中達(dá)電通公司

摘  要：介紹PLC應(yīng)用中軟件濾波功能、方法，以及臺(tái)達(dá)PLC在自動(dòng)控制中軟件濾波程序應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：PLC 模擬量采集 噪聲和干擾 濾波電路 濾波方法 閉環(huán)調(diào)節(jié)
1 引言
    工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的大型系統(tǒng)或是小型設(shè)備，均含有各種噪聲和干擾。干擾既有來(lái)自信號(hào)源本體或傳感器，也有來(lái)自外界干擾。為了進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制，必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪聲和干擾。特別是隨著自動(dòng)化程度的提高，許多控制功能通過(guò)自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)來(lái)完成，設(shè)備控制的效果取決于外部模擬量采集、控制算法、執(zhí)行輸出等等環(huán)節(jié)，而在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)環(huán)境中，電磁干擾、電源干擾、甚至于傳感器本身都會(huì)影響外部信號(hào)，導(dǎo)致得到的數(shù)據(jù)失真、波動(dòng)，如果在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)即出現(xiàn)問(wèn)題，那整個(gè)系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。本文分析解決的是如何利用軟件數(shù)字濾波的方式處理外部信號(hào)的正確采集，從而才能得到真實(shí)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，否則設(shè)備的自動(dòng)化控制將無(wú)從談起。
2       軟件濾波功能簡(jiǎn)介
2.1 軟件濾波
    軟件濾波即是通過(guò)軟件算法將數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，從而屏蔽掉噪聲和干擾雜波信號(hào)，獲得可用的真實(shí)數(shù)據(jù)的一種方法，也可以說(shuō)是通過(guò)程序處理的方式完成數(shù)據(jù)采集信號(hào)的處理。
    對(duì)于采集信號(hào)的處理，除了軟件濾波之外，也可以采用硬件電路實(shí)現(xiàn)濾波處理，比如常見(jiàn)的RC濾波、LC濾波等等，圖1為采用電容濾波電路的信號(hào)曲線。

圖1 電容濾波電路的信號(hào)曲線

    硬件濾波的優(yōu)點(diǎn)在于我們?cè)诔绦蛑胁辉傩枰�進(jìn)行復(fù)雜的程序處理，而且數(shù)據(jù)變化響應(yīng)性高；而軟件濾波的優(yōu)勢(shì)在于不需要硬件的投入，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，對(duì)于不同的信號(hào)干擾可以很方便的調(diào)整軟件參數(shù)達(dá)到濾波效果，雖然有些方法在信號(hào)處理上會(huì)有一定的滯后，但只要合理使用各種不同的濾波方式則完全避免因此而帶來(lái)的影響。
2.2 數(shù)字軟件濾波優(yōu)點(diǎn)
(1)  數(shù)字濾波用軟件實(shí)現(xiàn)，不需要增加硬設(shè)備，因而可靠性高、穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問(wèn)題。
(2)  模擬濾波通常是各通道專用，而數(shù)字濾波則可多通道共享，從而降低了成本。
(3)  數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低(如0.01 Hz)的信號(hào)進(jìn)行濾波，而模擬濾波由于受電容容量的限制，頻率不可能太低。
(4)  數(shù)字濾波可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。
2       實(shí)現(xiàn)軟件濾波的方法
軟件濾波有很多種方法，主要是針對(duì)不同干擾信號(hào)采取不同的方法將其消除，這里列舉了一些方法并針對(duì)性說(shuō)明有缺點(diǎn)，使大家可以正確選擇采用的濾波方法。
3.1限幅濾波法
（1）方法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)為A），每次檢測(cè)到新值時(shí)判斷：如果本次值與上次值之差<=A,則本次值有效；如果本次值與上次值之差>A,則本次值無(wú)效,放棄本次值,用上次值代替本次值。
（2）優(yōu)點(diǎn)。能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。
（3）缺點(diǎn)。無(wú)法抑制周期性的干擾，平滑度較差。
（4）分析。限幅濾波法是比較簡(jiǎn)單易行的一種方法，難點(diǎn)在于需要由經(jīng)驗(yàn)判斷合理的偏差值，如果偏差值設(shè)小了，起不到濾波作用，設(shè)定過(guò)大，將不能及時(shí)采集外部信號(hào)的細(xì)小變化。
3.2中位值濾波法
（1）方法。連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)），把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。
（2）優(yōu)點(diǎn)。能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)溫度、液位的變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果
（3）缺點(diǎn)。對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。
（4）分析。采樣次數(shù)決定了濾波效果，次數(shù)越大，濾波作用越大，但不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速響應(yīng)。
3.3算術(shù)平均濾波法
（1）方法。連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。N值較大時(shí)：信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)：信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高。N值的選取：流量，N=12；壓力：N=4。
（2）優(yōu)點(diǎn)。適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，這樣信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)。
（3）缺點(diǎn)。對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用，比較浪費(fèi)RAM。
3.4遞推平均濾波法
（1）方法。連續(xù)取N個(gè)采樣值，作為一個(gè)隊(duì)列，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾,并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算,就可獲得新的濾波結(jié)果。N值的選取：流量，N=12；壓力：N=4；液面，N=4～12；溫度，N=1～4。
（2）優(yōu)點(diǎn)。對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。
（3）缺點(diǎn)。靈敏度低，對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，比較浪費(fèi)RAM。
3.5一階滯后濾波法
（1）方法。取a=0～1，本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果。
（2）優(yōu)點(diǎn)。對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合。
（3）缺點(diǎn)。相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號(hào)。
3.6消抖濾波法
（1）方法。設(shè)置一個(gè)濾波計(jì)數(shù)器，將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較：如果采樣值＝當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器清零；如果采樣值<>當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器+1，并判斷計(jì)數(shù)器是否>=上限N(溢出)；如果計(jì)數(shù)器溢出,則將本次值替換當(dāng)前有效值,并清計(jì)數(shù)器。
（2）優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有較好的濾波效果,可避免在臨界值附近控制器的反復(fù)開(kāi)/關(guān)跳動(dòng)或顯示器上數(shù)值抖動(dòng)。
（3）缺點(diǎn)。對(duì)于快速變化的參數(shù)不宜，如果在計(jì)數(shù)器溢出的那一次采樣到的值恰好是干擾值,則會(huì)將干擾值當(dāng)作有效值導(dǎo)入系統(tǒng)。
3       臺(tái)達(dá)PLC軟件濾波應(yīng)用
上面簡(jiǎn)單描述了六種濾波的方法，實(shí)際上濾波的方法很多，而且針對(duì)不同的信號(hào)可以將兩種或三種方法綜合使用以滿足信號(hào)處理的要求。
臺(tái)達(dá)PLC的模擬量采集主要有模塊和混合型主機(jī)兩種。
4.1使用模擬量采集模塊
    臺(tái)達(dá)模擬量模塊分為兩大類，-S和-H，分別配合SS/SA/SC主機(jī)和EH主機(jī)，如DVP04AD-S、DVP06XA-S、DVP04PT-S、DVP04TC-S為-S模塊，DVP04AD-H、DVP06XA-H、DVP04PT-H、DVP04TC-H為-H為-H模塊。無(wú)論哪一款模塊，對(duì)應(yīng)模塊每個(gè)輸入通道都有軟件濾波功能，也就是模塊內(nèi)部控制寄存器中的平均次數(shù)設(shè)置（通道獨(dú)立），在此采用的是遞推平均濾波法，設(shè)置的次數(shù)是上文中提到的采樣N值，可以設(shè)置1～20，不同的濾波系數(shù)適應(yīng)不同的信號(hào)，另外當(dāng)輸入有雜波造成配線受噪聲干擾時(shí)還可以連接0.1～0.47 μF 25V做電容濾波，即硬件濾波，如圖2所示。

 
圖2 硬件濾波

4.2  混合型主機(jī)
    臺(tái)達(dá)也提供集成模擬量的主機(jī)類型，主要有DVP20EX（8DI/6DO/4AI/2AO）和DVP10SX(4DI/2DO/2AI/2AO)，以及在EH主機(jī)上可以擴(kuò)展F2AD卡作為模擬量采集，在PLC中有平均次數(shù)設(shè)置的內(nèi)部特殊寄存器D1062，可以設(shè)置1～4作軟件濾波，同樣的采用的也是遞推平均濾波法。
可以看出，臺(tái)達(dá)PLC作為工業(yè)控制產(chǎn)品，在模擬量采集的處理上作了比較完善的軟、硬件處理滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)然并不是說(shuō)他能滿足所有的信號(hào)處理，特別是混合型主機(jī)的平均次數(shù)比較少，因此可能在某些場(chǎng)合不能滿足要求，在此基礎(chǔ)上我們可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的不同特性在程序中作濾波處理。
4.3 基于臺(tái)達(dá)PLC的一階滯后濾波程序設(shè)計(jì)
    下面是以燃煤熱水鍋爐系統(tǒng)的爐膛微負(fù)壓為設(shè)計(jì)背景，用臺(tái)達(dá)PLC編制的一個(gè)一階滯后濾波程序案例，以此簡(jiǎn)單介紹濾波程序的編寫(xiě)方法。
    案例采用氧化硅壓力傳感器測(cè)量，由于爐膛負(fù)壓是一個(gè)較小的壓力量，大概在正負(fù)幾百帕之間，很容易受到外界影響（如鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等），因此這是一個(gè)波動(dòng)較大的采集量，如果直接使用采集值，波動(dòng)將很大（可能是正負(fù)幾十帕的波動(dòng)），根本沒(méi)有辦法調(diào)節(jié)控制到正負(fù)20Pa，因此必須對(duì)采集值作處理，減小其周期性波動(dòng)才能完成控制。
一階滯后濾波算法公式：
濾波后輸出值=（1-A）* 本次采樣值 + A*上次濾波結(jié)果
其中A為濾波系數(shù)，范圍是0～1
程序中各寄存器定義：
D0: 濾波系數(shù)A
D2: 1- A
D4: “（1-A）* 本次采樣值”的運(yùn)算結(jié)果
D6：“A*上次濾波結(jié)果”的存儲(chǔ)寄存器
D50：上次濾波暫存值
D110: 采集值通過(guò)FLT指令轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)
D150：濾波后結(jié)果

    程序中主要是將直接采集值經(jīng)過(guò)上述公式的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算得到濾波后結(jié)果，從算法中可以看出，當(dāng)濾波系數(shù)為0時(shí)，就是當(dāng)前的采集值，而濾波系數(shù)越大，濾波作用越強(qiáng)。程序運(yùn)行后可以看到，當(dāng)采集值D110有變化時(shí)，濾波值是逐漸逼向當(dāng)前采集值，因此對(duì)于突波信號(hào)具有抑制作用，使采集值比較穩(wěn)定，減小波動(dòng)。 
5      結(jié)束語(yǔ)
    本文介紹了6種數(shù)字軟件濾波算法和臺(tái)達(dá)PLC如何實(shí)現(xiàn)濾波的程序編制，每種濾波算法都有其各自的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的測(cè)量參數(shù)合理的選用。不適當(dāng)?shù)貞?yīng)用數(shù)字濾波，不僅達(dá)不到濾波效果，反而會(huì)降低控制品質(zhì)，甚至失控，這點(diǎn)必須予以注意。
    在案例中通過(guò)一階滯后濾波算法得到的濾波結(jié)果，大大消除了采集值的波動(dòng)，使負(fù)壓控制相對(duì)穩(wěn)定，得到較好的控制效果。