PLC在舞臺機械控制應(yīng)用中的抗干擾問題
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【摘要】當(dāng)前plc在舞臺機械控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，而且起著至關(guān)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(jìn)行探討。
【關(guān)鍵詞】舞臺機械；PLC控制；抗干擾
一、引言
隨著舞臺藝術(shù)的表演形式日益豐富，大量新技術(shù)、新設(shè)備、新材料的應(yīng)用，極大地豐富了藝術(shù)表現(xiàn)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(shù)由于可以極大滿足越來越復(fù)雜的控制要求而得到了普遍應(yīng)用，但如果控制系統(tǒng)容易受到外界干擾而產(chǎn)生內(nèi)部的瞬間故障，不但導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而且可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，如果系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性因此變得相當(dāng)重要。下面從PLC控制系統(tǒng)的基本設(shè)備構(gòu)成，干擾信號的產(chǎn)生和傳播路徑進(jìn)行分析，并結(jié)合工程實踐探討提高PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用的抗干擾措施。1.PLC控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)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(tài)軟件，VB，VC等)。1.2硬件部分：PLC中央處理單元（CPU）；電源摸塊；數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集單元（如：編碼器等）；工業(yè)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(tǒng)運行受到影響。下面將對干擾的產(chǎn)生及傳播路徑進(jìn)行具體的分析。2.干擾的產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)生誤差；計數(shù)器由于干擾脈沖而亂計數(shù)；PLC由于各種干擾而不能正常進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測及處理，甚至造成破壞(如:舞臺吊桿或舞臺機械設(shè)備不能準(zhǔn)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(chǎn)生于干擾源。干擾有的來自外部，有的來自內(nèi)部。外部干擾指的那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，而是由使用條件和外界環(huán)境因素決定的(如：有可控硅調(diào)光設(shè)備；變頻器；無線對講設(shè)備等的劇場環(huán)境)；而內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局，生產(chǎn)工藝等所決定的（如:電器柜內(nèi)、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(nèi)部干擾都具有同一物理性質(zhì)，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(fā)射臺發(fā)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(diào)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(shè)備）發(fā)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(nèi)部干擾主要為：交流聲、不同信號的感應(yīng)，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(nèi)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(yīng)對措施探討3.1由干擾源產(chǎn)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(yuǎn)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(shè)備和干擾源到受干擾設(shè)備之間的藕合通道三方面綜合考慮。3.2靜電藕合兩根導(dǎo)線之間會通過電容性藕合產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)生磁場。交變磁場則對其周圍閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢。在電器柜內(nèi)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(dāng)兩根導(dǎo)線在很長一段區(qū)間輔設(shè)時，也會產(chǎn)生干擾。這是由于感應(yīng)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(fā)生在兩個電路的電流流經(jīng)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(yīng)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(chǎn)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(dǎo)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(dāng)高頻電流流過導(dǎo)體時，在該導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的電力線和磁力線，隨導(dǎo)體各部瞬時電荷的變化（與頻率相適應(yīng)）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(dǎo)體，由于磁波的作用便會感應(yīng)相應(yīng)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(guī)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(tǒng)中來。另外，長信號輸入輸出線也具有天線效應(yīng)，也就是能輻射干擾波或接收干擾波。當(dāng)作為接收天線時，它與電波的極化面有密切的關(guān)系。例如，中波無線電廣播電波是垂直極化波，因此，導(dǎo)線的垂直部分具有天線效應(yīng)，而水平部分是幫助垂直部分工作的，其自身沒有天線效應(yīng)。在大功率的強電場中(如:操作人員手中的對講機)，設(shè)備的外殼或設(shè)備內(nèi)部的小導(dǎo)體也能產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢并造成干擾。因此做好設(shè)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(shù)，衰減系數(shù)，相位系數(shù)。在一定的頻率下這些系數(shù)都只與線路的參數(shù)有關(guān)，而與負(fù)載無關(guān)。波的相位速度及波長也都只與線路的參數(shù)有關(guān)。由反射系數(shù)的公式可知，當(dāng)中端開路時，反射系數(shù)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(shù)N=-1，即全反射且?guī)в蟹栕兓?，即反向后反射回去。?dāng)線路終端所聯(lián)的負(fù)載阻抗恰好與線路的波阻抗相等時，則反射系數(shù)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(dá)成無反射條件的時候稱為負(fù)載與線路相匹配。若終端接任意負(fù)載時，則反射系數(shù)是一個絕對值小于1的復(fù)數(shù)。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(jié)果。3.7消除干擾的方法針對上述對干擾源產(chǎn)生的原因和傳播路徑的基本分析，所采用的應(yīng)對措施大致有以下幾種：①屏蔽此方法對于兩根導(dǎo)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(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。接地點經(jīng)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(hù)接地；(2)對信號電壓有一個基準(zhǔn)電位。保護(hù)地線必須在大地電位上;而信號地線根據(jù)現(xiàn)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(diào)光設(shè)備共用一個接地點。在PLC控制系統(tǒng)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(shè)計有兩個基本目的；（1）消除各電路電流流經(jīng)一個公共地線阻抗時所產(chǎn)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(huán)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(dāng)頻率高于10MHz時應(yīng)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(yīng)使用多點接地。在設(shè)計中如能把接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，即能解決大部分干擾問題，所以在系統(tǒng)設(shè)計中對接地方式必須加以充分的注意。另外從長遠(yuǎn)來看，系統(tǒng)投入運行以后，如不產(chǎn)生干擾，將對使用和維修都非常有利，從而節(jié)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(chǎn)生了對電網(wǎng)的沖擊，頻率的波動將直接影響到PLC控制系統(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定性。甚至由于電網(wǎng)的沖擊給整個系統(tǒng)帶來毀滅性的破壞。由于電網(wǎng)的瞬變過程是經(jīng)常不斷發(fā)生的，干擾通過傳導(dǎo)和輻射兩種形式傳給PLC控制系統(tǒng)。因此可采用交流穩(wěn)壓來抑制電網(wǎng)電壓起伏的影響；使用隔離變壓器和低通濾波器濾除電網(wǎng)中的高次諧波成分。④雙絞線雙絞線是PLC控制系統(tǒng)常用的一種傳輸線。把有噪聲的導(dǎo)線絞合在一起或屏蔽并絞合有噪聲的導(dǎo)線，可抑制噪聲源。絞合低電平信號導(dǎo)線，或絞合并屏蔽信號導(dǎo)線（高頻可用同軸電纜），可消除噪聲藕合。
二、結(jié)束語
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種演出形式和表現(xiàn)手段的大量涌現(xiàn)，未來將會有更多新技術(shù)和新設(shè)備應(yīng)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(chǎn)生新的干擾源，因此，及時了解和解決PLC控制系統(tǒng)抗干擾問題，把PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點最大程度的發(fā)揮出來，還需我們從事舞臺工程的工程技術(shù)人員不斷的進(jìn)行更深一步的研究和探討，才能使舞臺科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用不斷發(fā)展和提高。
參考文獻(xiàn)
[1]肖冬榮.微型計算機實時控制的抗干擾[M].湖北科學(xué)技術(shù)出版社,1983.
[2][美]W.O亨利.電子系統(tǒng)噪聲抑制技術(shù)[M.人民鐵道出版社,1978.
作者:謝旺 單位:天津舞臺科學(xué)技術(shù)研究所