PLC在舞臺機械控制應用中的抗干擾問題

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【摘要】當前plc在舞臺機械控制系統中的應用已經非常普遍，而且起著至關重要的作用。PLC抗干擾問題解決不好將直接對演出效果造成重大影響。因此，本文將就此進行探討。

【關鍵詞】舞臺機械；PLC控制；抗干擾

一、引言

隨著舞臺藝術的表演形式日益豐富，大量新技術、新設備、新材料的應用，極大地豐富了藝術表現力，使演出場面華麗多彩。因而對舞臺機械的控制要求也越來越高，而PLC控制技術由于可以極大滿足越來越復雜的控制要求而得到了普遍應用，但如果控制系統容易受到外界干擾而產生內部的瞬間故障，不但導致系統的不穩定，而且可能導致災難性的后果，如果系統的抗干擾性能解決不好，就談不上可靠性，再好的控制方案，也將成為泡影。PLC控制系統的可靠性因此變得相當重要。下面從PLC控制系統的基本設備構成，干擾信號的產生和傳播路徑進行分析，并結合工程實踐探討提高PLC控制系統現場應用的抗干擾措施。1.PLC控制系統的基本構成PLC控制系統主要由軟件和硬件兩大部分組成：1.1軟件部分包括：PLC控制軟件（如梯形圖，布爾助記符，功能表圖，功能模塊圖和語句描述編程語言等）；上位機軟件(人機控制界面如:組態軟件，VB，VC等)。1.2硬件部分：PLC中央處理單元（CPU）；電源摸塊；數據輸入輸出模塊（I/O模塊）；通訊單元（如：交換機，通訊模塊，板卡等）；數據采集單元（如：編碼器等）；工業PC機。以上兩部分各單元都有可能因受到干擾而使整個控制系統運行受到影響。下面將對干擾的產生及傳播路徑進行具體的分析。2.干擾的產生及來源所謂干擾，就是有用信號以外的噪聲或造成惡劣影響的變化部分的總稱。例如，在控制系統中，指令信號以外的電變化，使指令工作失常；在檢測元件中，混入了被測信號以外的電信號，就會使測量指示產生誤差；計數器由于干擾脈沖而亂計數；PLC由于各種干擾而不能正常進行數據檢測及處理，甚至造成破壞(如:舞臺吊桿或舞臺機械設備不能準確定位)；由于沖擊電壓等其它原因使PLC不能正常工作，等等。干擾產生于干擾源。干擾有的來自外部，有的來自內部。外部干擾指的那些與系統結構無關，而是由使用條件和外界環境因素決定的(如：有可控硅調光設備；變頻器；無線對講設備等的劇場環境)；而內部干擾則是由系統結構布局，生產工藝等所決定的（如:電器柜內、外的布線和電器元件安裝位置等）。從物理分析來看，外部干擾和內部干擾都具有同一物理性質，外部干擾主要為：太陽及其它天體輻射出的電磁波；廣播電臺或通訊發射臺發出的電磁波（如：無線對講機；無線話筒；無線遙控裝置等）；周圍的電器裝置（如:可控硅，變頻器，調速電機，斷路器，交通工具，工廠和家用電器等具有瞬變過程的設備）發出的電或磁的干擾；氣象條件、空中雷電、氣溫、濕度、甚至于地磁場的影響也是外來干擾。內部干擾主要為：交流聲、不同信號的感應，如雜散電容、長線傳輸造成的波的反射，多點接地造成的電位差引起的干擾，寄生振蕩引起的干擾，熱騷動噪聲干擾，顫噪聲，散粒噪聲，閃變噪聲，尖峰或震鈴噪聲引起的干擾均屬于內部干擾。對于不同的干擾源采用不同的，行之有效的克服辦法乃是排除干擾的根本方法。3.干擾傳播分析及應對措施探討3.1由干擾源產生的干擾藕合及傳播的途徑主要有以下四種方式：①靜電藕合方式；②互感藕合方式；③共阻抗藕合方式；④電磁場輻射藕合方式。干擾波的遠距離傳播主要是電磁場傳播和長線傳輸兩個途徑。一般來說，干擾源到處都有，要消除或抑制干擾就必須從干擾源，受干擾設備和干擾源到受干擾設備之間的藕合通道三方面綜合考慮。3.2靜電藕合兩根導線之間會通過電容性藕合產生噪聲干擾電壓，理論分析證明這種干擾電壓與頻率，幅值，輸入阻抗，以及藕合電容成正比。因此在低電平信號傳輸時輸入阻抗應盡可能地小，一般希望在幾百歐以下。3.3互感藕合方式在任意載流電路周圍空間中都會產生磁場。交變磁場則對其周圍閉合電路產生感應電勢。在電器柜內部，線圈或變壓器的漏磁是一個很大的干擾；在電器柜外部，當兩根導線在很長一段區間輔設時，也會產生干擾。這是由于感應電磁場引起的耦合。3.4共阻抗耦合方式公共阻抗的耦合一般發生在兩個電路的電流流經一個公共阻抗時，一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路。常見的共阻抗耦合有公共地線和公共電流阻抗兩種。為了防止由電源輸出阻抗引起的干擾電壓耦合，一般應減小電源輸出阻抗或在電路中采用去耦電路。如在施工過程中，如果屏蔽線的外皮是兩點以上接地，則部分接地電流流過屏蔽線外皮并產生壓降，從而也可以形成干擾源。這就是有時采用屏蔽線以后，反而導致干擾的原因。因此，必須十分注意屏蔽線接地問題。有時在屏蔽線的一端采取一點接地，另一端懸空。3.5電磁場輻射耦合方式電磁場輻射也會造成干擾的耦合。眾所周知，當高頻電流流過導體時，在該導體周圍產生的電力線和磁力線，隨導體各部瞬時電荷的變化（與頻率相適應）而變化，這就成為一種在空間傳播的電磁波。處于電磁波中的導體，由于磁波的作用便會感應相應頻率的電動勢。如果這一電動勢是不需要的頻率成分，那它就成為電磁波耦合干擾。從長波到整個微波范圍的電磁波一般稱為無線電波。整個空間都充滿了這樣一種電磁波。這樣的干擾叫做電波干擾。電波干擾是一種完全無目的無規則的干擾。這種干擾極易通過電源線和信號線耦合到控制系統中來。另外，長信號輸入輸出線也具有天線效應，也就是能輻射干擾波或接收干擾波。當作為接收天線時，它與電波的極化面有密切的關系。例如，中波無線電廣播電波是垂直極化波，因此，導線的垂直部分具有天線效應，而水平部分是幫助垂直部分工作的，其自身沒有天線效應。在大功率的強電場中(如:操作人員手中的對講機)，設備的外殼或設備內部的小導體也能產生很大的感應電動勢并造成干擾。因此做好設備柜外殼的接地對防止電磁波耦合干擾是非常有效的。3.6長線傳輸干擾在一條均勻長線上，無論電壓波或電流波，也不論正向波或反向波，都具有相同的傳播系數，衰減系數，相位系數。在一定的頻率下這些系數都只與線路的參數有關，而與負載無關。波的相位速度及波長也都只與線路的參數有關。由反射系數的公式可知，當中端開路時，反射系數N=1，即全反射而無符號變化。即入射波和反射波相同。若終端短路，則反射系數N=-1，即全反射且帶有符號變化，即反向后反射回去。當線路終端所聯的負載阻抗恰好與線路的波阻抗相等時，則反射系數為0，于是在線路的終端以及線路任何處，都沒有反射波存在。這種情況稱為無反射線路。達成無反射條件的時候稱為負載與線路相匹配。若終端接任意負載時，則反射系數是一個絕對值小于1的復數。這時線路上的電壓電流即有行波分量又有駐波分量。駐波的形成是由于向相反方向的兩個行波迭加的結果。3.7消除干擾的方法針對上述對干擾源產生的原因和傳播路徑的基本分析，所采用的應對措施大致有以下幾種：①屏蔽此方法對于兩根導線的電容性耦合；互感耦合；電磁場輻射耦合具有很好的作用。②接地接地的意義可以理解為一個等電位點或等電位面，它是系統的基準電位，但不一定為大地電位。接地點經一低阻通路接至大地時，則該點電位即可稱為大地電位。電路接地有兩個原因(1)為了安全的保護接地；(2)對信號電壓有一個基準電位。保護地線必須在大地電位上;而信號地線根據現場條件可以是大地電位，也可以不是大地電位（懸浮方式和電容接地方式）。尤其不要和有大功率可控硅調光設備共用一個接地點。在PLC控制系統中信號接地是抑制噪聲和防止干擾的主要方法。信號接地設計有兩個基本目的；（1）消除各電路電流流經一個公共地線阻抗時所產生的噪聲電壓，即共阻抗耦合干擾；（2）避免受磁場和地電位差的影響，即不使其形成地環路。信號接地點有一點接地方式和多點接地方式，一般來說頻率在1MHz以下時可以使用一點接地方式;當頻率高于10MHz時應用多點接地方式。在1MHz至10MHz之間，如用一點接地時其地線長度不得超過波長的1/20，否則應使用多點接地。在設計中如能把接地和屏蔽正確結合起來使用，即能解決大部分干擾問題，所以在系統設計中對接地方式必須加以充分的注意。另外從長遠來看，系統投入運行以后，如不產生干擾，將對使用和維修都非常有利，從而節省了人力和物力。③隔離由于在演出過程中會有大量的燈光明暗變化，大功率舞臺機械的運行，產生了對電網的沖擊，頻率的波動將直接影響到PLC控制系統的可靠性，穩定性。甚至由于電網的沖擊給整個系統帶來毀滅性的破壞。由于電網的瞬變過程是經常不斷發生的，干擾通過傳導和輻射兩種形式傳給PLC控制系統。因此可采用交流穩壓來抑制電網電壓起伏的影響；使用隔離變壓器和低通濾波器濾除電網中的高次諧波成分。④雙絞線雙絞線是PLC控制系統常用的一種傳輸線。把有噪聲的導線絞合在一起或屏蔽并絞合有噪聲的導線，可抑制噪聲源。絞合低電平信號導線，或絞合并屏蔽信號導線（高頻可用同軸電纜），可消除噪聲藕合。

二、結束語

隨著科學技術的不斷發展，各種演出形式和表現手段的大量涌現，未來將會有更多新技術和新設備應用于舞臺和各種演出場所，同時也會帶來很多新的問題和產生新的干擾源，因此，及時了解和解決PLC控制系統抗干擾問題，把PLC控制系統的優點最大程度的發揮出來，還需我們從事舞臺工程的工程技術人員不斷的進行更深一步的研究和探討，才能使舞臺科學技術的應用不斷發展和提高。

參考文獻

[1]肖冬榮.微型計算機實時控制的抗干擾[M].湖北科學技術出版社,1983.

[2][美]W.O亨利.電子系統噪聲抑制技術[M.人民鐵道出版社,1978.

作者:謝旺 單位:天津舞臺科學技術研究所