ภาพรวม
- RS485 เป็นสถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ที่กำหนดเฉพาะคุณสมบัติทางไฟฟ้าของตัวส่งและตัวรับสัญญาณ โดยไม่สนับสนุนโปรโตคอลการส่งข้อมูลเฉพาะใด ๆ
- RS485 ส่งสัญญาณไบนารีโดยสร้างแรงดันไฟฟ้าสูงและต่ำเพื่อแทนค่าไบนารี 0 และ 1 (เปิดและปิด) ทำให้สามารถสื่อสารในระยะไกลได้อย่างมีประสิทธิภาพแม้อยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์
- อุปกรณ์ที่ใช้ RS485 สามารถสื่อสารกับระบบควบคุมกลางผ่านโปรโตคอลการสื่อสาร เช่น Modbus และ ASCII
1. RS485 คืออะไร?
RS485 เป็นอินเทอร์เฟซการสื่อสารแบบอนุกรมมาตรฐาน หรือที่เรียกว่า TIA-485(-A) หรือ EIA-485 โดยกำหนดคุณสมบัติทางไฟฟ้าสำหรับการสื่อสารแบบ 2 สาย, ครึ่งดูเพล็กซ์ และหลายจุด โดยใช้สายคู่บิด (Twisted Pair) RS485 รองรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์หลายตัวในบัสเดียว และมีประสิทธิภาพสูงในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนและการสื่อสารระยะไกล
"RS485 ไม่ใช่โปรโตคอลการสื่อสาร"
RS485 กำหนดเพียงคุณสมบัติทางไฟฟ้า เช่น แรงดันไฟฟ้าและการส่งสัญญาณ แต่ไม่ได้กำหนดรูปแบบการเข้ารหัส การถอดรหัส หรือรูปแบบการส่งข้อมูล ซึ่งเป็นหน้าที่ของโปรโตคอลการสื่อสารที่เกี่ยวข้องจัดการ เช่น Modbus หรือ ASCII
[1]
เนื่องจาก RS485 ไม่ได้กำหนดโปรโตคอลการสื่อสาร เช่น ความเร็วหรือรูปแบบข้อมูล จึงต้องใช้งานร่วมกับโปรโตคอล เช่น Modbus หรือ ASCII เพื่อการส่งและแปลข้อมูล RS485 ส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล โดยแรงดันไฟฟ้าสูงและต่ำแทนค่าไบนารี 0 และ 1 ช่วยให้สามารถสื่อสารได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะไกลและในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนสูง
ในกรณีส่วนใหญ่ อุปกรณ์ที่ใช้ RS485 มักจะใช้งานร่วมกับโปรโตคอลการสื่อสาร เช่น Modbus และ ASCII เพื่อเชื่อมต่อกับระบบควบคุมกลาง ยกตัวอย่างเช่น เครื่องวัดการไหลแบบใบพัดของ LORRIC ที่ใช้ Modbus เป็นโปรโตคอลหลักในการกำหนดการส่งสัญญาณต่าง ๆ โดยเครื่องวัดนี้ใช้ RS485 สำหรับการส่งสัญญาณและเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับระบบควบคุมกลางของลูกค้า
ด้วยการตั้งค่าโปรแกรมและการกำหนดค่าที่เหมาะสมในระบบควบคุมกลาง ข้อมูลการวัดการไหลที่เกี่ยวข้องสามารถอ่านได้จากเครื่องวัดการไหลอย่างแม่นยำและมีประสิทธิภาพ
2. RS485 vs RS232
RS485 แก้ไขข้อจำกัดหลายประการของ RS232 เช่น ระยะทางในการส่งข้อมูล การสื่อสารหลายจุด และความต้านทานต่อสัญญาณรบกวน อย่างไรก็ตาม RS485 และ RS232 ไม่สามารถใช้แทนกันโดยตรงได้
RS232 เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อแบบง่าย ๆ ในระยะสั้นและแบบจุดต่อจุด เช่น การสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์กับอุปกรณ์ภายนอก
RS485 ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมและระบบอัตโนมัติในอาคาร ที่ต้องการการสื่อสารในระยะทางไกล รองรับอุปกรณ์หลายตัว และมีความเสถียรในการทำงาน
| อินเทอร์เฟซการสื่อสาร |
RS232 |
RS485 |
| วิธีการส่งข้อมูล |
 การสื่อสารแบบจุดต่อจุด เชื่อมต่ออุปกรณ์ได้เพียงสองเครื่องในเวลาเดียวกัน |
 การสื่อสารแบบหลายจุด ขึ้นอยู่กับระดับชิป บัสหนึ่งตัวสามารถเชื่อมต่อกับตัวส่งและตัวรับได้ 32, 128 หรือ 256 เครื่อง |
| ระยะทางในการส่งข้อมูล |
ภายใน 15 เมตร |
ระยะทางสูงสุดถึง 1200 เมตร |
| ความทนทานต่อสัญญาณรบกวน |
สัญญาณแบบปลายเดียว ช่วงแรงดันไฟฟ้ากว้าง ความทนทานต่อสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกอ่อนกว่า |
การส่งข้อมูลแบบสัญญาณแตกต่าง ช่วงแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อย สื่อสารผ่านความแตกต่างแรงดันระหว่างสายสองเส้น มีความต้านทานต่อสัญญาณรบกวนยอดเยี่ยม |
| ความเร็วในการสื่อสาร |
อัตราการส่งข้อมูลสูงสุด 20 kB/s |
ระยะทางที่สั้นลงทำให้อัตราการส่งสูงขึ้น โดยอัตราการส่งข้อมูลสูงสุดถึง 10 Mbps |
| ต้นทุน |
ต่ำ |
สูง |
| การออกแบบ |
ง่าย |
ซับซ้อน |
3. โซลูชันการเดินสาย RS485
1) การเชื่อมต่อ RS485 สำหรับอุปกรณ์หลายตัว
RS485 ให้ความสามารถในการเชื่อมต่ออุปกรณ์หลายตัวในลักษณะอนุกรม โดยใช้สายคู่บิด (Twisted Pair) เพื่ออำนวยความสะดวกในการแลกเปลี่ยนข้อมูล มีวิธีการเดินสายหลัก 2 รูปแบบ:
สองสาย (Half-Duplex):
การสื่อสารแบบครึ่งดูเพล็กซ์ที่ใช้สายเพียงคู่เดียวสำหรับการส่งและรับข้อมูล
สี่สาย (Full-Duplex):
การสื่อสารแบบเต็มดูเพล็กซ์ที่ใช้สองคู่สายสำหรับการส่งและรับข้อมูลแยกกัน
อย่างไรก็ตาม การเดินสายแบบสองสาย (Half-Duplex) เป็นรูปแบบที่นิยมใช้มากที่สุดในปัจจุบัน เนื่องจากความเรียบง่ายและความคุ้มค่า ขณะที่แบบสี่สาย (Full-Duplex) พบการใช้งานน้อยกว่าในปัจจุบัน
ภาพนี้แสดงแผนผังการเดินสาย RS485 รวมถึงการเชื่อมต่ออุปกรณ์ โครงสร้างสายคู่บิดเกลียว และการส่งสัญญาณ
- อุปกรณ์ (อุปกรณ์ 1, อุปกรณ์ 2, อุปกรณ์ N) เชื่อมต่อกันแบบอนุกรม เป็นรูปแบบทอพอโลยีแบบเดซี่เชน โดยพอร์ต A+ และ B- ของแต่ละอุปกรณ์เชื่อมต่อกับพอร์ตที่สอดคล้องกันของอุปกรณ์ถัดไปผ่านสายคู่บิดเกลียว วิธีการเดินสายใช้สาย A+ และ B- ซึ่งเป็นการกำหนดค่าแบบสองสายฮาล์ฟดูเพล็กซ์ ซึ่งเป็นวิธีที่ใช้งานบ่อยที่สุดใน RS485
- ด้านซ้ายของภาพแสดงโครงสร้างของสายคู่บิดเกลียว ประกอบด้วยสายทองแดง ชั้นป้องกัน และฉนวน โครงสร้างสายนี้ช่วยให้การส่งข้อมูลคงที่ในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า ควรสังเกตว่าสายที่เชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์แต่ละตัวควรมีความยาวสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดการลดทอนสัญญาณและสัญญาณรบกวน เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือในการสื่อสาร
- เครือข่ายเดซี่เชนทั้งหมดเชื่อมต่อกับ PLC (Programmable Logic Controller) เพื่ออำนวยความสะดวกในการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างอุปกรณ์หลายตัวกับระบบควบคุมส่วนกลาง โดยใช้มาตรฐาน RS485 สัญญาณถูกส่งผ่านสาย A+ และ B- โดยแรงดันสูงและแรงดันต่ำแทนเลขฐานสอง 1 และ 0 (เปิดและปิด) เพื่อให้มั่นใจถึงการสื่อสารข้อมูลที่เชื่อถือได้
2 ) คำแนะนำในการเดินสาย RS485
- ใช้สายคู่บิดเกลียวแบบมีชั้นป้องกันขนาด 24AWG โดยบิดสาย 485+ และ 485- เข้าด้วยกัน เชื่อมต่ออุปกรณ์แบบเดซี่เชนและหลีกเลี่ยงรูปแบบการเชื่อมต่อแบบวงแหวนหรือดาว ควรแยกสาย RS485 ออกจากสายไฟแรงสูงเพื่อป้องกันการรบกวน
- ในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวน ให้เพิ่มกลไกการลองใหม่ในซอฟต์แวร์เพื่อจัดการกับการรบกวน ใช้สายสั้นเพื่อลดเสียงรบกวน และต่อสายชั้นป้องกันเข้ากับสายชั้นป้องกันของสายการสื่อสารหลักเพื่อการต่อกราวด์
3 ) When to Use Termination Resistors with RS485
- การสื่อสารระยะไกล: สำหรับระยะทางที่เกิน 300 เมตร การสะท้อนของสัญญาณอาจถึงตัวรับระหว่างการส่งข้อมูล ทำให้เกิดข้อผิดพลาด
- การสื่อสารความเร็วสูง: ที่อัตราการส่งข้อมูลสูง เวลาขึ้นและลงของสัญญาณที่สั้นลงจะเพิ่มความเสี่ยงของการรบกวนจากสัญญาณสะท้อนในระหว่างการส่งข้อมูล
- เครือข่ายหลายอุปกรณ์: ในเครือข่ายที่มีอุปกรณ์หลายตัว ตัวต้านทานเทอร์มิเนชันช่วยให้สัญญาณมีความเสถียรและเชื่อถือได้ ควรติดตั้งตัวต้านทานเทอร์มิเนชันที่ทั้งตัวควบคุมหลักและจุดที่ไกลที่สุดของสาย ตัวต้านทาน 120Ω เป็นค่าที่ใช้กันทั่วไป แต่ค่าที่แท้จริงควรคำนวณตามข้อกำหนดของสายเคเบิล
4. ระบบสองสายแบบ Half-Duplex
ระบบ สองสายแบบ Half-Duplex ช่วยให้สามารถส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์สองตัวได้ในทิศทางทั้งสอง แต่ไม่สามารถส่งพร้อมกันได้ ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ A และ B ในช่วงเวลาหนึ่ง การส่งข้อมูลจาก A ไป B จะเกิดขึ้นก่อน และเมื่อเสร็จสิ้นแล้ว การส่งข้อมูลจาก B ไป A จึงจะเกิดขึ้นได้
ด้านล่างนี้เป็นแผนภาพวงจรที่นิยมใช้สำหรับ RS-485 แบบ Half-Duplex:
แผนภาพวงจรที่แสดงนี้แสดงการเชื่อมต่อพื้นฐานสำหรับระบบเดินสายแบบสองสาย ในวิธีนี้ อุปกรณ์ทุกตัวในเครือข่ายจะใช้สายคู่เดียวกันในการสื่อสาร โดยมีสายสองเส้นดังนี้:
สาย A (หรือ Data+): ส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล
สาย B (หรือ Data-): ส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลแบบกลับขั้ว
การใช้โหมดการส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลนี้ช่วยลดสัญญาณรบกวนและเพิ่มความเสถียรในการสื่อสารภายในเครือข่าย
[2]
5. รูปแบบเครือข่ายที่เหมาะสมสำหรับ RS485
6. โปรโตคอลการสื่อสารสำหรับ RS485
RS485 เป็นมาตรฐานการสื่อสารในชั้นกายภาพที่ต้องการโปรโตคอลเพื่อจัดการการแลกเปลี่ยนข้อมูลและการควบคุมระหว่างอุปกรณ์ โปรโตคอลที่ใช้บ่อย ได้แก่:
- Modbus RTU
ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม Modbus RTU ใช้ RS485 ในการส่งข้อมูลแบบไบนารีด้วยโครงสร้างแบบมาสเตอร์-สเลฟ รองรับเฟรมข้อมูลขนาด 256 ไบต์ และการตรวจสอบข้อผิดพลาดด้วย CRC
- Profibus DP
พัฒนาโดย Siemens รองรับความเร็วสูงสุด 12 Mbps ใช้โครงสร้างแบบมัลติมาสเตอร์สำหรับระบบกระจายและอุปกรณ์ภาคสนาม
- BACnet MS/TP
ออกแบบมาสำหรับระบบอัตโนมัติในอาคาร BACnet MS/TP ใช้กลไกมาสเตอร์-สเลฟ/โทเค็นพาสซิ่ง โดยมีอัตราการส่งข้อมูลตั้งแต่ 9600 bps ถึง 1 Mbps
- DNP3
ใช้งานในระบบพลังงานเป็นหลัก DNP3 ส่งข้อมูลที่ขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์พร้อมการประทับเวลา ผ่าน RS485 รองรับอัตราการส่งข้อมูลสูงสุด 9600 bps มักใช้ในระบบ SCADA
- CANopen
โปรโตคอลระดับสูงที่พัฒนาจาก CAN bus รองรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบเรียลไทม์ ด้วยความเร็วตั้งแต่ 10 kbps ถึง 1 Mbps เหมาะสำหรับระบบควบคุมแบบฝังตัว
- HART
ใช้ในเครื่องมืออัจฉริยะ HART ส่งข้อมูลทับบนสัญญาณอะนาล็อก 4-20mA รองรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบสองทิศทาง 16 บิต เพื่อการตรวจสอบและวินิจฉัยอุปกรณ์
7. กรณีศึกษา RS485
ตัวอย่างการใช้งานเครื่องวัดการไหลแบบใบพัดของ LORRIC ในระบบจ่ายและผสมสารเคมีส่วนกลางของบริษัท Hingsen Semiconductor
ในระบบจ่ายและผสมสารเคมีส่วนกลางของบริษัท Hingsen Semiconductor ในประเทศจีน มีการตั้งค่าระบบที่ประกอบด้วยถังเก็บสารเคมีส่วนกลางและระบบจ่ายสารไปยังจุดกระบวนการต่าง ๆ โดยควบคุมผ่านกล่องวาล์วเพื่อปรับปริมาณการจ่ายสารเคมี
แต่ละกล่องวาล์วติดตั้งเครื่องวัดการไหลแบบใบพัดของ LORRIC เพื่อวัดอัตราการไหลของสารเคมีที่จ่ายออกมา ข้อมูลอัตราการไหลถูกส่งไปยังระบบควบคุมส่วนกลางแบบเรียลไทม์ผ่าน RS-485 และเมื่อจ่ายสารเคมีครบตามปริมาณที่กำหนด ระบบจะหยุดการจ่ายโดยอัตโนมัติ
ในระบบดังกล่าว RS-485 มีบทบาทสำคัญในการเป็น สะพานเชื่อมต่อข้อมูลอัตราการไหล ระหว่างระบบควบคุมส่วนกลางและกล่องวาล์วแต่ละจุด ช่วยให้การสื่อสารข้อมูลเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพและแม่นยำ