數字濾波在ABB DCS系統中的應用

張 穎

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數字濾波在ABB DCS系統中的應用

張 穎

大唐蘇州熱電有限責任公司，江蘇 蘇州 215214

隨著科學技術的不斷發展，電廠熱控技術與工藝也在不斷更新和進步。結合多年來的工作經驗，主要闡述了DCS系統的抗干擾問題。

ABB；DCS；數字濾波

在DCS控制系統中的微機控制系統的模擬輸入信號中，為了進行準確測量和控制，必須消除被測信號中的噪聲和干擾。

噪聲有2大類：一類為周期性的信號，其典型代表為50?Hz的工頻干擾。對于這類信號，采用積分時間等于20?ms整倍數的雙積分A/D轉換器，可以有效地消除其影響。另一類為非周期的不規則隨機信號。對于隨機干擾，可以用數字濾波方法予以削弱或濾除。

我們可對同一數據多次采樣，然后對采樣數據進行運算，結果符合條件后才確認有效。這樣可提高系統運行的可靠性[1]。

1 常用的數字濾波器

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

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（以絕對值表示），然后與兩次采樣允許的最大差值（由被控對象的實際情況決定）ΔY進行比較：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

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

中值濾波對去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩定而造成的誤差所引起的脈沖干擾比較有效，對變化緩慢的被測參數采用此法能收到良好的濾波效果，但對快速變化的參數一般不易采用。

1.3 平均值濾波法

1.3.1算術平均值濾波法

適用于一般的隨機干擾信號的濾波。采樣次數越多，濾波效果越明顯。算術平均值濾波公式如下：

算術平均值法適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波。這種信號的特點是有一個平均值，信號在某一數值范圍附近作上下波動。但對脈沖性干擾的平滑作用尚不理想，因此對于測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實時控制不適用，比較浪費隨機存取存儲器。算術平均值法對信號的平滑濾波程度完全取決于N。當N較大時，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號的變化對測量計算結果Y的影響??；當N較小時，平滑度低，但靈敏度高。應視具體情況選取N，以便既少占用計算時間，又達到最好的效果，如對一般流量測量，可取N=8～16，對壓力等測量，可取N=4。

1.3.2加權平均值濾波

對于算術平均值濾波，各個采樣值在采樣的結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，這就是加權平均濾波。加權平均濾波法可以突出或抑制某一部分信號。具有N次采樣的加權平均濾波公式為：

加權平均值濾波適用于有較大純滯后時間常數的對象和采樣周期較短的系統。對于純滯后時間常數較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號不能迅速反映系統當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差。

1.4 慣性值濾波法

慣性濾波法依據本次采樣值與歷史采樣值的可信程度比較結果來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。其數字表達式為

1.5 消抖濾波法

設置一個濾波計數器將每次采樣值與當前有效值比較：如果采樣值=當前有效值，則計數器清零；如果采樣值<>當前有效值，則計數器+1，并判斷計數器是否>=上限N（溢出）；如果計數器溢出，則將本次值替換當前有效值，并清零計數器。

消抖濾波法對于變化緩慢的被測參數有較好的濾波效果，可避免在臨界值附近控制器的反復開/關跳動或顯示器上數值抖動。對于快速變化的參數不宜，如果在計數器溢出的那一次采樣到的值恰好是干擾值，則會將干擾值當作有效值導入系統[3]。

1.6 復合數字濾波法

為了進一步提高濾波效果，有時可以把兩種或兩種以上不同濾波功能的數字濾波器組合起來，組成復合數字濾波器，或稱多級數字濾波器。

2 ABB DCS系統數字濾波技術

DCS系統數據處理要求較高，所以不能用單一的濾波方法在DCS中進行濾波。為了更好地滿足現場要求，先設計一款符合數字濾波器的剔峰均值濾波法。

如此按照預定的采樣周期，每采樣一次，都要用N個采樣值來計算當前的濾波值；每加一個新的采樣值，采樣數列就會向前平移一次，準備進行下一次濾波求值。由于剔峰均值濾波法是通過統計學的方法來判別真偽，更加合理也更合符合實際應用。剔峰均值濾波法在ABB DCS系統中工程組態見圖1、圖2、圖3。

圖1 數據采樣

圖2 求均方差

圖3 濾波

濾波前后的效果見圖4。

圖4 濾波前后溫度曲線

圖4中藍色曲線為濾波前的數值，紅線為濾波后的數值。由圖4可以看出，濾波器對正向和負向擾動均有很好的濾波效果。當最后一個擾動頻率小于濾波頻率時，濾波器將擾動值判斷為有效，輸出值為當前的采樣值[4]。

3 結束語

數字濾波是多學科相互交融的復雜系統工程。數字濾波器的可靠性與穩定性在實際應用中可以進一步體現，具體優勢有：（1）數字濾波器是用軟件實現的，不需要增加硬設備，因而可靠性高、穩定性好，不存在阻抗匹配問題。（2）模擬濾波器通常是各通道專用，而數字濾波器則可多通道共享，從而降低了成本。（3）數字濾波器可以根據信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數，具有靈活、方便、功能強的特點。

在DCS系統實際應用中，應根據具體的測量參數合理選用。數字濾波的選用要結合項目的實際情況因地制宜地制訂相關方案，達到穩定且理想的效果。

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

[2]楊紅梅，馬茂冬. PLC系統中的數字濾波技術[J]. 自動化技術與應用，2007，26（12）：70-72.

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

[4]肖淑英.計算機控制系統中的抗干擾措施[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