变频器网络布线优化的抗干扰技术

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     由于RS-485总线布线的复杂程度与总线的长短和设备的挂接数目有很大关系，特别在大型系统中显得尤为突出。由于地理环境的原因，在相距一定距离的设备之间总是存在地电位不平衡的问题。有时即使距离很近问题依然存在。这种环境因素，可能造成整个系统无法起动。虽然通过处理地电位可暂时解决部分问题，但时隔不久同样问题又会再次出现。

    针对RS-485布线中存在的问题，采用独特的等位分差隔离技术和高效的总线分割集中技术能有效解决工程布线中常见的地电位差异、阻抗匹配及雷击问题。可以简单地改变RS- 485/RS-422总线结构，分割网段，就可以提高通信可靠性。当雷击或者设备故障产生时，出现问题的网段将被隔离，以确保其他网段正常工作。应用此方案具有如下优点：

    1)采用星形结构连接RS- 485总线，在有效利用接口的情况下布线覆盖面积大大提高（一般为几平方千米）。

    2)可以减少单个RS-485总线的负荷，同时有效地提高了整个系统的可靠性。当任一RS-485端口短路，只会影响其所在RS-485总线系统，不会影响其他接口连接的RS-485系统的正常工作：

    3)可以使RS-485系统布线过程变得简单和快捷，从而有效地减少了工程的费用和时间。

    4)各端口间存在3000V隔离。对于由环境问题带来的布线问题，只需把问题显著的区域用单独端口进行连接集中处理，将会有效地解决地电位带来的布线问题。

     因为RS-485的远距离、多节点(32个)以及传输线成本低的特性，使得RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。为此RS-485在自动化领域的应用非常广泛，但是在实际工程中RS-485总线运用仍然存在着很多问题，影响信号传输的质量，给工程应用带来了很多的不方便。

    RS-485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。在RS-485通信网络中，一般采用的是主从通信方式，即一台主机带多台从机。在很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来，而忽略了信号地的连接。这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却存在很大的隐患，其原因有：

    1)共模干扰问题。RS-485接口采用差分方式传输信号，仅用一对双绞线将各个接口的A、B端连接起来，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差在某些情况下是可以工作的。因收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7~+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定性，甚至损坏接口。当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为UOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，而存在着地电位差UCPD，那么接收器输入端的共模电压就会达到UCM=UOS+UGPD。RS-485标准规定UOS≤3V，但UGPD可能会有很高幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入电压UCM超出正常范围，在信号线上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏设备。

    2) EMI问题。发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个天线向外辐射电磁波。

    3)反射问题。信号在传输过程中如果遇到阻抗突变，信号在这个地方就会引起反射，这种信号反射的原理与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就是尽量保持传输线阻抗连续。

    从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就能有效地减少信号反射。但是，在实际工程应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通信波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。这种情况是无法改变的，只有尽量去避免它。

    RS-485传输线在一般场合采用普通的双绞线就可以，在要求比较高的环境下可以采用带屏蔽层的同轴电缆。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线路，从RS-485接口到负载间的数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度主要是受信号失真及噪声等影响。理论上RS-485的最长传输距离能达到1200m，但在实际应用中传输的距离要比1200m短，具体能传输多远视周围环境而定。在传输过程中可以采用增加中继器的方法对信号进行放大，最多可以加8个中继器，也就是说理论上RS-485的最大传输距离可以达到9.6km。如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5～10km，而采用单模光纤可达50km的传播距离。

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    RS-485支持半双工或全双工模式，网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络，最好采用一条总线将各个节点串接起来。在使用RS-485接口时，当数据信号速率降低到90kbit/s以下时，假定最大允许的信号损失为6dB时，则电缆长度被限制在1200m。实际上，在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度的。当使用不同线径的电缆，取得的最大电缆长度是不相同的。在构建网络时，应注意如下几点：

    1)有些网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。

    2)采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。

    3)应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点将发生信号的反射。易产生这种不连续性的情况有：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多的收发器紧靠在一起安装，采用过长的分支线引出到总线。

    总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。在RS-485组网过程中另一个需要注意的问题是终端负载电阻问题，在设备少、距离短的情况下不加终端负载电阻，整个网络能很好地工作，但随着距离的增船性能将降低。理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握，美国MAXIM公司提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配电阻。

    RS-422和RS-485在电气特性上存在着不少差异，如共模电压范围和接收器输入电阻不同使得这两个标准适用于不同的应用领域。RS-485串行接口的驱动器可用于RS- 422串行接口中，因RS-485串行接口满足所有的RS-422串行接口性能参数，反之则不能成立。对于RS-485串行接口的驱动器，共模电压的输出范围在-7~+12V之间；对于RS- 422串行接口的驱动器，该项性能指标仅有+7V。RS-422串行接口接收器的最小输入电阻是4kΩ；而RS- 485串行接口接收器的最小输入电阻则是12kΩ。