一、引言

在復雜工業環境下，上架式工控一體機作為工業自動化控制的核心設備，其穩定性和可靠性至關重要。然而，工業現場存在大量的電磁干擾、信號干擾和強光干擾等，這些干擾源可能導致工控一體機出現藍屏、死機、數據錯誤等問題，嚴重影響生產效率和產品質量。因此，研究復雜工業環境下上架式工控一體機的抗干擾解決方案具有重要的現實意義。

二、復雜工業環境下的干擾源分析

（一）電磁干擾

工業現場存在大量的電氣設備，如電動機、變頻器、開關電源等，這些設備在運行過程中會產生電磁輻射，對工控一體機造成干擾。電磁干擾可能導致工控一體機的程序計數器PC值發生變化，破壞程序的正常運行，使系統進入“死循環”或“死鎖”狀態。

（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。在工業現場，信號線往往較長，且與其他電纜并行敷設，容易受到外界電磁場的影響，導致信號失真或丟失。此外，信號源本身也可能產生干擾，如傳感器的噪聲、信號變送器的供電電源串入的電網干擾等。

（三）強光干擾

在一些特殊的工業環境中，如露天作業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

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，將工控一體機內部的電路板和元器件包圍起來，使屏蔽體內外的場相互隔離。同時，對于信號線，應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

隔離技術是用隔離元器件將干擾源隔離，以防干擾竄入設備。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備進行電氣隔離，避免強電和弱電信號之間的直接聯系，從而減少干擾的影響。

濾波技術

濾波技術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，使屏蔽層發揮屏蔽作用。在接地設計時，應注意接地電阻的大小，一般要求接地電阻小于4歐姆，并且要避免構成環路，減少地環路干擾。

（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致程序運行失常時，可以采用定時中斷監視程序運行狀態的方法。例如，使用定時器產生定時中斷，在主程序運行過程中定時刷新定時器的時間常數。如果程序運行失常，不能及時刷新定時器時間常數，就會導致定時中斷，利用定時中斷服務程序將系統復位，使系統恢復正常運行。

設置軟件陷井

在非程序區設置攔截措施，當程序計數器PC失控，造成程序“亂飛”而不斷進入非程序區時，使程序進入陷井，然后強迫使程序進入初始狀態。例如，在Z80 CPU構成的應用系統中，將所有非程序區全部置成FFH用以攔截失控程序，并在0038H處設置轉移指令，使程序轉至抗干擾處理程序。

系統“死鎖”的軟件對策

對于因輸入/輸出接口狀態受到干擾而導致的系統“死鎖”問題，可以采用“時間片”的方法來解決。根據不同的輸入/輸出外設對時間的要求，分配相應的最大正常的輸入/輸出時間。在每一輸入/輸出的任務模塊中，加入相應的超時判斷程序。當干擾破壞了接口的狀態造成CPU誤操作后，由于該外設準備好信息長期無效，經一定時間后，系統會從該外設的服務程序中自動返回，保證整個軟件的周期性不受影響，從而避免“死鎖”情況的發生。

數據采集誤差的軟件對策

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

RAM數據出錯的軟件對策

在實時控制過程中，干擾可能沖毀RAM中的數據。為了保護RAM中的重要數據，可以采用“校驗法”和“設標法”。“校驗法”是對RAM工作區重要區域的始端和尾端各設置一個標志碼，對RAM中固定不變的數據表格設置校驗字，在程序的執行過程中，每隔一定的時間通過事先設計的查錯程序來檢查其各標志碼是否正常，如果不正常，則利用數據冗余技術通過抗干擾處理程序來進行修正。“設標法”是在RAM中設置一些標志位，用于標記數據的完整性和有效性，當發現數據被破壞時，可以根據標志位進行相應的處理。

四、實踐案例

（一）案例背景

某汽車制造企業的生產線采用了上架式工控一體機進行自動化控制。然而，由于生產現場存在大量的電動機、變頻器等電氣設備，電磁干擾嚴重，導致工控一體機頻繁出現藍屏、死機等問題，影響了生產效率和產品質量。

（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，將控制電路與外部設備進行電氣隔離。

軟件優化

在工控一體機的控制程序中，設置定時中斷監視程序運行狀態，當程序運行失常時，利用定時中斷服務程序將系統復位。

在非程序區設置軟件陷井，防止程序“亂飛”。

采用“時間片”的方法解決系統“死鎖”問題。

對數據采集采用算術平均值法和一階遞推數字濾波法進行軟件濾波。

對RAM中的重要數據采用“校驗法”進行保護。

（三）實施效果

經過硬件改造和軟件優化后，該汽車制造企業的生產線上的工控一體機運行穩定性得到了顯著提高，藍屏、死機等問題得到了有效解決，生產效率和產品質量得到了明顯提升。

五、結論

復雜工業環境下上架式工控一體機的抗干擾是一個系統工程，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和程序運行失常的軟件對策、設置軟件陷井、系統“死鎖”的軟件對策、數據采集誤差的軟件對策和RAM數據出錯的軟件對策等軟件抗干擾技術，可以有效地提高上架式工控一體機在復雜工業環境下的抗干擾能力，保證工業自動化控制系統的穩定運行，提高生產效率和產品質量。在實際應用中，應根據具體的工業環境和工控一體機的特點，選擇合適的抗干擾解決方案，并進行不斷的優化和改進。

審核編輯 黃宇