數(shù)字濾波在ABB DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 穎

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數(shù)字濾波在ABB DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 穎

大唐蘇州熱電有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215214

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電廠熱控技術(shù)與工藝也在不斷更新和進(jìn)步。結(jié)合多年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)，主要闡述了DCS系統(tǒng)的抗干擾問(wèn)題。

ABB；DCS；數(shù)字濾波

在DCS控制系統(tǒng)中的微機(jī)控制系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中，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。

噪聲有2大類：一類為周期性的信號(hào)，其典型代表為50?Hz的工頻干擾。對(duì)于這類信號(hào)，采用積分時(shí)間等于20?ms整倍數(shù)的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，可以有效地消除其影響。另一類為非周期的不規(guī)則隨機(jī)信號(hào)。對(duì)于隨機(jī)干擾，可以用數(shù)字濾波方法予以削弱或?yàn)V除。

我們可對(duì)同一數(shù)據(jù)多次采樣，然后對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果符合條件后才確認(rèn)有效。這樣可提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[1]。

1 常用的數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器是將一組輸入數(shù)字序列進(jìn)行一定的運(yùn)算而轉(zhuǎn)換成另一組輸出數(shù)字序列的裝置。工程上的數(shù)字濾波方法很多，常用的主要有：限幅濾波法、中間值濾波法、平均值濾波法、慣性濾波法以及復(fù)合數(shù)字濾波法等。

1.1 限幅濾波法

限幅濾波把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對(duì)值表示），然后與兩次采樣允許的最大差值（由被控對(duì)象的實(shí)際情況決定）ΔY進(jìn)行比較：若小于或等于ΔY，則取本次采樣值；若大于ΔY，則仍取上次采樣值作為本次采樣值。

限幅濾波法的公式為：

限幅濾波法能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，但無(wú)法抑制周期性的干擾，平滑度差[2]。

1.2 中間值濾波法

中值濾波是對(duì)某一被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣N次（一般N取奇數(shù)），然后把N次采樣值從小到大，或從大到小排隊(duì)，再取其中間值作為本次采樣值。

中值濾波對(duì)去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈沖干擾比較有效，對(duì)變化緩慢的被測(cè)參數(shù)采用此法能收到良好的濾波效果，但對(duì)快速變化的參數(shù)一般不易采用。

1.3 平均值濾波法

1.3.1算術(shù)平均值濾波法

適用于一般的隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波。采樣次數(shù)越多，濾波效果越明顯。算術(shù)平均值濾波公式如下：

算術(shù)平均值法適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近作上下波動(dòng)。但對(duì)脈沖性干擾的平滑作用尚不理想，因此對(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)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。算術(shù)平均值法對(duì)信號(hào)的平滑濾波程度完全取決于N。當(dāng)N較大時(shí)，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號(hào)的變化對(duì)測(cè)量計(jì)算結(jié)果Y的影響小；當(dāng)N較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。應(yīng)視具體情況選取N，以便既少占用計(jì)算時(shí)間，又達(dá)到最好的效果，如對(duì)一般流量測(cè)量，可取N=8～16，對(duì)壓力等測(cè)量，可取N=4。

1.3.2加權(quán)平均值濾波

對(duì)于算術(shù)平均值濾波，各個(gè)采樣值在采樣的結(jié)果中所占的比重是相同的。為了提高采樣效果，各采樣值選取不同的比重，這就是加權(quán)平均濾波。加權(quán)平均濾波法可以突出或抑制某一部分信號(hào)。具有N次采樣的加權(quán)平均濾波公式為：

加權(quán)平均值濾波適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對(duì)象和采樣周期較短的系統(tǒng)。對(duì)于純滯后時(shí)間常數(shù)較小，采樣周期較長(zhǎng)，變化緩慢的信號(hào)不能迅速反映系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差。

1.4 慣性值濾波法

慣性濾波法依據(jù)本次采樣值與歷史采樣值的可信程度比較結(jié)果來(lái)分配其在濾波值所占的比例。如果新采樣的可信度大一些，則可在濾波值中所占的比例高一些，否則低一些。其數(shù)字表達(dá)式為

1.5 消抖濾波法

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，并清零計(jì)數(shù)器。

消抖濾波法對(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)。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]。

1.6 復(fù)合數(shù)字濾波法

為了進(jìn)一步提高濾波效果，有時(shí)可以把兩種或兩種以上不同濾波功能的數(shù)字濾波器組合起來(lái)，組成復(fù)合數(shù)字濾波器，或稱多級(jí)數(shù)字濾波器。

2 ABB DCS系統(tǒng)數(shù)字濾波技術(shù)

DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理要求較高，所以不能用單一的濾波方法在DCS中進(jìn)行濾波。為了更好地滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，先設(shè)計(jì)一款符合數(shù)字濾波器的剔峰均值濾波法。

如此按照預(yù)定的采樣周期，每采樣一次，都要用N個(gè)采樣值來(lái)計(jì)算當(dāng)前的濾波值；每加一個(gè)新的采樣值，采樣數(shù)列就會(huì)向前平移一次，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次濾波求值。由于剔峰均值濾波法是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來(lái)判別真?zhèn)危雍侠硪哺戏蠈?shí)際應(yīng)用。剔峰均值濾波法在ABB DCS系統(tǒng)中工程組態(tài)見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

圖1 數(shù)據(jù)采樣

圖2 求均方差

圖3 濾波

濾波前后的效果見(jiàn)圖4。

圖4 濾波前后溫度曲線

圖4中藍(lán)色曲線為濾波前的數(shù)值，紅線為濾波后的數(shù)值。由圖4可以看出，濾波器對(duì)正向和負(fù)向擾動(dòng)均有很好的濾波效果。當(dāng)最后一個(gè)擾動(dòng)頻率小于濾波頻率時(shí)，濾波器將擾動(dòng)值判斷為有效，輸出值為當(dāng)前的采樣值[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字濾波是多學(xué)科相互交融的復(fù)雜系統(tǒng)工程。數(shù)字濾波器的可靠性與穩(wěn)定性在實(shí)際應(yīng)用中可以進(jìn)一步體現(xiàn)，具體優(yōu)勢(shì)有：（1）數(shù)字濾波器是用軟件實(shí)現(xiàn)的，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）模擬濾波器通常是各通道專用，而數(shù)字濾波器則可多通道共享，從而降低了成本。（3）數(shù)字濾波器可以根據(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)。

在DCS系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的測(cè)量參數(shù)合理選用。數(shù)字濾波的選用要結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況因地制宜地制訂相關(guān)方案，達(dá)到穩(wěn)定且理想的效果。

[1]朱延釗.PLC輸入信號(hào)的濾波方法[J].信息化研究，2006，32（10）：79-80.

[2]楊紅梅，馬茂冬. PLC系統(tǒng)中的數(shù)字濾波技術(shù)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2007，26（12）：70-72.

[3]王瓊.可編程序控制器系統(tǒng)的抗干擾及其措施[J].大眾科技，2005（8）：42-43.

[4]肖淑英.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的抗干擾措施[J].儀器儀表用戶，2005，12（1）：115-116.

The Application of Digital Filtering in ABB DCS System

Zhang Ying

Datang Suzhou Thermal Power Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215214

With the continuous development of science and technology, the thermal control technology and technology of the power plant are constantly updating and progressed. Combined with years of work experience, the anti-interference problem of DCS system is mainly discussed.

ABB; DCS; Digital filtering

TH115；TP273+.5

A

1009-6434（2017）10-0067-03