 485通信三线中地线(红色)会接到内部24V电源的负极, 但是整体信号地(也是24V电源负极)和控制器外壳不相连, 控制器外壳(紫色)会和控制器供电的PE地线(黄色)相连. 控制器通过LED灯线+/-接到LED灯板. 如果LED灯板和灯金属外壳之间不相连的话, 则可以看出整个系统不能形成一个地环路, 这样其实是比较好的配置, 不会产生地环路电流, 控制器内部信号地和24V电源-, 是采用行业中普遍存在的浮地(FG, Floating Ground)设计.
4. 故障原因初判
根据前后故障的各方反馈情况, 初步判断造成本文档涉及故障基本有三种可能.
- 可能故障原因一: LED灯线+对LED灯铝基板和设备金属地之间短路, 这种情况, 控制器内部24V电压被地环路短路, 很大的短路电流足以完全烧毁工控机内部RS485地线, 短路电流环路如下所示.
- 可能故障原因二: LED灯线-对LED灯铝基板和设备金属地之间短路, 这种情况, 控制器内部24V电压通过通过外面大的地环路全部加在LED灯上面, 此时LED灯会点亮, 点亮电流也足以完全烧毁工控机内部RS485地线, 短路电流环路如下所示.
- 可能故障原因三: 如果LED灯板绝缘处理非常良好, 无任何潜在短路风险, 则我们必须考虑有其他地环路存在, 包括整体使用环境中其他设备.
5. 改善对策意见
综上所述, 本文提出一种基本能杜绝此类故障的改善意见, 那就是改变工控机RS485_DB9的接线配置, 如下图.
这个改善的基本原则, 就是哪怕存在地环路电流, 也要把环路电流直接导入工控机外壳, 不要把RS485通信线地线接入工控机电路板内.
还有一种改善意见, 就是是用1拖2交流电源线, 如下图, 这种线可以极大降低地环路周长, 减小地环路电流, 一头接工控机供电, 另一头接控制器供电.
