化工生产中模拟数据的滤波技术研究

闵胜军

摘 要：简述了化工领域现场环境对模拟信号产生的各种干扰，详细介绍了数字滤波技术对于不同类型信号的处理方法及效果。对化工自动化系统设计及安装维护具有一定的借鉴意义。

关键词：模拟信号；滤波；可靠性

目前，化工生产中的过程参数如温度、压力、流量、液位等随着化工工艺规模的扩大，此类数据越来越多，常见的处理方式是用传感器将这些信号转化为电流型或电压型标准模拟信号，再通过A/D转换变成PLC程序中可以使用的数字量。实际应用中，由于化工生产环境的复杂常造成模拟量不稳定或者失真。

1 信号不稳定及失真的分析

⑴电磁干扰造成模拟量不稳定或失真的常见原因主要有传感器的信号地和模拟量信号输入模块的电源地没有连接，从而产生了一个很高的上下振动的共模电压，影响模拟量输入值稳定。具体处理方法一般应将模拟量模块公共地M端和输入信号的负端连接到一起，以消除共模电压过大而带来的干擾。

⑵模拟量信号传输距离过长造成信号衰减，或绝缘屏蔽不好引入干扰。电压型的模拟量信号，由于输入端的内阻很高（模拟量模块为10兆欧），极易引入干扰，所以用在控制设备柜内电位器设置，或者距离非常近、电磁环境好的场合。电流型信号不容易受到传输线沿途的电磁干扰，应用较为广泛。对于传输线路应使用有屏蔽层的信号线，屏蔽层应保证良好接地。

⑶现场干扰也是造成信号不稳定或失真的重要原因，因为外界输入的模拟信号比较容易受现场电磁波动、噪声的干扰如动力电路、变频器、变压器、镇流器等大功率有电磁波辐射的干扰源极易引起信号的不稳定和失真，所以信号传输线路与动力线路应分开布置，且尽量远离变频器等大功率有电磁波辐射的干扰源。必需对变频器、变压器、镇流器等强磁部分进行金属屏蔽。PLC的机壳最好也实行屏蔽，即将PLC机壳与电气柜浮空，在PLC机壳板上加装等电位屏蔽外壳，来有效的消除电磁干扰。另外，在必要情况下，对外界输入信号连接适当的滤波电路，比如：RC或LC低通滤波电路。

2 滤波技术

为了最大程度消除现场对模拟信号的干扰，除了采取一定的硬件措施外，还可以根据不同信号自身的特点采取各种数字滤波方法。其本质就是编制一段程序通过判断和计算，降低模拟信号中干扰成分的比重。与模拟滤波器相比，数字滤波不需要购买新硬件，可靠性稳定性高，不受现场环境、温度及湿度的影响。模拟滤波器对频率很低的信号由于电容容量制约不能处理，而数字滤波对于此类信号处理效果也很好，多通道共享，降低成本，没有阻抗匹配问题。针对不同的信号，数字滤波可以设计不同的滤波参数。

2.1 高速变化信号

高速变化信号不适合设定比较复杂、需要时间较长的滤波方法。以现场选用S7-200PLC的用户为例，模拟量滤波功能可不必再另行编制滤波程序[1]。因为其内部带有平均值滤波和死区值设定功能，可供用户选用。如果对某个通道选用了模拟量滤波，CPU将在每一程序扫描周期前自动读取模拟量输入值，这个值就是滤波后的值，是所设置的采样数的平均值。另外还设置有一个模拟量采样数及死区值，这个参数的设置，定义了计算模拟量平均值的取值范围。如果采样值都在这个范围内，就计算采样数所设定的平均值；如果当前最新采样的值超过了死区的上限或下限，则该值立刻被采用为当前的新值，并作为以后平均值计算的起始值。这就允许滤波器对模拟量值的大的变化有一个快速响应。死区值设为0，表示禁止死区功能，即所有的值都进行平均值计算，不管该值有多大的变化。对于快速响应要求，不要把死区值设为0，而把它设为可预期的最大的扰动值。这个设置对所有模拟量信号输入通道有效。某个通道如不选滤波，则CPU不会在程序扫描周期开始时读取平均滤波值，而在用户程序访问此模拟量通道时，直接读取当时实际值。

2.2 变化缓慢信号

⑴限时滤波。对于来自现场的输入信号的干扰，可以通过对PLC的CPU单元上的全部或部分数字量输入点，合理地定义输入信号延迟时间，如西门子的某款PLC，输入延迟时间的范围为0.2～12.8ms，系统的默认值是6.4ms。通过定义延迟时间，可以有效地抑制或消除输入噪声的影响。

⑵限幅滤波法。根据具体情况和经验判断，设定两次采样允许的最大偏差值（设为Max）若采样的新值与上次值之差<=Max，则本次值有效，否则本次值无效，要保持原值。这种方法能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，却无法抑制周期性的非脉冲干扰。

⑶算术平均值滤波。对N个连续采样值求算术平均，取平均值作为有效值。若N值取得太大，信号平滑度虽高，灵敏度却较低。此法适用于信号在某一数值范围附近上下波动的情况，可以对具有随机干扰的信号进行滤波。

⑷滑动平均值滤波。采样到的连续取N个数，组成一个数列，数列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一个数，再对N个数据求算术平均运算，这种方法对周期性干扰有良好的抑制作用[2]。平滑度高，适用于高频振荡的系统，但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差。

⑸复合滤波。根据现场信号的实际情况需要，将多种滤波方法组合在一起实现想要的滤波功能。

[参考文献]

[1]陶亦亦.PLC输入信号的滤波方法[J].苏州市职业大学学报，2000（02）.

[2]曹小益.PLC模拟量的应用[J].科技资讯，2006（02）.