聚徽揭秘——复杂工业环境下上架式工控一体机的抗干扰解决方案与实践

一、引言

在复杂工业环境下，上架式工控一体机作为工业自动化控制的核心设备，其稳定性和可靠性至关重要。然而，工业现场存在大量的电磁干扰、信号干扰和强光干扰等，这些干扰源可能导致工控一体机出现蓝屏、死机、数据错误等问题，严重影响生产效率和产品质量。因此，研究复杂工业环境下上架式工控一体机的抗干扰解决方案具有重要的现实意义。

二、复杂工业环境下的干扰源分析

（一）电磁干扰

工业现场存在大量的电气设备，如电动机、变频器、开关电源等，这些设备在运行过程中会产生电磁辐射，对工控一体机造成干扰。电磁干扰可能导致工控一体机的程序计数器PC值发生变化，破坏程序的正常运行，使系统进入“死循环”或“死锁”状态。

（二）信号干扰

信号干扰主要来源于信号传输过程中的噪声和串扰。在工业现场，信号线往往较长，且与其他电缆并行敷设，容易受到外界电磁场的影响，导致信号失真或丢失。此外，信号源本身也可能产生干扰，如传感器的噪声、信号变送器的供电电源串入的电网干扰等。

（三）强光干扰

在一些特殊的工业环境中，如露天作业场所或存在强光源的车间，强光干扰可能对工控一体机的触摸屏或显示屏造成影响，导致操作失误或显示异常。

三、上架式工控一体机的抗干扰解决方案

（一）硬件抗干扰措施

屏蔽技术

屏蔽是切断辐射电磁噪声传输途径的有效方式。对于上架式工控一体机，可以采用金属外壳进行屏蔽，将工控一体机内部的电路板和元器件包围起来，使屏蔽体内外的场相互隔离。同时，对于信号线，应选用带屏蔽层的电缆，并将屏蔽层可靠接地，以减少电磁辐射对信号的干扰。

隔离技术

隔离技术是用隔离元器件将干扰源隔离，以防干扰窜入设备。例如，在工控一体机的输入/输出接口处，可以采用光电隔离、变压器隔离或继电器隔离等方式，将控制电路与外部设备进行电气隔离，避免强电和弱电信号之间的直接联系，从而减少干扰的影响。

滤波技术

滤波技术是抑制干扰的一种有效措施。在工控一体机的电源输入端，可以安装电源滤波器，滤除电源中的高频噪声和杂波，提高电源质量。对于信号线，也可以采用低通滤波器、带通滤波器等，滤除信号中的干扰成分，保证信号的准确传输。

接地处理

合理的接地系统可以有效地抵制电磁干扰。工控一体机的接地方式主要有保护接地、工作接地和屏蔽接地。保护接地是将设备的金属外壳与大地相连，防止人员触电；工作接地是为电路提供一个稳定的参考电位，减少共模干扰；屏蔽接地是将屏蔽层的接地端与大地相连，使屏蔽层发挥屏蔽作用。在接地设计时，应注意接地电阻的大小，一般要求接地电阻小于4欧姆，并且要避免构成环路，减少地环路干扰。

（二）软件抗干扰措施

程序运行失常的软件对策

当工控一体机受到干扰导致程序运行失常时，可以采用定时中断监视程序运行状态的方法。例如，使用定时器产生定时中断，在主程序运行过程中定时刷新定时器的时间常数。如果程序运行失常，不能及时刷新定时器时间常数，就会导致定时中断，利用定时中断服务程序将系统复位，使系统恢复正常运行。

设置软件陷井

在非程序区设置拦截措施，当程序计数器PC失控，造成程序“乱飞”而不断进入非程序区时，使程序进入陷井，然后强迫使程序进入初始状态。例如，在Z80 CPU构成的应用系统中，将所有非程序区全部置成FFH用以拦截失控程序，并在0038H处设置转移指令，使程序转至抗干扰处理程序。

系统“死锁”的软件对策

对于因输入/输出接口状态受到干扰而导致的系统“死锁”问题，可以采用“时间片”的方法来解决。根据不同的输入/输出外设对时间的要求，分配相应的最大正常的输入/输出时间。在每一输入/输出的任务模块中，加入相应的超时判断程序。当干扰破坏了接口的状态造成CPU误操作后，由于该外设准备好信息长期无效，经一定时间后，系统会从该外设的服务程序中自动返回，保证整个软件的周期性不受影响，从而避免“死锁”情况的发生。

数据采集误差的软件对策

针对数据采集误差，可以采用算术平均值法、比较取舍法、中值法和一阶递推数字滤波法等软件滤波方法。算术平均值法是对一点数据连续采样多次，计算其算术平均值，以其平均值作为该点采样结果，可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。比较取舍法是对每个采样点连续采样几次，根据所采数据的变化规律，确定取舍，从而剔除偏差数据。中值法是对一个采样点连续采集多个信号，并对这些采样值进行比较，取中值作为该点的采样结果。一阶递推数字滤波法是利用软件完成RC低通滤波器的算法，实现用软件方法代替硬件RC滤波器。

RAM数据出错的软件对策

在实时控制过程中，干扰可能冲毁RAM中的数据。为了保护RAM中的重要数据，可以采用“校验法”和“设标法”。“校验法”是对RAM工作区重要区域的始端和尾端各设置一个标志码，对RAM中固定不变的数据表格设置校验字，在程序的执行过程中，每隔一定的时间通过事先设计的查错程序来检查其各标志码是否正常，如果不正常，则利用数据冗余技术通过抗干扰处理程序来进行修正。“设标法”是在RAM中设置一些标志位，用于标记数据的完整性和有效性，当发现数据被破坏时，可以根据标志位进行相应的处理。

四、实践案例

（一）案例背景

某汽车制造企业的生产线采用了上架式工控一体机进行自动化控制。然而，由于生产现场存在大量的电动机、变频器等电气设备，电磁干扰严重，导致工控一体机频繁出现蓝屏、死机等问题，影响了生产效率和产品质量。

（二）解决方案

硬件改造

对工控一体机进行屏蔽处理，采用金属外壳将工控一体机内部的电路板和元器件包围起来，并将外壳可靠接地。

对信号线采用带屏蔽层的电缆，并将屏蔽层可靠接地。

在工控一体机的电源输入端安装电源滤波器，滤除电源中的高频噪声和杂波。

在输入/输出接口处采用光电隔离技术，将控制电路与外部设备进行电气隔离。

软件优化

在工控一体机的控制程序中，设置定时中断监视程序运行状态，当程序运行失常时，利用定时中断服务程序将系统复位。

在非程序区设置软件陷井，防止程序“乱飞”。

采用“时间片”的方法解决系统“死锁”问题。

对数据采集采用算术平均值法和一阶递推数字滤波法进行软件滤波。

对RAM中的重要数据采用“校验法”进行保护。

（三）实施效果

经过硬件改造和软件优化后，该汽车制造企业的生产线上的工控一体机运行稳定性得到了显著提高，蓝屏、死机等问题得到了有效解决，生产效率和产品质量得到了明显提升。

五、结论

复杂工业环境下上架式工控一体机的抗干扰是一个系统工程，需要从硬件和软件两个方面入手，采取综合的抗干扰措施。通过屏蔽、隔离、滤波、接地等硬件抗干扰技术和程序运行失常的软件对策、设置软件陷井、系统“死锁”的软件对策、数据采集误差的软件对策和RAM数据出错的软件对策等软件抗干扰技术，可以有效地提高上架式工控一体机在复杂工业环境下的抗干扰能力，保证工业自动化控制系统的稳定运行，提高生产效率和产品质量。在实际应用中，应根据具体的工业环境和工控一体机的特点，选择合适的抗干扰解决方案，并进行不断的优化和改进。

审核编辑 黄宇