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煤矿提升系统中RS-485 通信信号的干扰问题

1、 问题的提出

   矿井作业中，提升机的正常运行至关重要。在立井和斜井提升方式的矿井中，提升机的上提或下放指令由井下信号装置发出，经井口信号装置确认后，传递至提升机主信号装置，再根据主信号装置接收的信号，确定提升机的运行方式(如：上、慢上、停、下、慢下)。由于该提升过程中信号传输所使用的缆线距离长、转接点多，并且通常与其他电压等级的缆线铺设在一起，受到的外界干扰较多，故在提升机运行时容易出现信号丢失或误发信号之类的情况，影响矿井的提升安全。对此，很多立井或斜井提升方式的矿井提升机选择采用RS-485通信设施进行信号传递。
    RS-485通信是一种多个用户共用一根线缆，一个用户发送数据，其他用户同时接收，适用于普通线缆远距离传输的通信系统。其传递方式是通过两根通信线之间的电压差传递信号，称之为差分电压传输，此类传递方式的优点是抗干扰性突出。但由于煤矿矿井作业环境情况复杂，很多新投入使用的和投入使用时间较长的矿井都遇到过RS-485通信线路干扰问题。
    造成线路干扰的原因有：未按照施工规范施工；受环境影响，设备及缆线老化、损伤等。提升信号在传递过程中出现问题的原因是存在信号干扰源，影响RS-485通信系统的正常工作而造成通信故障。

2、 RS-485通信受干扰原因分析

   RS-485通信的外部接口由三个端子组成：A(+)、B(-)、G(地)或者T(+)、T(-)、G(地)。信号在传输过程中采用差分方式，即A与B之间大于200mV的电压差时进行数据(0、1)传输，通常A、B为0到5V的反向工作方式，即A为5V时B为0V，A为0V时B为5V。
    RS-485通信方式信号于扰源根据其特性，分为共模干扰和差模干扰两类。共模干扰是指信号通信缆线与地之间存在的干扰，称之为非对称性干扰。当共模干扰增大时共模电压也会增大，共模电压超出正常范围时会影响通信质量，严重时损坏芯片。以RS-485通信设施常用的发射接收芯片SN75176芯片为例，芯片的输入输出接口部分设计了高电压箝位功能，由于芯片的抗高压设计，当A、B点的输入电压相对与G高于5.5V时，A点的电压就被“锁定”在5V（当A、B点的信号低于-0.5V时，也被芯片锁定在-0.5V）。这样，小功率的干扰信号就由芯片吸收掉了，但对于较大功率的干扰信号，芯片则由于无法吸收如此大的能量而被摧毁。
    差模干扰是指两根信号通信缆线之间的信号干扰，称之为对称性干扰。用万用表测量A、B之间的电压，当A、B之间的电压差大于200mV，信号输出逻辑1；当A、B之间的电压差小于200mV时，信号输出逻辑0。如果差模干扰过大当总线上所有发送器被禁止时，信号输出逻辑0，RS485通信设施会误判通信帧的起始引起工作异常。

3、解决方法

   RS-485通信采用差分传输方式可有效抑制共模千扰信号，但在矿井实际应用中，由于提升系统电气设备多、供电电压种类多，电缆线布线范围受到限制导致提升通信系统受外
界干扰源增多，解决方法从硬件、软件两方面着手。
1）硬件解决方法

(1)在通信缆线的选择方面，采用带屏蔽层的双纹线，除两根通信线外，还需另引一根线接地。选用缆线的不能太细，否则在长距离传输时容易导致信号减弱甚至丢失，一般线径应大于0.8mm²。

(2)在铺设缆线时，必须将缆线尽量远离高压线避免强电干扰。注意不能将同一根通信缆线中的备用线用做电源线。

(3)在缆线防护方面，必须在强电场的地方将通信缆线套上镀锌管屏蔽，并将通信缆线的电源采用线性稳压电源或加UPS稳压电源。

2)软件解决方法
(1)采用耐压高的发射接收芯片。在芯片电路中增加一个偏值电阻，人为得使A端电位高于B端电位，这样RXD的电平在RS-485总线不发送期间呈现唯一的高电平，PLC不会被误中断而收到乱信号。

(2)在通信设置上提升机信号传输速率不需要高速传，选用传输速率为9600bs即可。

(3)RS-485总线是异步半双工的通信总线，其收发转换需要一定时间，在收发转换之间及每发送完一帧数据后都要有相应的延时，故在程序设置上应适当地增加延时时间，可避免在收发不正常或数据传输后就出现误码的现象。

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