Arquivo mensais:setembro 2024

RS-485 Networks: Features, Applications and Overview

RS-485 networks, also known as EIA-485 or EIA/TIA-485, are widely used in various industry applications due to their versatility and efficiency in data communication. This article provides an overview of the main features of these networks, their practical applications, and the benefits they provide.

If you want to deepen your knowledge and specialize in this topic with certification, I invite you to check out this course on RS-485 networks on Udemy.

The RS-485 Standard

RS-485 is a standard defined by the ANSI/TIA/EIA-485-A standard, initially established on March 13, 1998, and reaffirmed on December 7, 2012. This standard specifies the electrical and mechanical parameters for balanced serial communication in multipoint systems. Electronic component manufacturers acquire this standard to develop circuits that are compatible with the established requirements, ensuring interoperability and compliance in the market.

Main Features

Network Topologies

RS-485 networks support two main topologies, shown in Figure 1. In all cases, signals A and B are used for transmitting differential voltages according to the data bits and, optionally, a ground reference wire (SG) is used. All signals A are connected together on the bus, as well as all signals B. The same is true for devices that have the SG available.

Point-to-Point: Direct connection between two devices, such as Device 1 and Device 2. This configuration is simple and effective for direct communications without sharing the physical medium with other devices.
Multipoint (Bus): Several devices are connected on a common bus. This topology is ideal for systems that require communication between multiple devices, allowing up to 32 devices on a single standard bus, which can be expanded to up to 256 with special transceivers.

Figure 1. a) Point-to-point and b) multipoint

Versatility

One of the great advantages of RS-485 is its flexibility:

Connectors: The standard does not define a specific type of connector, allowing the use of different models according to the application needs. Some types are shown in Figure 2.
Communication Protocols: RS-485 only specifies the physical layer, that is, how electrical signals behave. It does not define communication protocols, leaving this choice to the developer. Protocols such as Modbus, Profibus, DMX-512 and others can be implemented over RS-485.

Figura 2. Conectores tipicamente utilizados em redes RS-485
a) Bornes parafusáveis b) Barra de pinos c) RJ-45 d) DB-9 — Figure 2. Connector used in RS-485 networks
a) Screw terminals b) pin headers c) RJ-45 d) DB-9

Low Cost

RS-485 requires few electronic hardware components for its implementation:

Microcontroller: Responsible for processing and controlling communication. Usually it has a UART (Serial) port which is connected to the RS-485 transceiver.
Transceiver: Component that converts voltage levels between the microcontroller and the RS-485 network, ensuring signal compatibility and integrity.
Termination resistors and fail-safe bias: Used to reduce the effect of noise and balance the voltage level of signals A and B on the network.

This simplicity results in a reduced cost, making RS-485 an economical option for several applications. Equipment with this type of network is more affordable when compared to those with protocols such as EtherNet/IP, ProfiNet and others.

Communication Rates and Range

RS-485 offers an excellent relationship between communication speed and distance:

Up to 1,200 meters: At rates below 100 kbps, it is possible to reach distances of up to 1,200 meters, ideal for large industrial installations.
High Speeds: For shorter distances, such as 50 meters, it is possible to reach rates of up to 2 Mbps, and at 6 meters, up to 10 Mbps. These use cases require a certain amount of care and are normally found in Profibus DP networks.

This flexibility allows RS-485 to be adapted to the specific needs of each project.

High Noise Immunity

RS-485’s robustness in noisy environments is achieved through:

Twisted Pair Cable: Uses twisted wires to reduce electromagnetic interference, since induced noise affects both wires in a similar manner, allowing them to be canceled in the cable.
Differential Communication: Transmits signals with differential voltages in signals A and B, which facilitates the elimination of common noise in the receiver circuit.
Ground Reference (SG): The use of a ground wire as a voltage reference for transceivers improves signal stability and reduces problems caused by potential differences between devices.
Shielding and Grounding: Additional cable shielding and proper grounding techniques provide an extra layer of protection against external interference.

Network Topology

The recommended topology is Daisy Chain, where the connections of signals A, B and SG in the bus devices are made close to the connection terminals. Figure 3 shows one of the recommended installation methods to maintain high reliability.

Figure 3. Recommended topology for RS-485 networks: Daisy Chain
Source: https://know.innon.com/howtowire-non-optoisolated

Half Duplex Communication

In RS-485, communication is half duplex, which means that only one device can transmit on the bus at a time. To coordinate access and avoid collisions, it is necessary to implement a control mechanism, such as:

Master-Slave Protocol: A master device initiates communications, sending requests to slaves, which respond as requested. Protocols such as Modbus RTU and Profibus DP use this model. This approach ensures organized and efficient communication between connected devices.

Applications in Industrial Automation

RS-485 is widely used in automation devices and systems due to its favorable characteristics:

Programmable Logic Controllers (PLCs): Many PLCs have integrated RS-485 ports or expansion modules, facilitating communication with other devices.
Human-Machine Interfaces (HMIs): HMIs use RS-485 to exchange information with PLCs and other control equipment.
Frequency Inverters: Allow precise control of electric motors through commands sent via RS-485.
Remote Input and Output Modules: Sensors, actuators and other field devices can be connected to the control system using RS-485, simplifying the infrastructure and reducing costs.

Other Protocols and Applications

DH-485: Used in Allen-Bradley equipment, it is a protocol that operates over RS-485 in specific industrial applications.
DMX-512: Widely used in professional lighting to control luminaires and special effects devices. Each piece of equipment receives an address and is controlled by a central panel via RS-485.
Closed Circuit TV (CCTV): In systems that do not use Ethernet, RS-485 is used to control PTZ (Pan-Tilt-Zoom) cameras, allowing focus, movement and zoom adjustments from a control center.

Conclusion

RS-485 remains a solid choice for many industrial and commercial applications, offering a balance between performance, cost, and robustness. Its ability to operate in harsh environments and support long communication distances still make it attractive in many systems.

If you want to master RS-485 and apply it effectively in your projects, I offer a course on Udemy that introduces you to the necessary knowledge and skills. Learn about the technical details, best installation practices, communication protocols, and develop practices using low-cost components such as Arduino and RS-485 modules. Learn more about the RS-485 Networks Course by accessing the Course Link on Udemy.

References

The course is based on a vast bibliography which includes, among others:

CONTROL SOLUTIONS. RS-485 FAQ – Control Solutions. www.csimn.com. Disponível em: <https://www.csimn.com/CSI_pages/RS-485-FAQ.html>. Acesso em: 23 out. 2023.

EEP – ELECTRICAL ENGINEERING PORTAL. 9 rules for correct cabling of the Modbus RS485 communication systems. EEP – Electrical Engineering Portal. Disponível em: <https://electrical-engineering-portal.com/correct-cabling-modbus-rs485>.

EVERY CONTROL SOLUTIONS. Every Control – Controladores de temperatuta, umidade, pressão e tempo – Boletins. www.everycontrol.com.br. Disponível em: <https://www.everycontrol.com.br/portal/index.php/boletins>. Acesso em: 23 out. 2023.

IF TOOLS. Serial Analyzers for RS232 and RS485. www.iftools.com. Disponível em: <https://www.iftools.com/analyzer/index.en.php>. Acesso em: 23 out. 2023.

INNON. How do I wire RS485 devices? know.innon.com. Disponível em: <https://know.innon.com/howtowire-non-optoisolated>. Acesso em: 23 out. 2023.

MACKAY, Steve ; AL, Et. Practical industrial data networks : design, installation and troubleshooting. Oxford ; Burlington: Newnes, 2004.

MAXIM. Full Guide to Serial Communication Protocol and Our RS-485 |. www.maximintegrated.com. Disponível em: <https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/3/3884.html>.

MAXIM. General Description PART NUMBER HALF/FULL DUPLEX DATA RATE (Mbps). [s.l.: s.n.], 2014. Disponível em: <https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX1487-MAX491.pdf>.

MAXIM. HOW FAR AND HOW FAST CAN YOU GO WITH RS-485? [s.l.: s.n.], 2014. Disponível em: <https://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/AN3884.pdf>.

MAXIM. RS-485 Cable Specification Guide | Maxim Integrated. www.maximintegrated.com. Disponível em: <https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/tutorials/7/763.html>.

NOVUS. NOVUS PRODUTOS ELETRONICOS LTDA RS485 & RS422 Basics. [s.l.: s.n., s.d.]. Disponível em: <https://www.novusautomation.com/downloads/Arquivos/rs485%20&%20rs422%20basics%20-%20english.pdf>.

SOLTERO, Manny; ZHANG, Jing; COCKRIL, Chris; et al. Application Report RS-422 and RS-485 Standards Overview and System Configurations. [s.l.: s.n.], 2002. Disponível em: <https://www.ti.com/lit/an/slla070d/slla070d.pdf>.

TEXAS INSTRUMENTS. SN75176B data sheet, product information and support | TI.com. www.ti.com. Disponível em: <https://www.ti.com/product/SN75176B>. Acesso em: 23 out. 2023.

WIKIPEDIA CONTRIBUTORS. RS-485. Wikipedia. Disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/RS-485>.

Redes RS-485: características, aplicações e visão geral

As redes RS-485, também conhecidas como EIA-485 ou EIA/TIA-485, são amplamente utilizadas em diversas aplicações industriais devido à sua versatilidade e eficiência na comunicação de dados. Este artigo oferece uma visão geral sobre as principais características dessas redes, suas aplicações práticas e os benefícios que elas proporcionam. Se você deseja aprofundar seus conhecimentos e se especializar nesse tema com certificação, convido você a conhecer este curso sobre redes RS-485 no Udemy.

O Padrão RS-485

O RS-485 é um padrão definido pela norma ANSI/TIA/EIA-485-A, estabelecida inicialmente em 13 de março de 1998 e reafirmada em 7 de dezembro de 2012. Essa norma especifica os parâmetros elétricos e mecânicos para comunicação serial balanceada em sistemas multiponto. Fabricantes de componentes eletrônicos adquirem essa norma para desenvolver circuitos compatíveis com as exigências estabelecidas, garantindo interoperabilidade e conformidade no mercado.

Principais Características

Topologias de Rede

As redes RS-485 suportam duas principais topologias, apresentadas na Figura 1. Os sinais A e B são utilizados para transmitir tensões diferenciais de acordo com os bits e, opcionalmente um sinal de referência de terra SG (Signal Ground). Todos os terminais A são ligados em um mesmo fio, enquanto que todos os sinais B em outro fio. O mesmo vale para os dispositivos que possuem o SG disponível.

Ponto a Ponto: Conexão direta entre dois dispositivos, como um dispositivo (Device 1) e um (Device 2). Essa configuração é simples e eficaz para comunicações diretas sem o compartilhamento do meio físico com outros dispositivos.
Multiponto (Barramento): Vários dispositivos são conectados em um barramento comum, utilizando um par de fios para os sinais A e B e, opcionalmente, um fio de referência de terra (SG). Essa topologia é ideal para sistemas que requerem comunicação entre múltiplos equipamentos, permitindo até 32 dispositivos em um único barramento padrão, podendo ser expandido para até 256 com transceivers especiais.

Figura 1. Topologias a) Ponto a Ponto e b) Multiponto

Versatilidade

Uma das grandes vantagens do RS-485 é sua flexibilidade:

Conectores: O padrão não define um tipo específico de conector, permitindo o uso de diferentes modelos conforme a necessidade da aplicação. Alguns tipos são apresentados na Figura 2.
Protocolos de Comunicação: O RS-485 especifica apenas a camada física, ou seja, como os sinais elétricos se comportam. Ele não define protocolos de comunicação, deixando essa escolha para o desenvolvedor. Protocolos como Modbus, Profibus, DMX-512 e outros podem ser implementados sobre o RS-485.

Baixo Custo

O RS-485 requer poucos componentes eletrônicos de hardware para sua implementação:

Microcontrolador: Responsável pelo processamento e controle da comunicação. Normalmente possui uma porta UART (Serial) conectada ao transceiver.
Transceiver: Componente que converte os níveis de tensão entre o microcontrolador e a rede RS-485, garantindo compatibilidade e integridade dos sinais.
Resistores de terminação e fail-safe bias: Utilizados para reduzir o efeito de ruídos e equilibrar o nível de tensão dos sinais A e B na rede.

Essa simplicidade resulta em um custo reduzido, tornando o RS-485 uma opção econômica para diversas aplicações. Equipamentos com este tipo de rede são mais acessíveis quando comparados àqueles com protocolos como o EtherNet/IP, ProfiNet e outros.

Taxas de Comunicação e Alcance

O RS-485 oferece uma excelente relação entre velocidade de comunicação e distância:

Até 1.200 metros: A taxas inferiores a 100 kbps, é possível alcançar distâncias de até 1.200 metros, ideal para instalações industriais extensas, onde diversos painéis contendo controladores e inversores estão distribuídos pelo chão de fábrica.
Velocidades Elevadas: Para distâncias menores, como 50 metros, é possível atingir taxas de até 2 Mbps, e a 6 metros, até 10 Mbps. Estes casos de uso demandam um certo cuidado e normalmente são encontrados em redes Profibus DP.

Essa flexibilidade permite que o RS-485 seja adaptado conforme as necessidades específicas de cada projeto.

Alta Imunidade a Ruídos

A robustez do RS-485 em ambientes ruidosos é alcançada através de:

Cabo de Par Trançado: Utiliza fios trançados para reduzir interferências eletromagnéticas, já que ruídos induzidos afetam ambos os fios de maneira similar, permitindo que sejam cancelados no par trançado.
Comunicação Diferencial: Transmite sinais com tensões diferenciais nos sinais A e B, que facilitam a eliminação de ruídos comuns no circuito do receptor.
Referência de Terra (SG): O uso de um fio de terra como referência de tensão para os transceivers melhora a estabilidade dos sinais e reduz problemas causados por diferenças de potencial entre dispositivos.
Blindagem e Aterramento: Técnicas adicionais de blindagem dos cabos e aterramento adequado proporcionam uma camada extra de proteção contra interferências externas.

Topologia de rede

A topologia recomendada é a Daisy Chain, onde as conexões dos sinas A, B e SG nos dispositivos do barramento são feitas próximas aos terminais de conexão. A Figura 3 apresenta uma das formas de instalação recomendadas para manter uma alta confiabilidade e imunidade a ruídos.

Figura 3. Topologia recomendada para uma rede RS-485: Daisy Chain
Fonte: https://know.innon.com/howtowire-non-optoisolated

Comunicação Half Duplex

No RS-485, a comunicação é half duplex, o que significa que apenas um dispositivo pode transmitir por vez no barramento. Para coordenar o acesso e evitar colisões, é necessário implementar um mecanismo de controle em protocolo, como por exemplo:

Protocolo Mestre-Escravo: Um dispositivo mestre inicia as comunicações, enviando requisições aos escravos, que respondem conforme solicitado. Protocolos como Modbus RTU e Profibus DP utilizam esse modelo.

Essa abordagem garante uma comunicação organizada e eficiente entre os dispositivos conectados.

Aplicações na Automação Industrial

O RS-485 é amplamente utilizado em diversos dispositivos utilizados na automação de processos:

Controladores Lógicos Programáveis (CLPs): Muitos CLPs possuem portas RS-485 integradas ou módulos de expansão, facilitando a comunicação com outros dispositivos.
Interfaces Homem-Máquina (IHMs): IHMs utilizam o RS-485 para trocar informações com CLPs e outros equipamentos de controle.
Inversores de Frequência: Permitem o controle de motores elétricos trifásicos através de comandos enviados via RS-485.
Módulos de Entradas e Saídas Remotas: Sensores, atuadores e outros dispositivos distribuídos pelo chão de fábrica podem ser conectados ao sistema de controle usando o RS-485, simplificando a infraestrutura e reduzindo custos de cabeamento.

Outros Protocolos e Aplicações

DH-485: Utilizado em equipamentos Allen-Bradley, é um protocolo que opera sobre o RS-485 em aplicações industriais específicas.
DMX-512: Amplamente empregado em iluminação profissional para controle de luminárias e dispositivos de efeitos especiais. Cada equipamento recebe um endereço e é controlado por uma mesa central através do RS-485.
Circuitos Fechados de TV (CFTV): Em sistemas que não utilizam Ethernet, o RS-485 é usado para controlar câmeras PTZ (Pan-Tilt-Zoom), permitindo ajustes de foco, movimento e zoom a partir de uma central de controle.

Conclusão

O RS-485 continua sendo uma escolha para diversas aplicações industriais e comerciais, oferecendo um equilíbrio entre desempenho, custo e robustez. Sua capacidade de operar em ambientes adversos e suportar longas distâncias de comunicação ainda o tornam atraentes em muitos sistemas.

Se você deseja dominar o RS-485 e aplicá-lo de forma eficaz em seus projetos, ofereço um curso no Udemy que introduz você aos conhecimentos e habilidades necessárias. Aprenda sobre os detalhes técnicos, melhores práticas de instalação, protocolos de comunicação e desenvolve práticas utilizando componentes de baixo custo como Arduino e módulos RS-485. Conheça o conteúdo do Curso de Redes RS-485 acessando Link do curso no Udemy.

Conteúdos de Comunicação de Dados e Redes

Referências

O curso e este artigo é pautado em uma vasta bibliografia que engloba, entre outras: