Защита от помех в линиях связи. Практика проектирования и монтажа ИСБ


A.M. Омельянчук
Начальник КБ компании "Сигма ИС"

Каково происхождение помех в линиях связи? Некоторые из них вызваны внешними причинами, но чаще встречаются перекрестные помехи с соседних линий связи или между линиями питания и линиями передачи данных.

Источник № 1 – земляные петли

Наиболее распространенная причина помех в системах, созданных не очень опытными проектировщиками, – земляные петли. Если кто забыл, вкратце напомню – земляная петля возникает при соединении двух "земляных" проводов в двух местах. В частности, при фактическом заземлении (соединении с землей) земляного провода в двух местах. Проблема в том, что обратные токи от различных устройств (систем) смешиваются и начинают течь по чужим проводам. В результате созданные этими токами перепады напряжения, по сути, добавляются к сигналу в чужой системе. Особенно хорошо известно влияние земляных петель в аналоговых видеосистемах – там даже незначительное проникновение соседнего канала в видеосигнал бросается в глаза.

Как бороться с земляными петлями? Исключать заземления, кроме самых необходимых. Заземлять всю систему только в одной точке. При подключении нескольких разнесенных устройств к одному блоку питания использовать подключение "звездой" и без необходимости не дублировать обратный провод питания и обратный провод сигнала.

Если это неизбежно, применять гальваническую развязку в цепях связи и цепях питания.

Источник № 2 – нет общего провода

Кстати, нередко источником проблем является обратная ситуация – полное отсутствие выравнивающего общего провода между двумя устройствами. Данные (тот же RS-485) и даже аналоговые видеосигналы нередко передаются по симметричной линии (витой паре). Если каждое устройство имеет собственный блок питания от 220 В, то больше никаких проводов между устройствами вроде бы и не нужно. Однако следует помнить, что, хотя полезный сигнал в симметричной линии дифференциальный (между проводами), существуют весьма жесткие ограничения на синфазную составляющую (между любым проводом и общим проводом питания). А если "опорные потенциалы" ваших устройств не соединены между собой, разность потенциалов между этими точками (и соответственно напряжение между сигнальной линией и "общим") будет непредсказуемо определяться утечками, паразитными связями и др.

Помехи и витая пара
Высококачественная витая пара помогает избежать существенных помех "между проводами", однако она вовсе не помогает избежать помех "относительно земли". Дифференциальные сигналы не очень чувствительны к таким помехам, но если синфазная помеха превышает допустимый порог (между прочим, всего 7 В для RS-485), линия связи резко перестает работать.

Решение для симметричной линии связи
Поэтому все устройства, работающие по симметричной линии связи, таки должны быть соединены между собой одним, но возможно более толстым проводом. Нередко таким проводом является общий провод общего блока питания. Если блоки питания разные, таким проводом может являться экран кабеля, состоящий из множества проволочек и потому имеющий приличное суммарное сечение. В таком случае (если экран является единственным проводом, соединяющим клемму "общий" у двух устройств) экран должен подключаться с двух сторон линии (то есть на всех устройствах системы).

Источник № 3 – линии связи

Использование нескольких пар в многопарном кабеле для разных целей иногда допустимо, но чаще приводит к проблемам. Переходная емкость между проводами на длине 100 м составляет несколько нанофарад. Даже при низ-коомных нагрузках сигнальных линий (как в случае с видеосигналом и популярным RS-485) перекрестная помеха составит около 10% сигнала, что совершенно недопустимо на аналоговых линиях типа НЧ-видео. А на длине 1 км – сравнится с сигналом по амплитуде, то есть полностью нарушит работоспособность даже цифровых линий связи.

Источник № 4 – линии питания

Помимо помех от линий связи, значительное число помех возникает от линий питания. Помеха частотой 50 Гц настолько распространена, что большинство сигнальных линий специально рассчитаны, чтобы данная помеха оказывала малое влияние. Недаром стандартный видеосигнал имеет 50 кадр/с и обычно засин-хронизирован с питающим напряжением. Это именно для того, чтобы сделать практически непобедимую помеху синхронной с сигналом, неподвижной и потому не бросающейся в глаза.

Большинство прочих аналоговых сигнальных линий предполагают усреднение за время, кратное 20 мс, – также для борьбы с этой всепроникающей помехой. Однако современные устройства, питающиеся от сети, как правило, имеют высокочастотные электронные преобразователи, работающие на частоте от единиц килогерц до десятков мегагерц. И нередко некачественное заземление корпусов таких приборов, неисправный блок питания (неисправный фильтр помех) или просто некачественный супердешевый блок питания приводят к появлению на линиях связи помех с непредсказуемыми характеристиками.

Как бороться с помехами от питания?
Во-первых, питать разные устройства от разных линий 220 В. Ни в коем случае не допускать питания ваших "нежных" устройств систем безопасности от обычной розетки, куда включены и электрочайники, и компьютеры. И ведите эти линии по разным лоткам и отдельно от осветительной и бытовой сети.

Разные устройства в пределах одной подсистемы, особенно одного производителя, скорее всего легко смогут работать при питании от одной розетки. Однако, несмотря на проводимую сертифицирующими органами жесткую проверку всех электропотребителей на создание помех (это шутка), устройства одного производителя могут создать помехи, слишком большие для устройств другого производителя. Особенно это относится к устройствам совершенно разных категорий из разных подсистем. Высокочувствительная видеокамера вряд ли будет хорошо работать бок о бок с мощным блоком управления вентиляторами и кондиционерами. Питайте их от разных линий и разделяйте между собой фильтрами по цепи питания. Кстати, самый лучший фильтр – это online UPS. Двойное преобразование энергии практически полностью очищает линию питания от посторонних помех (правда, может добавить свои помехи).

Как влияет кабель
Кстати, низкокачественные кабели сами по себе не приводят к возникновению помех, но могут сильно ухудшить ситуацию. Во-первых, витая пара с редким повивом не обеспечивает симметричного влияния помех на оба провода и тем самым увеличивает амплитуду помех. Кабели со слишком высоким сопротивлением и погонной емкостью ослабляют полезный сигнал, что обуславливает повышенную чувствительность к помехам, даже небольшим. Это, между прочим и является самой распространенной проблемой с линиями RS-485. Неопытные проектировщики полагают, что для них самым лучшим кабелем будет витая пара 6-й категории, забывая, что она очень тонкая, и на такой линии длиной 1 км чисто омические потери ослабят сигнал в несколько раз.

Не экономьте на кабеле!
Не экономьте на кабеле – чем сложнее система, тем сложнее могут оказаться поиски источников помех. Кстати, экранированный кабель может заметно снизить уровень внешних помех, но его необходимо правильно подключать:

  1. экраны всех отрезков одной линии следует соединять между собой;
  2. не подключать к другим линиям;
  3. желательно заземлить или подключить к общему проводу блока питания в одной точке вблизи центрального блока системы.

На гальванической развязке в линии связи экраны соединять не следует. Участки слева и справа от устройства гальванической развязки мы должны считать разными линиями и независимо заземлить на корпус самого важного прибора на каждом участке.

Обратите внимание, экранированный кабель имеет повышенную погонную емкость. Убедитесь, что его применение допустимо для конкретной системы на конкретной длине линии.

Аналоговые и цифровые линии

Влияние помех различно на аналоговых и цифровых линиях. В случае цифровой линии помеха должна лишь не быть сопоставимой с разницей уровней разных цифровых сигналов, и тогда ее можно игнорировать. В случае же аналоговой линии, в которой значение напряжения или тока может изменяться непрерывно, даже небольшая помеха может существенно нарушить работу системы (или недопустимо снизить точность работы системы). Конечно, наиболее очевидно влияние помех на НЧ-видеосигнал. Помехи на экране, даже небольшие, сильно раздражают оператора.

Второй пример аналоговых сигналов – датчики температуры и т.д. в системах кондиционирования и вентиляции. Помехи приведут не только к низкой точности стабилизации температуры, но и к повышенной частоте включений/отключений мощных устройств (моторов), что отрицательно скажется на их сроке службы.

Как классифицировать?
К аналоговым цепям относятся многие пери-метровые кабельные датчики вибрации. Сложно сказать, как следует классифицировать неадресные шлейфы сигнализации, предназначенные для подключения "сухих" контактов. Если на шлейфе есть всего один "сухой" контакт – это, безусловно, цифровая (дискретная) линия. Однако в большинстве случаев шлейф также контролируется на обрыв и короткое замыкание, а если в шлейфе различается более одной тревоги (например, в двухпороговых пожарных ППК различаются пожар-1 и пожар-2, а в некоторых охранных ППК реализовано "удвоение шлейфа", то есть различение извещателей с разными балластными резисторами), то в результате в шлейфе необходимо выделять почти 10 разных уровней сигнала, причем некоторые пороги довольно близки между собой и даже небольшая помеха может сильно сказаться на достоверности данных.

Проблема неадресных шлейфов
Особенно подвержены помехам двухпроводные шлейфы с питаемыми по шлейфу извеща-телями (а это почти все традиционные неадресные пожарные извещатели). Смешение в одном кабеле тока питания и измерительного сигнального тока при простейшем алгоритме определения наличия сигнала означает высокую чувствительность к помехам, особенно если имеется нестабильность токов питания извещате-лей, а нередко встречается еще и превышение допустимого суммарного тока питания.

В целом классические неадресные шлейфы не следует делать очень длинными. По возможности следует разносить по зданию устройства, связанные цифровыми линиями (типа RS-485 или адресным шлейфом), а по сути своей аналоговые неадресные шлейфы лучше тянуть на минимально необходимое расстояние.

Нюансы адресных шлейфов
Цифровые линии не столь подвержены влиянию помех, хотя двухпроводный адресный шлейф, по которому подается питание адресных устройств и передаются данные, конечно, более чувствителен к помехам, чем 4-провод-ный, с раздельными линиями данных и питания. С другой стороны, существенно, какова амплитуда полезного сигнала и каково эффективное сопротивление линии. Чем больше сопротивление, тем больше будет амплитуда помех. Но если в двухпроводном адресном шлейфе амплитуда полезного сигнала составляет 20–30 В – это намного надежнее, чем 1–2 В на линиях RS-485.

Меньше скорость – выше помехоустойчивость
В целом чем проще (медленнее) линия передачи данных, тем менее она чувствительна к помехам, но только в случае, если оборудование предназначено для такой скорости. Обратите внимание, если оборудование одного производителя, предназначенное для совместной работы, может иметь специальные приемопередатчики RS-485, предназначенные для надежной низкоскоростной работы (ориентированные на 100–200 кбит), то применение, скажем, конвертора-усилителя общего назначения (на стандартные 5 мегабит) сразу же резко снижает помехоустойчивость всей системы.

Перегрузка

Многие системы стабильно работают в дежурном режиме, но крайне болезненно относятся к нестандартным ситуациям. Одной из таких ситуаций является включение питания.

На старте
Перегрузка блоков питания на старте – обычное дело. При этом некоторые устройства могут опять уйти в сброс, и такая последовательность будет продолжаться некоторое время, пока постепенно все не успокоится. Особенно опасна ситуация, складывающаяся в системе постепенно.

Разные устройства по мере монтажа постепенно включаются в работу, и все идет замечательно. Но если в уже работающей системе кратковременно отключить питание, при одновременном старте всех устройств сразу она может не включиться обратно или даже сжечь предохранители.

Еще хуже тот факт, что перегрузка при старте может быть не только по питанию, но и по линиям данных. Одновременный старт и инициализация множества устройств, особенно разных подсистем разных производителей, вполне в состоянии существенно перегрузить линии связи, что в некоторых случаях приведет к самоблокировке системы – она никогда не сможет заработать без вмешательства оператора. Общая рекомендация – проектировать сеть Ethernet как минимум на порядок более производительной, чем кажется необходимым по расчетам. Вторая рекомендация – по возможности вручную настраивать задержки инициализации различных систем после включения питания.

При тревоге
Самая неприятная ситуация – перегрузка при тревоге. Даже если не рассматривать параноидальные модели поведения противника (такие как сознательное создание тысяч ложных тревог на одном фланге с целью замаскировать проникновение на другом фланге), все равно в случае реальной тревоги (а особенно пожара или аварии) лавинообразно возникают сотни событий, видеоподсистемы начинают старательно передавать и записывать на файлсервера огромные потоки данных, и перегрузка сети передачи данных весьма возможна.

Особенно тяжелые ситуации происходят при обрыве магистральных линий связи или выходе из строя некоторых элементов центрального оборудования. Система одновременно фиксирует потерю связи со множеством устройств, подключенных к поврежденным участкам сети. Одновременно множество алгоритмов переходят на аварийный режим и нередко "на всякий случай" еще и начинают резервировать свои данные. Такие ситуации довольно легко смоделировать и потому следует проверять при завершении пусконаладки системы.

3 рекомендации для крупной ИСБ

В целом чем больше размер интегрированной системы, тем труднее предсказать особенности ее поведения, тем опаснее даже небольшие отклонения от проектного функционирования. Потому в больших системах особенно важно:

  1. тщательно выбирать качественные кабели;
  2. корректно заземлять устройства;
  3. делать большой запас по мощности питания и производительности устройств связи.

Однако можно дать и общую рекомендацию: чем ниже (глубже) уровень интеграции, тем меньше будет проблем. Если на объекте пожарная сигнализация, охранная, контроль доступа, инженерные системы, видеонаблюдение – все имеет собственную сеть RS-485 управления, собственную кабельную сеть и объединено только на самом верхнем уровне с помощью взаимосвязей между несколькими программами разных производителей – проблем будет много. Если же все периферийные устройства подключены к одному адресному шлейфу, контроллеры связаны между собой одной линией RS-485 или Ethernet и программа управления также одна – взаимные помехи между подсистемами если и возникнут, то будут легко прогнозируемыми и учитываемыми. Интегрированная система, состоящая из 10 узкоспециализированных систем – головная боль. Сходная система, собранная из 2–3 систем высокой интеграции, ведет себя намного более предсказуемо.

Источник: Журнал "Системы безопасности", №3, 2011

Архив публикаций