PLC在舞臺機械控制應用中的抗干擾問(wèn)論文

PLC在舞臺機械控制應用中的抗干擾問(wèn)論文

　　【摘要】當前PLC在舞臺機械控制系統中的應用已經(jīng)非常普遍，而且起著(zhù)至關(guān)重要的作用。PLC抗干擾問(wèn)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(zhù)舞臺藝術(shù)的表演形式日益豐富，大量新技術(shù)、新設備、新材料的應用，極大地豐富了藝術(shù)表現力，使演出場(chǎng)面華麗多彩。因而對舞臺機械的控制要求也越來(lái)越高，而PLC控制技術(shù)由于可以極大滿(mǎn)足越來(lái)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(chǎn)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(chǎn)生和傳播路徑進(jìn)行分析，并結合工程實(shí)踐探討提高PLC控制系統現場(chǎng)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(yǔ)句描述編程語(yǔ)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(yè)PC機。以上兩部分各單元都有可能因受到干擾而使整個(gè)控制系統運行受到影響。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(lái)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(chēng)。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(huì )使測量指示產(chǎn)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(jìn)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(chǎn)生于干擾源。干擾有的來(lái)自外部，有的來(lái)自?xún)炔�。外部干擾指的那些與系統結構無(wú)關(guān)，而是由使用條件和外界環(huán)境因素決定的(如：有可控硅調光設備；變頻器；無(wú)線(xiàn)對講設備等的劇場(chǎng)環(huán)境)；而內部干擾則是由系統結構布局，生產(chǎn)工藝等所決定的（如:電器柜內、外的布線(xiàn)和電器元件安裝位置等）。從物理分析來(lái)看，外部干擾和內部干擾都具有同一物理性質(zhì)，外部干擾主要為：太陽(yáng)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(wú)線(xiàn)對講機；無(wú)線(xiàn)話(huà)筒；無(wú)線(xiàn)遙控裝置等）；周?chē)�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(chǎng)和家用電器等具有瞬變過(guò)程的設備）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(chǎng)的影響也是外來(lái)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(cháng)線(xiàn)傳輸造成的波的反射，多點(diǎn)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(dòng)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(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(chǎng)輻射藕合方式。干擾波的遠距離傳播主要是電磁場(chǎng)傳播和長(cháng)線(xiàn)傳輸兩個(gè)途徑。一般來(lái)說(shuō)，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(xiàn)之間會(huì )通過(guò)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(shí)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?chē)�空間中都會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)則對其周?chē)�閉合電路產(chǎn)生感應電勢。在電器柜內部，線(xiàn)圈或變壓器的漏磁是一個(gè)很大的干擾；在電器柜外部，當兩根導線(xiàn)在很長(cháng)一段區間輔設時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生干擾。這是由于感應電磁場(chǎng)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(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會(huì )影響到另一個(gè)電路。常見(jiàn)的共阻抗耦合有公共地線(xiàn)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(guò)程中，如果屏蔽線(xiàn)的外皮是兩點(diǎn)以上接地，則部分接地電流流過(guò)屏蔽線(xiàn)外皮并產(chǎn)生壓降，從而也可以形成干擾源。這就是有時(shí)采用屏蔽線(xiàn)以后，反而導致干擾的原因。因此，必須十分注意屏蔽線(xiàn)接地問(wèn)題。有時(shí)在屏蔽線(xiàn)的一端采取一點(diǎn)接地，另一端懸空。3.5電磁場(chǎng)輻射耦合方式電磁場(chǎng)輻射也會(huì )造成干擾的耦合。眾所周知，當高頻電流流過(guò)導體時(shí)，在該導體周?chē)�產(chǎn)生的電力線(xiàn)和磁力線(xiàn)，隨導體各部瞬時(shí)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(huì )感應相應頻率的電動(dòng)勢。如果這一電動(dòng)勢是不需要的頻率成分，那它就成為電磁波耦合干擾。從長(cháng)波到整個(gè)微波范圍的電磁波一般稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)電波。整個(gè)空間都充滿(mǎn)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(wú)目的無(wú)規則的干擾。這種干擾極易通過(guò)電源線(xiàn)和信號線(xiàn)耦合到控制系統中來(lái)。另外，長(cháng)信號輸入輸出線(xiàn)也具有天線(xiàn)效應，也就是能輻射干擾波或接收干擾波。當作為接收天線(xiàn)時(shí)，它與電波的極化面有密切的關(guān)系。例如，中波無(wú)線(xiàn)電廣播電波是垂直極化波，因此，導線(xiàn)的垂直部分具有天線(xiàn)效應，而水平部分是幫助垂直部分工作的，其自身沒(méi)有天線(xiàn)效應。在大功率的強電場(chǎng)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(chǎn)生很大的感應電動(dòng)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(cháng)線(xiàn)傳輸干擾在一條均勻長(cháng)線(xiàn)上，無(wú)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(xiàn)路的參數有關(guān)，而與負載無(wú)關(guān)。波的相位速度及波長(cháng)也都只與線(xiàn)路的參數有關(guān)。由反射系數的公式可知，當中端開(kāi)路時(shí)，反射系數N=1，即全反射而無(wú)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(xiàn)路終端所聯(lián)的負載阻抗恰好與線(xiàn)路的波阻抗相等時(shí)，則反射系數為0，于是在線(xiàn)路的終端以及線(xiàn)路任何處，都沒(méi)有反射波存在。這種情況稱(chēng)為無(wú)反射線(xiàn)路。達成無(wú)反射條件的時(shí)候稱(chēng)為負載與線(xiàn)路相匹配。若終端接任意負載時(shí)，則反射系數是一個(gè)絕對值小于1的復數。這時(shí)線(xiàn)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(gè)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(chǎn)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(xiàn)的電容性耦合；互感耦合；電磁場(chǎng)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(gè)等電位點(diǎn)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(diǎn)經(jīng)一低阻通路接至大地時(shí)，則該點(diǎn)電位即可稱(chēng)為大地電位。電路接地有兩個(gè)原因(1)為了安全的保護接地；(2)對信號電壓有一個(gè)基準電位。保護地線(xiàn)必須在大地電位上;而信號地線(xiàn)根據現場(chǎng)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(gè)接地點(diǎn)。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(gè)基本目的；（1）消除各電路電流流經(jīng)一個(gè)公共地線(xiàn)阻抗時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓，即共阻抗耦合干擾；（2）避免受磁場(chǎng)和地電位差的影響，即不使其形成地環(huán)路。信號接地點(diǎn)有一點(diǎn)接地方式和多點(diǎn)接地方式，一般來(lái)說(shuō)頻率在1MHz以下時(shí)可以使用一點(diǎn)接地方式;當頻率高于10MHz時(shí)應用多點(diǎn)接地方式。在1MHz至10MHz之間，如用一點(diǎn)接地時(shí)其地線(xiàn)長(cháng)度不得超過(guò)波長(cháng)的1/20，否則應使用多點(diǎn)接地。在設計中如能把接地和屏蔽正確結合起來(lái)使用，即能解決大部分干擾問(wèn)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(cháng)遠來(lái)看，系統投入運行以后，如不產(chǎn)生干擾，將對使用和維修都非常有利，從而節省了人力和物力。③隔離由于在演出過(guò)程中會(huì )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(dòng)將直接影響到PLC控制系統的可靠性，穩定性。甚至由于電網(wǎng)的沖擊給整個(gè)系統帶來(lái)毀滅性的破壞。由于電網(wǎng)的瞬變過(guò)程是經(jīng)常不斷發(fā)生的，干擾通過(guò)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(lái)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(xiàn)雙絞線(xiàn)是PLC控制系統常用的一種傳輸線(xiàn)。把有噪聲的導線(xiàn)絞合在一起或屏蔽并絞合有噪聲的導線(xiàn)，可抑制噪聲源。絞合低電平信號導線(xiàn)，或絞合并屏蔽信號導線(xiàn)（高頻可用同軸電纜），可消除噪聲藕合。

　　二、結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種演出形式和表現手段的大量涌現，未來(lái)將會(huì )有更多新技術(shù)和新設備應用于舞臺和各種演出場(chǎng)所，同時(shí)也會(huì )帶來(lái)很多新的問(wèn)題和產(chǎn)生新的干擾源，因此，及時(shí)了解和解決PLC控制系統抗干擾問(wèn)題，把PLC控制系統的優(yōu)點(diǎn)最大程度的發(fā)揮出來(lái)，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)的應用不斷發(fā)展和提高。

　　參考文獻

　　[1]肖冬榮.微型計算機實(shí)時(shí)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.電子系統噪聲抑制技術(shù)[M.人民鐵道出版社,1978.

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