化工生產中模擬數據的濾波技術研究

閔勝軍

摘 要：簡述了化工領域現場環境對模擬信號產生的各種干擾，詳細介紹了數字濾波技術對于不同類型信號的處理方法及效果。對化工自動化系統設計及安裝維護具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：模擬信號；濾波；可靠性

目前，化工生產中的過程參數如溫度、壓力、流量、液位等隨著化工工藝規模的擴大，此類數據越來越多，常見的處理方式是用傳感器將這些信號轉化為電流型或電壓型標準模擬信號，再通過A/D轉換變成PLC程序中可以使用的數字量。實際應用中，由于化工生產環境的復雜常造成模擬量不穩定或者失真。

1 信號不穩定及失真的分析

⑴電磁干擾造成模擬量不穩定或失真的常見原因主要有傳感器的信號地和模擬量信號輸入模塊的電源地沒有連接，從而產生了一個很高的上下振動的共模電壓，影響模擬量輸入值穩定。具體處理方法一般應將模擬量模塊公共地M端和輸入信號的負端連接到一起，以消除共模電壓過大而帶來的干擾。

⑵模擬量信號傳輸距離過長造成信號衰減，或絕緣屏蔽不好引入干擾。電壓型的模擬量信號，由于輸入端的內阻很高（模擬量模塊為10兆歐），極易引入干擾，所以用在控制設備柜內電位器設置，或者距離非常近、電磁環境好的場合。電流型信號不容易受到傳輸線沿途的電磁干擾，應用較為廣泛。對于傳輸線路應使用有屏蔽層的信號線，屏蔽層應保證良好接地。

⑶現場干擾也是造成信號不穩定或失真的重要原因，因為外界輸入的模擬信號比較容易受現場電磁波動、噪聲的干擾如動力電路、變頻器、變壓器、鎮流器等大功率有電磁波輻射的干擾源極易引起信號的不穩定和失真，所以信號傳輸線路與動力線路應分開布置，且盡量遠離變頻器等大功率有電磁波輻射的干擾源。必需對變頻器、變壓器、鎮流器等強磁部分進行金屬屏蔽。PLC的機殼最好也實行屏蔽，即將PLC機殼與電氣柜浮空，在PLC機殼板上加裝等電位屏蔽外殼，來有效的消除電磁干擾。另外，在必要情況下，對外界輸入信號連接適當的濾波電路，比如：RC或LC低通濾波電路。

2 濾波技術

為了最大程度消除現場對模擬信號的干擾，除了采取一定的硬件措施外，還可以根據不同信號自身的特點采取各種數字濾波方法。其本質就是編制一段程序通過判斷和計算，降低模擬信號中干擾成分的比重。與模擬濾波器相比，數字濾波不需要購買新硬件，可靠性穩定性高，不受現場環境、溫度及濕度的影響。模擬濾波器對頻率很低的信號由于電容容量制約不能處理，而數字濾波對于此類信號處理效果也很好，多通道共享，降低成本，沒有阻抗匹配問題。針對不同的信號，數字濾波可以設計不同的濾波參數。

2.1 高速變化信號

高速變化信號不適合設定比較復雜、需要時間較長的濾波方法。以現場選用S7-200PLC的用戶為例，模擬量濾波功能可不必再另行編制濾波程序[1]。因為其內部帶有平均值濾波和死區值設定功能，可供用戶選用。如果對某個通道選用了模擬量濾波，CPU將在每一程序掃描周期前自動讀取模擬量輸入值，這個值就是濾波后的值，是所設置的采樣數的平均值。另外還設置有一個模擬量采樣數及死區值，這個參數的設置，定義了計算模擬量平均值的取值范圍。如果采樣值都在這個范圍內，就計算采樣數所設定的平均值；如果當前最新采樣的值超過了死區的上限或下限，則該值立刻被采用為當前的新值，并作為以后平均值計算的起始值。這就允許濾波器對模擬量值的大的變化有一個快速響應。死區值設為0，表示禁止死區功能，即所有的值都進行平均值計算，不管該值有多大的變化。對于快速響應要求，不要把死區值設為0，而把它設為可預期的最大的擾動值。這個設置對所有模擬量信號輸入通道有效。某個通道如不選濾波，則CPU不會在程序掃描周期開始時讀取平均濾波值，而在用戶程序訪問此模擬量通道時，直接讀取當時實際值。

2.2 變化緩慢信號

⑴限時濾波。對于來自現場的輸入信號的干擾，可以通過對PLC的CPU單元上的全部或部分數字量輸入點，合理地定義輸入信號延遲時間，如西門子的某款PLC，輸入延遲時間的范圍為0.2～12.8ms，系統的默認值是6.4ms。通過定義延遲時間，可以有效地抑制或消除輸入噪聲的影響。

⑵限幅濾波法。根據具體情況和經驗判斷，設定兩次采樣允許的最大偏差值（設為Max）若采樣的新值與上次值之差<=Max，則本次值有效，否則本次值無效，要保持原值。這種方法能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，卻無法抑制周期性的非脈沖干擾。

⑶算術平均值濾波。對N個連續采樣值求算術平均，取平均值作為有效值。若N值取得太大，信號平滑度雖高，靈敏度卻較低。此法適用于信號在某一數值范圍附近上下波動的情況，可以對具有隨機干擾的信號進行濾波。

⑷滑動平均值濾波。采樣到的連續取N個數，組成一個數列，數列的長度固定為N，每次采樣到一個新數據放入隊尾，并扔掉原來隊首的一個數，再對N個數據求算術平均運算，這種方法對周期性干擾有良好的抑制作用[2]。平滑度高，適用于高頻振蕩的系統，但對偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用較差。

⑸復合濾波。根據現場信號的實際情況需要，將多種濾波方法組合在一起實現想要的濾波功能。

[參考文獻]

[1]陶亦亦.PLC輸入信號的濾波方法[J].蘇州市職業大學學報，2000（02）.

[2]曹小益.PLC模擬量的應用[J].科技資訊，2006（02）.