RS485 và cách sử dụng RS485 trong hệ thống điều khiển công nghiệp

1. Chuẩn kết nối RS485

RS485 còn được gọi là TIA-485 (-A) hoặc EIA-485 đây là phương thức giao tiếp nối tiếp cho máy tính và các thiết bị tương tự như RS232.

Hình 1. Cổng truyền thông RS-485.

RS485 không chỉ là giao diện từ thiết bị đến thiết bị đơn lẻ mà còn là tổ hợp truyền thông có chức năng tạo ra các mạng đơn giản của nhiều thiết bị. Có thể liên kết lên tới 32 thiết bị trên một cặp dây đơn với hệ thống dây nối đất có khoảng cách lên đến 1200m.

2. Cấu tạo RS485

Về cơ bản, cấu tạo của cáp tín hiệu RS485 được cấu tạo từ nhiều sợi cáp bện xoắn lại với nhau theo từng gặp và xoắn thành lõi thống nhất. Theo đó, khi có tín hiệu bị nhiễu trên 1 sợi cáp, hiện tượng này sẽ lây sang những dây liền kề, tức cả 2 dây truyền tín hiệu đều bị nhiễu.
Chính hiện tượng này khiến điện áp sai biệt giữa 2 dây là không đáng kể. Đồng thời kết cấu này của cáp sẽ triệt tiêu độ nhiễu tín hiệu, giúp thông tin ở đầu thu nhận được sẽ không bị nhiễu.
Lớp vỏ ngoài của cáp chống nhiễu RS485 được bọc bởi chất liệu PVC, tiếp theo là lớp vỏ chống nhiễu, tăng tính ổn định cho đường truyền tín hiệu trong sợi lõi. Sợi cáp RS485 sẽ bền và chịu lực tác động tốt hơn, khi lắp đặt ở trên cao, với sức gió lớn.
Đáp ứng nhiệt độ dao động từ -10°C đến 75°C.

Hình 2. Cáp RS485.

3. Nguyên lý truyền thông tín hiệu của cáp chuẩn RS485

Nguyên lý hoạt động, truyền thông tin của cáp RS485 khá đơn giản: dữ liệu sẽ đồng thời được truyền qua 2 dây bện xoắn nhau. Hiện tượng nhiễu xảy ra ở một dây sẽ truyền sang dây còn lại, tạo nên sự đồng bộ về tín hiệu, triệt tiêu yếu tố gây nhiễu.
Khả năng chống nhiễu cao của dây RS485 cho phép chúng truyền tín hiệu đường dài, ở khoảng cách lớn ổn định hơn. Cấu hình cáp RS485 được chia thành 3 loại: Write only, 2 dây (Half Duplex) và 4 dây (Full Duplex).
Tuy nhiên, 2 cấu hình 2 dây và 4 dây cáp RS485 được sử dụng nhiều nhất. Tại mỗi cấu hình dây nguyên lý hoạt động của cáp RS485 sẽ có đôi chút khác biệt:
Cấu hình write only chỉ gửi tín hiệu và không bao giờ đọc lại một tín hiệu nào. Ví dụ, người vận hành gửi tín hiệu hình ảnh, hình ảnh sẽ hiển thị trên màn hình mà không có phản hồi nào trở lại.
Cấu hình 2 dây Half Duplex: Dữ liệu sẽ được truyền đi theo một hướng và tại 1 thời điểm xác định. Lúc này, tín hiệu RX và RX sẽ được truyền đi trên 1 cặp dây, mang lại sự tối ưu về lắp đặt và tiết kiệm chi phí.
Cấu hình 4 dây Full Duplex: Tín hiệu sẽ được truyền đi hoặc đến đồng thời từ các nút. Tại đó, 2 dây đảm nhiệm chức năng truyền đi, 2 dây còn lại sẽ nhận lại tín hiệu.

Hình 3. Nguyên lý truyền thông các thiết bị.

4. Ưu điểm của RS-485 so với RS-232 như thế nào?

Là sản phẩm tân tiến nhất hiện nay, khắc phục những yếu điểm mà RS232 để lại.
Có thể coi RS485 là một phiên bản nâng cấp của RS232, điểm khác biệt là RS584 cho phép kết nối và truyền dữ liệu với tối đa 32 cặp thu phát trên đường truyền dữ liệu với tối đa 32 cặp thu phát trên đường truyền cùng một lúc.

Hình 4. Kết nối với các thiết bị khác của RS232 và RS485.

Tương tự với RS232, tốc độ truyền dữ liệu của RS485 cùng phụ thuộc tỷ lệ với khoảng cách. Với chiều dài đường truyền 40 feet (12m) thì tốc độ truyền tối đa là 10Mbits/s, 400 feet (122m) là 1 Mbits/s và 4000 feet (1219) là 100 Kbits/s.
RS485 có lắp đặt 2 dây truyền tín hiệu nên tín hiệu sẽ được truyền đi nhanh hơn trên khoảng cách xa và rộng hơn.

Hình 5. Khoảng cách truyền của RS485 và RS232.

Khi RS485 đang kết nối các thiết bị ở khoảng cách khá xa thì người sử dụng có thể khắc phục bằng cách lắp thêm bộ lặp để tăng số lượng thiết bị kết nối, giúp tín hiệu ổn định hơn, tránh nhiễu đường truyền.
Giá thành rẻ.
Hoạt động tin cậy.
Đáp ứng nhanh.

5. Ứng dụng của tín hiệu truyền thông modbus RS485

RS485 được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nói chung và ngành tự động hóa nói riêng. Những ứng dụng nổi bật của RS485 có thể kể đến như việc ứng dụng trong điều khiển động cơ từ xa VFD hoặc trong biến tần. RS485 cũng điều khiển những hệ thống mạng đơn giản PLC, HMI – đây đều là những mạng cho phép điều khiển động cơ từ khoảng cách xa trong ngành công nghiệp.

Ví dụ thực tế: Để theo dõi và kiểm tra lượng nước được bơm vào từ một máy bơm như hình 3, bạn không cần phải theo dõi sát sao bên cạnh. Thay vào đó, khi sử dụng RS485, bạn hoàn toàn có thể điều khiển và theo dõi lượng nước từ một nơi rất xa.
Ví dụ HMI: Khi chuẩn giao tiếp RS485 kết nối được hệ thống gồm HMI và PLC thì PLC cũng sẽ được kết nối với VFD thành công thông qua RS485.
Ví dụ PLC: Hệ thống PLC thường được sử dụng trong việc theo dõi, giám sá mực nước trong các bồn chứa, nên khi kết nối với RS485, PLC có thể theo dõi mực nước từ trung tâm điều khiển hoặc có thể quay về kiểm soát dòng chảy, mực nước theo cách thủ công khi cần.
Ví dụ VFD: Hệ thống VFD khi kết nối với RS485 cho phép kiểm soát tốc độ của máy bơm nước từ trung tâm ở xa.
Đó là một trong nhiều ứng dụng thực tế và ứng dụng hay gặp là để truyền nhận từ PC đến kit Vi xử lý, hay là dùng thiết kế cho ngôi nhà thông minh, ưng dụng giám sát nhiệt độ, cho các quy trình sản xuất và hệ thống máy tính điều khiển từ xa…

Hình 6. Hệ thống giám sát điều khiển nhiệt độ.

Tóm lại tùy vào ứng dụng mà nhu cần dùng RS-232 hoặc là RS-485. Nhưng để truyền đi xa thì lại là RS-485.

6. Sự khác nhau giữa RS-485 với RS-232

CỔNG	RS232	RS485
Cấu hình	Single – ended	Differential
Chế độ vận hành	Simplex or full duplex	Simplex or half duplex
Chiều dài của cáp	50 feet	4000 feet
Tốc độ truyền dữ liệu	20 kbits/s	10 Mbits/s
Phương thức truyền dẫn dữ liệu	3 wires (TX wire, RX wire and GND wire)	2 wires (A wire and B wire)
Mức điện áp	± 5V to ±15V	±1.5V to ±6V
Trở kháng đầu vào tối thiểu	3 to 7 kΩ	12 kΩ
Độ nhạy của cáp	±3V	±200mV
Số thiết bị kết nối	1	32