1. RS485란 무엇인가?
RS485는 TIA-485(-A) 또는 EIA-485로도 알려져 있으며, 직렬 통신 시스템에서 송신기와 수신기의 전기적 특성을 규정하는 표준입니다. 위키백과에 따르면,
RS485는 2선, 반이중 및 다점 통신을 위한 전기적 특성을 규정하며, 신호 전송을 위해 차동 트위스트 페어를 사용합니다. 케이블 양단의 전압 차는 최소 0.2V 이상이어야 하며, -7V에서 12V 범위 내에서 유효합니다. 거리가 짧을수록 데이터 전송 속도는 더 빨라집니다. 이는 전자 잡음이 많은 환경에서 장거리 고효율 통신에 적합합니다.
RS485 표준은 전압 및 신호 전송 방식과 같은 전기적 특성만 정의하여 장치 간 물리적 연결을 통해 신호를 전송할 수 있도록 보장하지만, 데이터의 인코딩 또는 디코딩 방식이나 전송 형식과 같은 데이터 프로토콜은 규정하지 않습니다.
[1]
따라서 RS485 장치는 실제 데이터 전송 및 해석을 위해 Modbus, ASCII와 같은 다른 통신 프로토콜과 함께 사용되어야 합니다. RS485는 고전압과 저전압을 사용하여 이진 0과 1(켜짐과 꺼짐)을 나타내는 차동 신호를 전송하며, 전자 잡음이 많은 환경에서도 장거리 효율적인 통신을 제공합니다.
대부분의 경우, RS485 기반 장치는 Modbus 및 ASCII와 같은 통신 프로토콜을 사용하여 중앙 제어 시스템과 통신할 수 있습니다. 예를 들어, LORRIC의 패들휠 유량계는 다양한 신호 전송을 정의하는 기본 프로토콜로 Modbus를 사용합니다. 이 유량계는 RS485를 통해 신호를 전송하며, 고객의 중앙 제어 시스템과 직렬로 연결됩니다. 중앙 제어 시스템에서 적절한 프로그래밍과 설정을 통해 유량계에서 관련 유량 측정 데이터를 읽을 수 있습니다.
2. RS485 vs RS232
RS485는 전송 거리, 다중 지점 통신, 노이즈 저항과 같은 RS232의 여러 제한 사항을 개선했습니다. 그러나 두 프로토콜은 직접 대체될 수 있는 것은 아닙니다. RS232는 컴퓨터와 외부 장치 간의 통신과 같이 간단하고 짧은 거리의 점대점 연결에 더 적합합니다. 반면, RS485는 장거리, 다중 장치 및 안정적인 통신이 필요한 산업 및 건물 자동화 환경에서 일반적으로 사용됩니다.
| 통신 인터페이스 |
RS232 |
RS485 |
| 전송 방법 |
 포인트 투 포인트 통신, 한 번에 두 장치만 연결할 수 있습니다. |
 다중 포인트 통신, 칩 레벨에 따라 한 버스에 32, 128 또는 256개의 송신기와 수신기를 연결할 수 있습니다. |
| 전송 거리 |
15미터 이내 |
최대 전송 거리 1200미터 |
| 간섭 저항성 |
단일 종단 신호, 큰 전압 범위, 외부 전자기 간섭에 대한 저항이 약합니다. |
차동 신호 전송, 작은 전압 범위, 두 개의 전선 사이의 전압 차이를 통해 통신, 우수한 간섭 저항성. |
| 통신 속도 |
최대 전송 속도는 20 kB/s입니다 |
거리가 짧을수록 속도가 높으며, 최대 전송 속도는 10 Mbps입니다 |
| 비용 |
낮음 |
높음 |
| 설계 |
간단함 |
복잡함 |
3. RS485 배선 솔루션
1 ) 다중 장치용 RS485 연결
RS485는 데이터 교환을 촉진하기 위해 두 가닥의 꼬임선 쌍을 사용하여 여러 장치를 직렬로 연결하는 수단을 제공합니다. RS485는 두 가지 주요 배선 방법을 제공합니다: 2선식 반이중과 4선식 전이중. 4선식 전이중도 존재하지만, 현재의 응용에서는 2선식 반이중 구성이 주로 사용됩니다.
이 그림은 RS485 배선 구성을 보여주며, 장치 간 연결, 트위스트 페어 케이블 구조 및 신호 전송을 포함합니다.
- 장치들(장치 1, 장치 2, 장치 N)은 직렬로 연결되어 데이지 체인 토폴로지를 형성합니다. 각 장치의 A+ 및 B- 포트는 트위스트 페어 케이블을 사용하여 다음 장치의 해당 포트에 연결됩니다. 이 배선 방식은 A+와 B- 라인을 사용하는 2선 반이중 구성으로, RS485에서 가장 일반적으로 사용되는 방식입니다.
- 그림의 왼쪽에는 트위스트 페어 케이블의 구조가 나와 있으며, 구리선, 차폐 및 절연체가 포함됩니다. 이 케이블 구조는 전자 잡음이 많은 환경에서 안정적인 데이터 전송을 유지하는 데 도움이 됩니다. 각 장치 간의 연결선은 신호 감쇠 및 간섭을 최소화하고 통신 신뢰성을 높이기 위해 가능한 짧게 유지해야 합니다.
- 전체 데이지 체인 네트워크는 궁극적으로 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러)에 연결되어 여러 장치와 중앙 제어 시스템 간의 데이터 교환을 가능하게 합니다. RS485 표준을 사용하면 A+ 및 B- 라인을 통해 신호가 전송되며, 고전압과 저전압은 각각 이진 1과 0(켜짐과 꺼짐)을 나타내어 신뢰할 수 있는 데이터 통신을 보장합니다.
2 ) RS485 배선 권장사항
- 485+와 485-를 함께 꼬아서 차폐된 24AWG 꼬임쌍 케이블을 사용하세요. 장치들을 데이지 체인으로 연결하고, 링 또는 스타 형태의 배선을 피하세요. 고전압 라인과 RS485 케이블을 분리하여 간섭을 방지하세요.
- 소음이 많은 환경에서는 간섭을 처리하기 위해 소프트웨어에서 재시도 메커니즘을 구현하세요. 잡음을 줄이기 위해 짧은 케이블을 사용하고, 주 통신 라인의 차폐에 연결하여 차폐를 접지하세요.
3 ) RS485에서 종단 저항을 사용해야 할 때
➤ 장거리 통신: 300m 이상의 거리에서는 신호 반사가 수신기 중간에 도달하여 오류를 일으킬 수 있습니다.
➤ 고속 통신: 높은 데이터 전송 속도에서는 신호 상승 및 하강 시간이 짧아지면서 반사 신호가 데이터 전송에 간섭할 위험이 증가합니다.
➤ 다중 장치 네트워크: 여러 장치가 연결된 네트워크에서는 종단 저항이 신호의 안정성과 신뢰성을 보장하는 데 도움이 됩니다. 종단 저항은 마스터 장치와 선로의 가장 먼 끝에 설치해야 하며, 일반적으로 120Ω 저항이 사용되지만, 실제 값은 케이블 사양에 따라 계산되어야 합니다.
4. 2선 반이중 Two-wire half-duplex
2선 반이중 시스템은 두 장치 간 양방향 데이터 전송을 가능하게 하지만, 동시에 전송할 수는 없습니다. 예를 들어, A와 B 장치가 있을 때, 특정 시간 동안 A에서 B로 데이터 전송이 이루어지고, 완료된 후 B에서 A로 데이터 전송이 가능합니다. 아래는 RS-485에서 일반적으로 사용되는 회로도입니다.
제공된 회로도는 2선 배선 설정을 위한 기본 연결을 보여줍니다. 이 방법에서는 네트워크 내의 모든 노드가 동일한 통신선을 공유합니다. A선(또는 Data+)은 차동 신호를 전송하는 역할을 하며, B선(또는 Data-)은 보완적인 차동 신호를 처리합니다. 이 차동 신호 전송 방식은 간섭을 효과적으로 줄이고 전체 통신의 신뢰성을 향상시킵니다.
[2]
5. RS485에 적합한 토폴로지
RS485는 일반적으로 데이지 체인 및 버스(또는 라인) 토폴로지를 사용하며, 이 두 가지는 긴 거리 및 다중 장치 연결 시 신호 안정성을 유지하는 데 이상적입니다. 이 두 토폴로지는 개념적으로 유사한 것으로 간주됩니다.
네트워크 토폴로지는 컴퓨터와 서버와 같은 노드가 네트워크 내에서 어떻게 연결되는지를 정의합니다. 다양한 토폴로지는 서로 다른 요구를 충족하며 성능, 신뢰성, 확장성에 영향을 미칩니다. 각각의 토폴로지는 고유한 장단점을 가지고 있으며, 이는 RS485 호환성과 관련하여 논의될 것입니다.
| 이름 |
개요도 |
설명 |
RS485 적합성 |
데이지 체인 토폴로지
（Daisy Chain Topology） |
|
데이지 체인 토폴로지는 각 노드를 직렬로 연결하며, 각 노드에는 이전 노드와 다음 노드에 연결된 두 개의 연결이 있습니다. 이는 직렬 연결로 이해될 수 있습니다. 이 단순한 설계는 비용이 저렴하고 배선이 간단하며 확장이 용이하여 소규모 네트워크에 적합합니다. 그러나 어느 한 연결의 중단은 전체 네트워크를 중단시킬 수 있어 대형 설치에서는 신뢰성이 낮아집니다. |
RS485에 적합하며, 모든 장비가 단일 버스에 병렬로 연결되어 긴 브랜치 라인을 피하고 양 끝에 종단 저항을 사용합니다. |
버스 토폴로지
（Bus Topology / Linear Topology） |
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버스 토폴로지는 모든 장비가 중앙 케이블에 연결되는 구조로, 중앙 케이블을 버스라고 합니다. 어느 장비에서 보낸 데이터도 버스를 통해 다른 모든 장비로 전송되지만, 의도된 수신자만 메시지를 받습니다. 이 토폴로지는 설치가 쉽고 필요한 케이블이 다른 토폴로지보다 적습니다. 그러나 중앙 케이블의 고장은 전체 네트워크를 무너뜨릴 수 있어 소규모 또는 임시 네트워크에 적합합니다. |
RS485에 적합하며, 장비가 순차적으로 연결되어 긴 브랜치 라인이 없으므로 신호 무결성이 유지되며, 종단 저항도 올바르게 사용할 수 있습니다. |
백본 및 브랜치
（Backbone with Stubs） |
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중앙 백본이 다양한 작은 네트워크나 브랜치에 연결됩니다. 백본은 주요 통신 경로를 제공하며, 고용량 또는 중요한 통신 트래픽을 처리하고, 브랜치는 로컬 트래픽을 처리합니다. 이 설계는 주요 경로를 집중화하고 로컬 트래픽 처리를 분산하여 네트워크 관리가 용이하고 효율성이 높아집니다. |
RS485에 적합하지 않습니다. 긴 브랜치 라인은 신호 반사를 일으켜 통신 안정성을 저하시킬 수 있습니다. |
트리 토폴로지
（Tree Topology） |
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중앙 백본 케이블이 다양한 브랜치에 연결되며, 각 브랜치는 여러 노드에 연결되어 트리 구조를 형성합니다. 확장성이 뛰어나며, 계층적 조직이 필요한 대형 네트워크에 적합합니다. 그러나 백본에 장애가 발생하면 네트워크의 큰 부분이 영향을 받을 수 있습니다. |
RS485에 적합하지 않습니다. 여러 노드와 브랜치에서 신호 반사 문제가 발생할 수 있습니다. |
링 토폴로지
（Ring Topology） |
|
링 토폴로지는 공용 케이블로 구성된 폐쇄형 링 구조로, 각 노드는 링에 직접 연결됩니다. 메시지가 링을 따라 한 방향으로 이동하며 각 노드에 전송됩니다. |
RS485에 적합하지 않습니다. RS485는 폐쇄형 구조를 지원하지 않으며, 링 토폴로지는 신호 반사와 충돌을 일으키기 쉽습니다. |
백본 및 스타/클러스터
（Backbone with Stars/Clusters） |
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중앙 백본이 여러 스타형 또는 클러스터형 네트워크를 연결합니다. 각 스타형 네트워크에는 중앙 노드가 주변 노드와 연결되어 있습니다. 이 설계는 네트워크를 관리 가능한 클러스터로 분할하여 부하를 균형 있게 분배하고, 백본을 통해 강력한 상호 연결성을 유지하여 내결함성을 높입니다. |
RS485에 적합하지 않습니다. 이 구조에서는 많은 브랜치 또는 스타형 배치가 신호 반사와 통신 오류를 일으킬 수 있습니다. |
스타형 토폴로지
（Star Topology） |
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스타형 토폴로지에서는 네트워크의 각 노드가 중앙 노드와 포인트 투 포인트 방식으로 연결됩니다. 중앙 노드는 통신 제어를 집중적으로 수행하여 복잡도가 높으며, 다른 노드보다 부담이 훨씬 큽니다. 스타형 네트워크에서는 모든 두 노드 간의 통신이 중앙 노드를 거쳐 이루어집니다. |
RS485에 적합하지 않습니다. 스타형 구조에서는 각 브랜치 라인이 과도하게 길어져 RS485가 필요로 하는 임피던스 매칭이 완전히 깨집니다. |
다양한 토폴로지 구조 중, 데이지 체인 토폴로지는 신호 무결성에 미치는 영향이 적어 RS-485에 최적의 선택으로 간주됩니다. 데이지 체인 토폴로지의 특징은 각 장치가 하나의 선을 따라 순차적으로 연결되며, 루프 구조를 형성하지 않는다는 점입니다. 이 구성은 장치 간의 효율적인 데이터 전송을 촉진하고 신호 왜곡의 위험을 줄여줍니다. 그러나 케이블 길이가 길어질수록 통신 라인에서 신호 왜곡이 발생할 수 있으며, 그로 인해 달성 가능한 최대 데이터 전송 속도가 감소할 수 있습니다.
[3]
6. RS485 배선 권장사항
RS485는 물리적 계층 통신 표준으로, 장치 간 데이터 교환 및 제어를 관리하기 위해 프로토콜이 필요합니다. 일반적으로 사용되는 프로토콜은 다음과 같습니다:
1. Modbus RTU
산업 자동화에서 널리 사용되는 Modbus RTU는 RS485를 사용하여 이진 데이터 전송을 수행하며, 마스터-슬레이브 구조를 채택하고 있습니다. 256바이트의 데이터 프레임을 지원하며, CRC 오류 검사를 포함하고 있습니다.
2. Profibus DP
지멘스가 개발한 Profibus는 최대 12 Mbps의 속도를 지원하며, 분산 시스템 및 필드 장치를 위한 멀티 마스터 구성을 사용합니다.
3. BACnet MS/TP
건물 자동화를 위해 설계된 BACnet MS/TP는 마스터-슬레이브/토큰 패싱 메커니즘을 사용하며, 9600 bps에서 1 Mbps까지의 전송 속도를 지원합니다.
4. DNP3
주로 전력 시스템에서 사용되는 DNP3는 이벤트 기반 데이터를 타임스탬프와 함께 RS485를 통해 전송하며, 일반적으로 SCADA 시스템에서 9600 bps의 속도를 지원합니다.
5. CANopen
CAN 버스를 기반으로 하는 고급 프로토콜인 CANopen은 10 kbps에서 1 Mbps까지의 속도로 실시간 데이터 교환을 지원하며, 임베디드 제어 시스템에 이상적입니다.
6. HART
스마트 계측기에서 사용되는 HART는 4-20mA 아날로그 신호에 데이터를 중첩하여 전송하며, 장치 모니터링 및 진단을 위해 16비트 양방향 데이터 교환을 지원합니다.
7. RS485 사례 연구
Hingsen Semiconductor의 중앙 화학 약품 투입 및 분배 시스템에서 LORRIC 패들휠 유량계의 응용 사례
중국 Hingsen Semiconductor의 중앙 화학 약품 투입 및 분배 시스템은 중앙 화학 약품 저장 탱크와 각 공정 지점에 있는 분배 시스템으로 구성되며, 밸브 박스를 통해 화학 시약 공급을 제어합니다. 각 밸브 박스에는 LORRIC 패들휠 유량계가 장착되어 시약의 유량을 측정합니다. 유량계는 RS-485를 통해 실시간으로 유량 정보를 중앙 제어 시스템에 전달하며, 설정된 시약량이 투입되면 공급을 중단합니다. 이러한 시스템에서 RS-485는 중앙 제어 시스템과 각 밸브 박스 간의 유량 정보를 전달하는 중요한 역할을 수행합니다.