一、引言

在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下，上架式工控一體機(jī)作為工業(yè)自動(dòng)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(chǎng)存在大量的電磁干擾、信號(hào)干擾和強(qiáng)光干擾等，這些干擾源可能導(dǎo)致工控一體機(jī)出現(xiàn)藍(lán)屏、死機(jī)、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等問(wèn)題，嚴(yán)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(jī)的抗干擾解決方案具有重要的現(xiàn)實(shí)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(chǎng)存在大量的電氣設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源等，這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，對(duì)工控一體機(jī)造成干擾。電磁干擾可能導(dǎo)致工控一體機(jī)的程序計(jì)數(shù)器PC值發(fā)生變化，破壞程序的正常運(yùn)行，使系統(tǒng)進(jìn)入“死循環(huán)”或“死鎖”狀態(tài)。

（二）信號(hào)干擾

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

（三）強(qiáng)光干擾

在一些特殊的工業(yè)環(huán)境中，如露天作業(yè)場(chǎng)所或存在強(qiáng)光源的車間，強(qiáng)光干擾可能對(duì)工控一體機(jī)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(jī)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(duì)于上架式工控一體機(jī)，可以采用金屬外殼進(jìn)行屏蔽，將工控一體機(jī)內(nèi)部的電路板和元器件包圍起來(lái)，使屏蔽體內(nèi)外的場(chǎng)相互隔離。同時(shí)，對(duì)于信號(hào)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(duì)信號(hào)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(jī)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(jìn)行電氣隔離，避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)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(jī)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(duì)于信號(hào)線，也可以采用低通濾波器、帶通濾波器等，濾除信號(hào)中的干擾成分，保證信號(hào)的準(zhǔn)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(jī)的接地方式主要有保護(hù)接地、工作接地和屏蔽接地。保護(hù)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(gè)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(jì)時(shí)，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(yùn)行失常的軟件對(duì)策

當(dāng)工控一體機(jī)受到干擾導(dǎo)致程序運(yùn)行失常時(shí)，可以采用定時(shí)中斷監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)的方法。例如，使用定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，在主程序運(yùn)行過(guò)程中定時(shí)刷新定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)。如果程序運(yùn)行失常，不能及時(shí)刷新定時(shí)器時(shí)間常數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致定時(shí)中斷，利用定時(shí)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(yùn)行。

設(shè)置軟件陷井

在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，當(dāng)程序計(jì)數(shù)器PC失控，造成程序“亂飛”而不斷進(jìn)入非程序區(qū)時(shí)，使程序進(jìn)入陷井，然后強(qiáng)迫使程序進(jìn)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(duì)策

對(duì)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(wèn)題，可以采用“時(shí)間片”的方法來(lái)解決。根據(jù)不同的輸入/輸出外設(shè)對(duì)時(shí)間的要求，分配相應(yīng)的最大正常的輸入/輸出時(shí)間。在每一輸入/輸出的任務(wù)模塊中，加入相應(yīng)的超時(shí)判斷程序。當(dāng)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(zhǔn)備好信息長(zhǎng)期無(wú)效，經(jīng)一定時(shí)間后，系統(tǒng)會(huì)從該外設(shè)的服務(wù)程序中自動(dòng)返回，保證整個(gè)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(duì)策

針對(duì)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(duì)一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計(jì)算其算術(shù)平均值，以其平均值作為該點(diǎn)采樣結(jié)果，可以減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對(duì)采集結(jié)果的影響。比較取舍法是對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)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(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采集多個(gè)信號(hào)，并對(duì)這些采樣值進(jìn)行比較，取中值作為該點(diǎn)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(shí)現(xiàn)用軟件方法代替硬件RC濾波器。

RAM數(shù)據(jù)出錯(cuò)的軟件對(duì)策

在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，干擾可能沖毀RAM中的數(shù)據(jù)。為了保護(hù)RAM中的重要數(shù)據(jù)，可以采用“校驗(yàn)法”和“設(shè)標(biāo)法”?！靶ｒ?yàn)法”是對(duì)RAM工作區(qū)重要區(qū)域的始端和尾端各設(shè)置一個(gè)標(biāo)志碼，對(duì)RAM中固定不變的數(shù)據(jù)表格設(shè)置校驗(yàn)字，在程序的執(zhí)行過(guò)程中，每隔一定的時(shí)間通過(guò)事先設(shè)計(jì)的查錯(cuò)程序來(lái)檢查其各標(biāo)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(guò)抗干擾處理程序來(lái)進(jìn)行修正?！霸O(shè)標(biāo)法”是在RAM中設(shè)置一些標(biāo)志位，用于標(biāo)記數(shù)據(jù)的完整性和有效性，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)被破壞時(shí)，可以根據(jù)標(biāo)志位進(jìn)行相應(yīng)的處理。

四、實(shí)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(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制。然而，由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在大量的電動(dòng)機(jī)、變頻器等電氣設(shè)備，電磁干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致工控一體機(jī)頻繁出現(xiàn)藍(lán)屏、死機(jī)等問(wèn)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(duì)工控一體機(jī)進(jìn)行屏蔽處理，采用金屬外殼將工控一體機(jī)內(nèi)部的電路板和元器件包圍起來(lái)，并將外殼可靠接地。

對(duì)信號(hào)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(jī)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(jìn)行電氣隔離。

軟件優(yōu)化

在工控一體機(jī)的控制程序中，設(shè)置定時(shí)中斷監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)程序運(yùn)行失常時(shí)，利用定時(shí)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(shí)間片”的方法解決系統(tǒng)“死鎖”問(wèn)題。

對(duì)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(jìn)行軟件濾波。

對(duì)RAM中的重要數(shù)據(jù)采用“校驗(yàn)法”進(jìn)行保護(hù)。

（三）實(shí)施效果

經(jīng)過(guò)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(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性得到了顯著提高，藍(lán)屏、死機(jī)等問(wèn)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(jī)的抗干擾是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要從硬件和軟件兩個(gè)方面入手，采取綜合的抗干擾措施。通過(guò)屏蔽、隔離、濾波、接地等硬件抗干擾技術(shù)和程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策、設(shè)置軟件陷井、系統(tǒng)“死鎖”的軟件對(duì)策、數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對(duì)策和RAM數(shù)據(jù)出錯(cuò)的軟件對(duì)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(jī)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的抗干擾能力，保證工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在實(shí)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(jī)的特點(diǎn)，選擇合適的抗干擾解決方案，并進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)。

審核編輯 黃宇