一、引言

在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下，上架式工控一體機作為工業(yè)自動化控制的核心設(shè)備，其穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。然而，工業(yè)現(xiàn)場存在大量的電磁干擾、信號干擾和強光干擾等，這些干擾源可能導(dǎo)致工控一體機出現(xiàn)藍屏、死機、數(shù)據(jù)錯誤等問題，嚴重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，研究復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下上架式工控一體機的抗干擾解決方案具有重要的現(xiàn)實意義。

二、復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的干擾源分析

（一）電磁干擾

工業(yè)現(xiàn)場存在大量的電氣設(shè)備，如電動機、變頻器、開關(guān)電源等，這些設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生電磁輻射，對工控一體機造成干擾。電磁干擾可能導(dǎo)致工控一體機的程序計數(shù)器PC值發(fā)生變化，破壞程序的正常運行，使系統(tǒng)進入“死循環(huán)”或“死鎖”狀態(tài)。

（二）信號干擾

信號干擾主要來源于信號傳輸過程中的噪聲和串擾。在工業(yè)現(xiàn)場，信號線往往較長，且與其他電纜并行敷設(shè)，容易受到外界電磁場的影響，導(dǎo)致信號失真或丟失。此外，信號源本身也可能產(chǎn)生干擾，如傳感器的噪聲、信號變送器的供電電源串入的電網(wǎng)干擾等。

（三）強光干擾

在一些特殊的工業(yè)環(huán)境中，如露天作業(yè)場所或存在強光源的車間，強光干擾可能對工控一體機的觸摸屏或顯示屏造成影響，導(dǎo)致操作失誤或顯示異常。

三、上架式工控一體機的抗干擾解決方案

（一）硬件抗干擾措施

屏蔽技術(shù)

屏蔽是切斷輻射電磁噪聲傳輸途徑的有效方式。對于上架式工控一體機，可以采用金屬外殼進行屏蔽，將工控一體機內(nèi)部的電路板和元器件包圍起來，使屏蔽體內(nèi)外的場相互隔離。同時，對于信號線，應(yīng)選用帶屏蔽層的電纜，并將屏蔽層可靠接地，以減少電磁輻射對信號的干擾。

隔離技術(shù)

隔離技術(shù)是用隔離元器件將干擾源隔離，以防干擾竄入設(shè)備。例如，在工控一體機的輸入/輸出接口處，可以采用光電隔離、變壓器隔離或繼電器隔離等方式，將控制電路與外部設(shè)備進行電氣隔離，避免強電和弱電信號之間的直接聯(lián)系，從而減少干擾的影響。

濾波技術(shù)

濾波技術(shù)是抑制干擾的一種有效措施。在工控一體機的電源輸入端，可以安裝電源濾波器，濾除電源中的高頻噪聲和雜波，提高電源質(zhì)量。對于信號線，也可以采用低通濾波器、帶通濾波器等，濾除信號中的干擾成分，保證信號的準確傳輸。

接地處理

合理的接地系統(tǒng)可以有效地抵制電磁干擾。工控一體機的接地方式主要有保護接地、工作接地和屏蔽接地。保護接地是將設(shè)備的金屬外殼與大地相連，防止人員觸電；工作接地是為電路提供一個穩(wěn)定的參考電位，減少共模干擾；屏蔽接地是將屏蔽層的接地端與大地相連，使屏蔽層發(fā)揮屏蔽作用。在接地設(shè)計時，應(yīng)注意接地電阻的大小，一般要求接地電阻小于4歐姆，并且要避免構(gòu)成環(huán)路，減少地環(huán)路干擾。

（二）軟件抗干擾措施

程序運行失常的軟件對策

當工控一體機受到干擾導(dǎo)致程序運行失常時，可以采用定時中斷監(jiān)視程序運行狀態(tài)的方法。例如，使用定時器產(chǎn)生定時中斷，在主程序運行過程中定時刷新定時器的時間常數(shù)。如果程序運行失常，不能及時刷新定時器時間常數(shù)，就會導(dǎo)致定時中斷，利用定時中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)復(fù)位，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

設(shè)置軟件陷井

在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，當程序計數(shù)器PC失控，造成程序“亂飛”而不斷進入非程序區(qū)時，使程序進入陷井，然后強迫使程序進入初始狀態(tài)。例如，在Z80 CPU構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，將所有非程序區(qū)全部置成FFH用以攔截失控程序，并在0038H處設(shè)置轉(zhuǎn)移指令，使程序轉(zhuǎn)至抗干擾處理程序。

系統(tǒng)“死鎖”的軟件對策

對于因輸入/輸出接口狀態(tài)受到干擾而導(dǎo)致的系統(tǒng)“死鎖”問題，可以采用“時間片”的方法來解決。根據(jù)不同的輸入/輸出外設(shè)對時間的要求，分配相應(yīng)的最大正常的輸入/輸出時間。在每一輸入/輸出的任務(wù)模塊中，加入相應(yīng)的超時判斷程序。當干擾破壞了接口的狀態(tài)造成CPU誤操作后，由于該外設(shè)準備好信息長期無效，經(jīng)一定時間后，系統(tǒng)會從該外設(shè)的服務(wù)程序中自動返回，保證整個軟件的周期性不受影響，從而避免“死鎖”情況的發(fā)生。

數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策

針對數(shù)據(jù)采集誤差，可以采用算術(shù)平均值法、比較取舍法、中值法和一階遞推數(shù)字濾波法等軟件濾波方法。算術(shù)平均值法是對一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計算其算術(shù)平均值，以其平均值作為該點采樣結(jié)果，可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響。比較取舍法是對每個采樣點連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定取舍，從而剔除偏差數(shù)據(jù)。中值法是對一個采樣點連續(xù)采集多個信號，并對這些采樣值進行比較，取中值作為該點的采樣結(jié)果。一階遞推數(shù)字濾波法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實現(xiàn)用軟件方法代替硬件RC濾波器。

RAM數(shù)據(jù)出錯的軟件對策

在實時控制過程中，干擾可能沖毀RAM中的數(shù)據(jù)。為了保護RAM中的重要數(shù)據(jù)，可以采用“校驗法”和“設(shè)標法”?！靶ｒ灧ā笔菍AM工作區(qū)重要區(qū)域的始端和尾端各設(shè)置一個標志碼，對RAM中固定不變的數(shù)據(jù)表格設(shè)置校驗字，在程序的執(zhí)行過程中，每隔一定的時間通過事先設(shè)計的查錯程序來檢查其各標志碼是否正常，如果不正常，則利用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)通過抗干擾處理程序來進行修正。“設(shè)標法”是在RAM中設(shè)置一些標志位，用于標記數(shù)據(jù)的完整性和有效性，當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)被破壞時，可以根據(jù)標志位進行相應(yīng)的處理。

四、實踐案例

（一）案例背景

某汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)線采用了上架式工控一體機進行自動化控制。然而，由于生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量的電動機、變頻器等電氣設(shè)備，電磁干擾嚴重，導(dǎo)致工控一體機頻繁出現(xiàn)藍屏、死機等問題，影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（二）解決方案

硬件改造

對工控一體機進行屏蔽處理，采用金屬外殼將工控一體機內(nèi)部的電路板和元器件包圍起來，并將外殼可靠接地。

對信號線采用帶屏蔽層的電纜，并將屏蔽層可靠接地。

在工控一體機的電源輸入端安裝電源濾波器，濾除電源中的高頻噪聲和雜波。

在輸入/輸出接口處采用光電隔離技術(shù)，將控制電路與外部設(shè)備進行電氣隔離。

軟件優(yōu)化

在工控一體機的控制程序中，設(shè)置定時中斷監(jiān)視程序運行狀態(tài)，當程序運行失常時，利用定時中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)復(fù)位。

在非程序區(qū)設(shè)置軟件陷井，防止程序“亂飛”。

采用“時間片”的方法解決系統(tǒng)“死鎖”問題。

對數(shù)據(jù)采集采用算術(shù)平均值法和一階遞推數(shù)字濾波法進行軟件濾波。

對RAM中的重要數(shù)據(jù)采用“校驗法”進行保護。

（三）實施效果

經(jīng)過硬件改造和軟件優(yōu)化后，該汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)線上的工控一體機運行穩(wěn)定性得到了顯著提高，藍屏、死機等問題得到了有效解決，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到了明顯提升。

五、結(jié)論

復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下上架式工控一體機的抗干擾是一個系統(tǒng)工程，需要從硬件和軟件兩個方面入手，采取綜合的抗干擾措施。通過屏蔽、隔離、濾波、接地等硬件抗干擾技術(shù)和程序運行失常的軟件對策、設(shè)置軟件陷井、系統(tǒng)“死鎖”的軟件對策、數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策和RAM數(shù)據(jù)出錯的軟件對策等軟件抗干擾技術(shù)，可以有效地提高上架式工控一體機在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的抗干擾能力，保證工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的工業(yè)環(huán)境和工控一體機的特點，選擇合適的抗干擾解決方案，并進行不斷的優(yōu)化和改進。

審核編輯 黃宇