数字滤波在ABB DCS系统中的应用

张 颖



数字滤波在ABB DCS系统中的应用

张 颖

大唐苏州热电有限责任公司，江苏 苏州 215214

随着科学技术的不断发展，电厂热控技术与工艺也在不断更新和进步。结合多年来的工作经验，主要阐述了DCS系统的抗干扰问题。

ABB；DCS；数字滤波

在DCS控制系统中的微机控制系统的模拟输入信号中，为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。

噪声有2大类：一类为周期性的信号，其典型代表为50 Hz的工频干扰。对于这类信号，采用积分时间等于20 ms整倍数的双积分A/D转换器，可以有效地消除其影响。另一类为非周期的不规则随机信号。对于随机干扰，可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。

我们可对同一数据多次采样，然后对采样数据进行运算，结果符合条件后才确认有效。这样可提高系统运行的可靠性[1]。

1 常用的数字滤波器

数字滤波器是将一组输入数字序列进行一定的运算而转换成另一组输出数字序列的装置。工程上的数字滤波方法很多，常用的主要有：限幅滤波法、中间值滤波法、平均值滤波法、惯性滤波法以及复合数字滤波法等。

1.1 限幅滤波法

限幅滤波把两次相邻的采样值相减，求出其增量（以绝对值表示），然后与两次采样允许的最大差值（由被控对象的实际情况决定）ΔY进行比较：若小于或等于ΔY，则取本次采样值；若大于ΔY，则仍取上次采样值作为本次采样值。

限幅滤波法的公式为：

限幅滤波法能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，但无法抑制周期性的干扰，平滑度差[2]。

1.2 中间值滤波法

中值滤波是对某一被测参数连续采样N次（一般N取奇数），然后把N次采样值从小到大，或从大到小排队，再取其中间值作为本次采样值。

中值滤波对去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉冲干扰比较有效，对变化缓慢的被测参数采用此法能收到良好的滤波效果，但对快速变化的参数一般不易采用。

1.3 平均值滤波法

1.3.1算术平均值滤波法

适用于一般的随机干扰信号的滤波。采样次数越多，滤波效果越明显。算术平均值滤波公式如下：

算术平均值法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近作上下波动。但对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想，因此对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费随机存取存储器。算术平均值法对信号的平滑滤波程度完全取决于N。当N较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量计算结果Y的影响小；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。应视具体情况选取N，以便既少占用计算时间，又达到最好的效果，如对一般流量测量，可取N=8～16，对压力等测量，可取N=4。

1.3.2加权平均值滤波

对于算术平均值滤波，各个采样值在采样的结果中所占的比重是相同的。为了提高采样效果，各采样值选取不同的比重，这就是加权平均滤波。加权平均滤波法可以突出或抑制某一部分信号。具有N次采样的加权平均滤波公式为：

加权平均值滤波适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统。对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号不能迅速反映系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差。

1.4 惯性值滤波法

惯性滤波法依据本次采样值与历史采样值的可信程度比较结果来分配其在滤波值所占的比例。如果新采样的可信度大一些，则可在滤波值中所占的比例高一些，否则低一些。其数字表达式为

1.5 消抖滤波法

设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值=当前有效值，则计数器清零；如果采样值<>当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否>=上限N（溢出）；如果计数器溢出，则将本次值替换当前有效值，并清零计数器。

消抖滤波法对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动。对于快速变化的参数不宜，如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值，则会将干扰值当作有效值导入系统[3]。

1.6 复合数字滤波法

为了进一步提高滤波效果，有时可以把两种或两种以上不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。

2 ABB DCS系统数字滤波技术

DCS系统数据处理要求较高，所以不能用单一的滤波方法在DCS中进行滤波。为了更好地满足现场要求，先设计一款符合数字滤波器的剔峰均值滤波法。

如此按照预定的采样周期，每采样一次，都要用N个采样值来计算当前的滤波值；每加一个新的采样值，采样数列就会向前平移一次，准备进行下一次滤波求值。由于剔峰均值滤波法是通过统计学的方法来判别真伪，更加合理也更合符合实际应用。剔峰均值滤波法在ABB DCS系统中工程组态见图1、图2、图3。

图1 数据采样

图2 求均方差

图3 滤波

滤波前后的效果见图4。

图4 滤波前后温度曲线

图4中蓝色曲线为滤波前的数值，红线为滤波后的数值。由图4可以看出，滤波器对正向和负向扰动均有很好的滤波效果。当最后一个扰动频率小于滤波频率时，滤波器将扰动值判断为有效，输出值为当前的采样值[4]。

3 结束语

数字滤波是多学科相互交融的复杂系统工程。数字滤波器的可靠性与稳定性在实际应用中可以进一步体现，具体优势有：（1）数字滤波器是用软件实现的，不需要增加硬设备，因而可靠性高、稳定性好，不存在阻抗匹配问题。（2）模拟滤波器通常是各通道专用，而数字滤波器则可多通道共享，从而降低了成本。（3）数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

在DCS系统实际应用中，应根据具体的测量参数合理选用。数字滤波的选用要结合项目的实际情况因地制宜地制订相关方案，达到稳定且理想的效果。

[1]朱延钊.PLC输入信号的滤波方法[J].信息化研究，2006，32（10）：79-80.

[2]杨红梅，马茂冬. PLC系统中的数字滤波技术[J]. 自动化技术与应用，2007，26（12）：70-72.

[3]王琼.可编程序控制器系统的抗干扰及其措施[J].大众科技，2005（8）：42-43.

[4]肖淑英.计算机控制系统中的抗干扰措施[J].仪器仪表用户，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