PLC在舞台机械控制应用中的抗干扰问题

【摘要】当前PLC在舞台机械控制系统中的应用已经非常普遍，而且起着至关重要的作用。PLC抗干扰问题解决不好将直接对演出效果造成重大影响。因此，本文将就此进行探讨。

【关键词】舞台机械；PLC控制；抗干扰

一、引言

随着舞台艺术的表演形式日益丰富，大量新技术、新设备、新材料的应用，极大地丰富了艺术表现力，使演出场面华丽多彩。因而对舞台机械的控制要求也越来越高，而PLC控制技术由于可以极大满足越来越复杂的控制要求而得到了普遍应用，但如果控制系统容易受到外界干扰而产生内部的瞬间故障，不但导致系统的不稳定，而且可能导致灾难性的后果，如果系统的抗干扰性能解决不好，就谈不上可靠性，再好的控制方案，也将成为泡影。PLC控制系统的可靠性因此变得相当重要。下面从PLC控制系统的基本设备构成，干扰信号的产生和传播路径进行分析，并结合工程实践探讨提高PLC控制系统现场应用的抗干扰措施。1.PLC控制系统的基本构成PLC控制系统主要由软件和硬件两大部分组成：1.1软件部分包括：PLC控制软件（如梯形图，布尔助记符，功能表图，功能模块图和语句描述编程语言等）；上位机软件(人机控制界面如:组态软件，VB，VC等)。1.2硬件部分：PLC中央处理单元（CPU）；电源摸块；数据输入输出模块（I/O模块）；通讯单元（如：交换机，通讯模块，板卡等）；数据采集单元（如：编码器等）；工业PC机。以上两部分各单元都有可能因受到干扰而使整个控制系统运行受到影响。下面将对干扰的产生及传播路径进行具体的分析。2.干扰的产生及来源所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成恶劣影响的变化部分的总称。例如，在控制系统中，指令信号以外的电变化，使指令工作失常；在检测元件中，混入了被测信号以外的电信号，就会使测量指示产生误差；计数器由于干扰脉冲而乱计数；PLC由于各种干扰而不能正常进行数据检测及处理，甚至造成破坏(如:舞台吊杆或舞台机械设备不能准确定位)；由于冲击电压等其它原因使PLC不能正常工作，等等。干扰产生于干扰源。干扰有的来自外部，有的来自内部。外部干扰指的那些与系统结构无关，而是由使用条件和外界环境因素决定的(如：有可控硅调光设备；变频器；无线对讲设备等的剧场环境)；而内部干扰则是由系统结构布局，生产工艺等所决定的（如:电器柜内、外的布线和电器元件安装位置等）。从物理分析来看，外部干扰和内部干扰都具有同一物理性质，外部干扰主要为：太阳及其它天体辐射出的电磁波；广播电台或通讯发射台发出的电磁波（如：无线对讲机；无线话筒；无线遥控装置等）；周围的电器装置（如:可控硅，变频器，调速电机，断路器，交通工具，工厂和家用电器等具有瞬变过程的设备）发出的电或磁的干扰；气象条件、空中雷电、气温、湿度、甚至于地磁场的影响也是外来干扰。内部干扰主要为：交流声、不同信号的感应，如杂散电容、长线传输造成的波的反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，热骚动噪声干扰，颤噪声，散粒噪声，闪变噪声，尖峰或震铃噪声引起的干扰均属于内部干扰。对于不同的干扰源采用不同的，行之有效的克服办法乃是排除干扰的根本方法。3.干扰传播分析及应对措施探讨3.1由干扰源产生的干扰藕合及传播的途径主要有以下四种方式：①静电藕合方式；②互感藕合方式；③共阻抗藕合方式；④电磁场辐射藕合方式。干扰波的远距离传播主要是电磁场传播和长线传输两个途径。一般来说，干扰源到处都有，要消除或抑制干扰就必须从干扰源，受干扰设备和干扰源到受干扰设备之间的藕合通道三方面综合考虑。3.2静电藕合两根导线之间会通过电容性藕合产生噪声干扰电压，理论分析证明这种干扰电压与频率，幅值，输入阻抗，以及藕合电容成正比。因此在低电平信号传输时输入阻抗应尽可能地小，一般希望在几百欧以下。3.3互感藕合方式在任意载流电路周围空间中都会产生磁场。交变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。在电器柜内部，线圈或变压器的漏磁是一个很大的干扰；在电器柜外部，当两根导线在很长一段区间辅设时，也会产生干扰。这是由于感应电磁场引起的耦合。3.4共阻抗耦合方式公共阻抗的耦合一般发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路。常见的共阻抗耦合有公共地线和公共电流阻抗两种。为了防止由电源输出阻抗引起的干扰电压耦合，一般应减小电源输出阻抗或在电路中采用去耦电路。如在施工过程中，如果屏蔽线的外皮是两点以上接地，则部分接地电流流过屏蔽线外皮并产生压降，从而也可以形成干扰源。这就是有时采用屏蔽线以后，反而导致干扰的原因。因此，必须十分注意屏蔽线接地问题。有时在屏蔽线的一端采取一点接地，另一端悬空。3.5电磁场辐射耦合方式电磁场辐射也会造成干扰的耦合。众所周知，当高频电流流过导体时，在该导体周围产生的电力线和磁力线，随导体各部瞬时电荷的变化（与频率相适应）而变化，这就成为一种在空间传播的电磁波。处于电磁波中的导体，由于磁波的作用便会感应相应频率的电动势。如果这一电动势是不需要的频率成分，那它就成为电磁波耦合干扰。从长波到整个微波范围的电磁波一般称为无线电波。整个空间都充满了这样一种电磁波。这样的干扰叫做电波干扰。电波干扰是一种完全无目的无规则的干扰。这种干扰极易通过电源线和信号线耦合到控制系统中来。另外，长信号输入输出线也具有天线效应，也就是能辐射干扰波或接收干扰波。当作为接收天线时，它与电波的极化面有密切的关系。例如，中波无线电广播电波是垂直极化波，因此，导线的垂直部分具有天线效应，而水平部分是帮助垂直部分工作的，其自身没有天线效应。在大功率的强电场中(如:操作人员手中的对讲机)，设备的外壳或设备内部的小导体也能产生很大的感应电动势并造成干扰。因此做好设备柜外壳的接地对防止电磁波耦合干扰是非常有效的。3.6长线传输干扰在一条均匀长线上，无论电压波或电流波，也不论正向波或反向波，都具有相同的传播系数，衰减系数，相位系数。在一定的频率下这些系数都只与线路的参数有关，而与负载无关。波的相位速度及波长也都只与线路的参数有关。由反射系数的公式可知，当中端开路时，反射系数N=1，即全反射而无符号变化。即入射波和反射波相同。若终端短路，则反射系数N=-1，即全反射且带有符号变化，即反向后反射回去。当线路终端所联的负载阻抗恰好与线路的波阻抗相等时，则反射系数为0，于是在线路的终端以及线路任何处，都没有反射波存在。这种情况称为无反射线路。达成无反射条件的时候称为负载与线路相匹配。若终端接任意负载时，则反射系数是一个绝对值小于1的复数。这时线路上的电压电流即有行波分量又有驻波分量。驻波的形成是由于向相反方向的两个行波迭加的结果。3.7消除干扰的方法针对上述对干扰源产生的原因和传播路径的基本分析，所采用的应对措施大致有以下几种：①屏蔽此方法对于两根导线的电容性耦合；互感耦合；电磁场辐射耦合具有很好的作用。②接地接地的意义可以理解为一个等电位点或等电位面，它是系统的基准电位，但不一定为大地电位。接地点经一低阻通路接至大地时，则该点电位即可称为大地电位。电路接地有两个原因(1)为了安全的保护接地；(2)对信号电压有一个基准电位。保护地线必须在大地电位上;而信号地线根据现场条件可以是大地电位，也可以不是大地电位（悬浮方式和电容接地方式）。尤其不要和有大功率可控硅调光设备共用一个接地点。在PLC控制系统中信号接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法。信号接地设计有两个基本目的；（1）消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压，即共阻抗耦合干扰；（2）避免受磁场和地电位差的影响，即不使其形成地环路。信号接地点有一点接地方式和多点接地方式，一般来说频率在1MHz以下时可以使用一点接地方式;当频率高于10MHz时应用多点接地方式。在1MHz至10MHz之间，如用一点接地时其地线长度不得超过波长的1/20，否则应使用多点接地。在设计中如能把接地和屏蔽正确结合起来使用，即能解决大部分干扰问题，所以在系统设计中对接地方式必须加以充分的注意。另外从长远来看，系统投入运行以后，如不产生干扰，将对使用和维修都非常有利，从而节省了人力和物力。③隔离由于在演出过程中会有大量的灯光明暗变化，大功率舞台机械的运行，产生了对电网的冲击，频率的波动将直接影响到PLC控制系统的可靠性，稳定性。甚至由于电网的冲击给整个系统带来毁灭性的破坏。由于电网的瞬变过程是经常不断发生的，干扰通过传导和辐射两种形式传给PLC控制系统。因此可采用交流稳压来抑制电网电压起伏的影响；使用隔离变压器和低通滤波器滤除电网中的高次谐波成分。④双绞线双绞线是PLC控制系统常用的一种传输线。把有噪声的导线绞合在一起或屏蔽并绞合有噪声的导线，可抑制噪声源。绞合低电平信号导线，或绞合并屏蔽信号导线（高频可用同轴电缆），可消除噪声藕合。

二、结束语

随着科学技术的不断发展，各种演出形式和表现手段的大量涌现，未来将会有更多新技术和新设备应用于舞台和各种演出场所，同时也会带来很多新的问题和产生新的干扰源，因此，及时了解和解决PLC控制系统抗干扰问题，把PLC控制系统的优点最大程度的发挥出来，还需我们从事舞台工程的工程技术人员不断的进行更深一步的研究和探讨，才能使舞台科学技术的应用不断发展和提高。

参考文献

[1]肖冬荣.微型计算机实时控制的抗干扰[M].湖北科学技术出版社,1983.

[2][美]W.O亨利.电子系统噪声抑制技术[M.人民铁道出版社,1978.

作者:谢旺 单位:天津舞台科学技术研究所