PLC控制系统中模拟量采样的数字滤波算法研究

1、测试与控制0引言可编程序控制器(Programmable Logic Controller ,简称PLC 是近年来常用的工业控制设备,因为它具有结构灵活,配置简便,可靠性高等特点,所以在各行各业中都得到了广泛的应用。PLC 除了可以对开关量控制外,还可以进行模拟量的处理。典型的PLC 模拟量处理是将工业现场的各种被控对象(如温度、压力、流量、液位等通过对应的传感器将其变换为一标准的模拟电量(常见的是电压、电流,然后经过模拟量/数字量转换器(A/D Converter 转换成数字量。为了消除工业现场瞬时干扰对模拟量信号的影响,提高模/数转换的准确度,就必须在硬件和软件上采取相应的抗干扰措施。在硬

2、件上,抗干扰的措施一般是在布线时将信号传输线和动力线分开布线,信号传输线采取屏蔽处理。而在软件中采取的抗干扰措施一般是数字滤波算法1,即将模拟量/数字量转换结果进行过滤处理,力争将干扰信号产生的影像降到最低。PLC 常用的数字滤波算法是平均值计算法2,即对采样和模拟量/数字量转换得到的个数据求平均值,以此平均值作为模拟量/数字量转换的最终结果进行处理。基本的求平均值算法分三种,分别为:算术平均值法,滑动平均值法,防脉冲干扰平均值法3,4。1算术平均值法算术平均值法的算法公式为:X=1NNi =1!Xi其中:N 采样次数;X i 第i 次采样值;X 平均值。算术平均值算法可以通过图1所示的程序流

3、程图来实现。算术平均值法适用于对一般的具有随机干扰信号的滤波,特别适用于信号本身在某一数字范围附近作上下波动的情况,如流量、液位等信号的测量。算术平均值法对信号的平滑滤波程度完全取决于。当较大时,平滑度高,但灵敏度低,即模拟量信号的变化对计算结果的影响小。当较小时,平滑度较低,但灵敏度高。的选择应该根据具体情况而定,一般情况下,流量检测取值范围可以为1020,液位检测取值范围可以为815,压力检测取值范围可以为485。2滑动平均值法对算术平均值法,每计算一次平均值,需要等到采样N 次结束,才能进行计算处理。这种算法对于测量速度较慢或要求实时性较强的控制系统是不能使用的。滑动平均值法能够克服算术

4、平均值法的低速度,它采用数据队列作为数据计算平均值的原始数据。数据队列的长度固定为N ,每进行一次新的采样,就把最新采样结果放在队列的尾部,将原来队列首位的采样结果扔掉,这样在数据队列中始终保留着个最新的采样结果。PLC 控制系统中模拟量采样的数字滤波算法研究闫虎民1,张永飞2(1.天津工程师范学院,天津300222;2.天津职业大学,天津300402摘要:PLC 控制系统中对模拟量的采集和处理得到了广泛的应用,如果能够采用合理的数字滤波算法,就可以将信号采集过程中的干扰因素降到最低,从而保证系统的安全可靠运行。关键词:PLC ;模拟量/数字量转换;数字滤波;算法中图分类号:TP21文献标识码

5、:A文章编号:1002-6673(200704-136-02机电产品开发与创新Development &Innovation of Machinery &Electrical ProductsVol.20,No.4July.,2007第20卷第4期2007年7月收稿日期:2007-06-11作者简介:闫虎民(1974-,男,实验师,陕西韩城人,工学学士。主要研究方向:自动控制、PLC 控制、微机控制。图1算术平均值法进行数值滤波Fig.1Digital filter based on arithmetic average method数据寄存器清零采样次数清零采样数据送入数据寄

6、存器采样次数足够否是采样数据求和求平均值136测试与控制Research on Digital Filter Algorithms of Analog Sampling in PLC Control SystemYAN Hu-Min 1,ZHANG Yong-Fei 2(1.Tianjin University of Technology and Education ,Tianjin 300222,China ;2.Tianjin Professional College ,Tianjin 300402,China Abstract:Collection and processing of a

7、nalog in PLC control system are widely used.Interfering factors of signal collecting process are re-duced to the minimum can ensure the system security and reliability,if rational digital filter algorithms is adopted.Key words:PLC ;A/D converter ;digital filter ;algorithms计算平均值时,只要将队列中的N 个数据进行算术平均计算

8、,就可得到最新的算术平均值。这样每进行一次采样,就可以经过计算得到一个新的算术平均值6。滑动平均值算法可以通过图2所示的程序流程图来实现。需要注意的是,在初始化数据块时一定要将第一次的采样数据填充进所有的采样数据寄存器中,然后进行数据块移位,将最早的采样数据移除,将最近的采样数据补充进来,然后进行求平均值。3强抗干扰平均值法在工业现场工作的控制设备时常会产生电磁脉冲,这种电磁脉冲的宽度极窄,幅值极大,因此,这种干扰只影响个别采样数据,并且受干扰的采样数据与相邻的采样数据相差极大。如果采用算术平均值法或滑动平均值法,受干扰的采样数据将会对计算结果产生较大的影响,并不能起到很好的抗干扰效果。强抗干

9、扰平均值法的基本思想是:先对欲进行平均值算法的个数据进行比较,去掉其中的最大值和最小值,然后将剩余的N-2个数据进行平均计算7。在实际应用中,为了加快计算速度,取值不宜太大8。强抗干扰平均值算法可以通过图3所示的程序流程图来实现。4结束语数字滤波算法是数字控制系统中处理模拟量信号常用的抗干扰措施。抗干扰措施不仅是硬件系统应进行的工作,也是软件设计的一项重要内容。在实际的PLC 应用系统中,有些公司生产的PLC 智能化A/D 转换模块(如A68AD 模块内部已经集成了数字滤波算法,用户只要选择合适的算法参数,就可以直接读取经过数字滤波算法处理的数据,不用编写专门的数字滤波程序。数字滤波算法有多种

10、实现方式,除了以上常见的平均值滤波算法外,还有加权平均值法等,并且在实际应用中,可以将几种算法组合起来使用,可以得到更好的效果。数字滤波算法不仅仅局限在PLC 控制系统中应用,在其它数字控制系统,如单片机控制系统,DSP 控制系统等也可以应用,使系统的抗干扰能力得到极大的加强。参考文献:1贺洪江,王柏盛.关于数据采集和数字滤波的研究J.工矿自动化,2004,3.2任克强,刘晖.微机控制系统的数字滤波算法J.现代电子技术,2003,3.3郑涛,石秀华,许晖.数字滤波新方法尝试与验证J.测控技术,2004,4.4杨明,狄卫国,牛江川.智能微机系统中的数字滤波算法研究J.仪表技术,2003,1.5郏东耀,杨雷,丁天怀.数字滤波抗干扰技术在A/D 转换中的应用J.半导体技术,2003,8.6杨克远,周丽佩,赵越,刘书国.一种改进的数字滤波方法J.大庆石油学院学报,2003,2.7向红军,雷彬.基于单片机系统的数字滤波方法的研究J.电测与仪表,2005,9.8周英武,王苏岩,李宏男.结构试验中一种高保真的数字滤波算法J.重庆建筑大学学报,2006,6.图2滑动平均值法进行数值滤波Fig.2Digital filter based on sliding average method图3强抗干扰平均值法进行数值滤波