工业自动化系统中的大型系统或是小型设备，均含有各种噪声和干扰。干扰既有来自信号源本体或传感器，也有来自外界干扰。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。特别是随着自动化程度的**，许多控制功能通过自动闭环调节来完成，设备控制的效果取决于外部模拟量采集、控制算法、执行输出等等环节，而在现场工业环境中，电磁干扰、电源干扰、甚至于传感器本身都会影响外部信号，导致得到的数据失真、波动，如果在数据采集环节即出现问题，那整个系统将无法正常工作。本文分析解决的是如何利用软件数字滤波的方式处理外部信号的正确采集，从而才能得到真实的数据，实现自动控制，否则设备的自动化控制将无从谈起。
2 软件滤波功能简介
2.1 软件滤波
软件滤波即是通过软件算法将数据进行适当处理，从而屏蔽掉噪声和干扰杂波信号，获得可用的真实数据的一种方法，也可以说是通过程序处理的方式完成数据采集信号的处理。
对于采集信号的处理，除了软件滤波之外，也可以采用硬件电路实现滤波处理，比如常见的RC滤波、LC滤波等等，图1为采用电容滤波电路的信号曲线。
硬件滤波的优点在于我们在程序中不再需要进行复杂的程序处理，而且数据变化响应性高；而软件滤波的优势在于不需要硬件的投入，简化了电路设计，对于不同的信号干扰可以很方便的调整软件参数达到滤波效果，虽然有些方法在信号处理上会有一定的滞后，但只要合理使用各种不同的滤波方式则完全避免因此而带来的影响。
2.2 数字软件滤波优点
(1) 数字滤波用软件实现，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) 模拟滤波通常是各通道专用，而数字滤波则可多通道共享，从而降低了成本。
(3) 数字滤波可以对频率很低(如0.01 Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波由于受电容容量的限制，频率不可能太低。
(4) 数字滤波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。
3 实现软件滤波的方法
软件滤波有很多种方法，主要是针对不同干扰信号采取不同的方法将其消除，这里列举了一些方法并针对性说明有缺点，使大家可以正确选择采用的滤波方法。
3.1限幅滤波法
（1）方法。根据经验判断，确定两次采样允许的大偏差值（设为A），每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差
图2 硬件滤波
4.2 混合型主机
台达也提供集成模拟量的主机类型，主要有DVP20EX（8DI/6DO/4AI/2AO）和DVP10SX(4DI/2DO/2AI/2AO)，以及在EH主机上可以扩展F2AD卡作为模拟量采集，在PLC中有平均次数设置的内部特殊寄存器D1062，可以设置1～4作软件滤波，同样的采用的也是递推平均滤波法。
可以看出，台达PLC作为工业控制产品，在模拟量采集的处理上作了比较完善的软、硬件处理满足大多数应用场合，当然并不是说他能满足所有的信号处理，特别是混合型主机的平均次数比较少，因此可能在某些场合不能满足要求，在此基础上我们可以根据现场信号的不同特性在程序中作滤波处理。
4.3 基于台达PLC的一阶滞后滤波程序设计
下面是以燃煤热水锅炉系统的炉膛微负压为设计背景，用台达PLC编制的一个一阶滞后滤波程序案例，以此简单介绍滤波程序的编写方法。
案例采用氧化硅压力传感器测量，由于炉膛负压是一个较小的压力量，大概在正负几百帕之间，很容易受到外界影响（如鼓风机、引风机等），因此这是一个波动较大的采集量，如果直接使用采集值，波动将很大（可能是正负几十帕的波动），根本没有办法调节控制到正负20Pa，因此必须对采集值作处理，减小其周期性波动才能完成控制。
一阶滞后滤波算法公式：
滤波后输出值=（1-A）* 本次采样值 + A*上次滤波结果
其中A为滤波系数，范围是0～1
程序中各寄存器定义：
D0: 滤波系数A
D2: 1- A
D4: “（1-A）* 本次采样值”的运算结果
D6：“A*上次滤波结果”的存储寄存器
D50：上次滤波暂存值
D110: 采集值通过FLT指令转换为浮点数
D150：滤波后结果
程序中主要是将直接采集值经过上述公式的浮点数运算得到滤波后结果，从算法中可以看出，当滤波系数为0时，就是当前的采集值，而滤波系数越大，滤波作用越强。程序运行后可以看到，当采集值D110有变化时，滤波值是逐渐逼向当前采集值，因此对于突波信号具有抑制作用，使采集值比较稳定，减小波动。
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自控系统的选型及配置
一般DCS系统多是侧重于多种PID运算、比值运算、串级调节等功能，考虑到该线自控系统开关量占I/O总量的75%以上，PID回路数占模拟量I/O的3%，因此，为节省投资，自控系统采用基于PLC的DCS控制系统。系统设备选用美国Allen-Brdley公司制造生产的ControlLogix5550系列产品，控制网络为A-B ControlNet。
2.1 软件
计算机操作系统采用bbbbbbs 2000中文版；组态、编程软件包括:用于程序开发的RSLogix5000；用于ControlNet管理的RSNetWorx；用于网络通讯的RSLinx；用于工作站画面设计的RSView 32(1500点)，其它工具软件:AutoCAD2000、Excel、Word等。
2.2 硬件
鉴于水泥工业粉尘较大的特点，为保证DCS系统电器动作的可靠性，DI/DO模板均采用220VAC类型。AI模板主要类型为:
差分双端4～20mA型；热电阻(PT-100)型；热电偶(mV)型；称重(mV)模板4种类型。其中“称重型”模板为Allen-BrdleyOEM产品(加拿大生产)，用于煤粉称重仓、原料均化称重仓计量转换(将mV/V信号变换为PLC系统接收的数字信号)。AO模板采用标准型，可组态为:4～20mA或1～5V及0～10V。
2.3 控制系统结构
主控系统(MCS)采用美国A-B ControlLogix5550控制器及相应的I/O配置。MCS共有6个本地机架及9个相应的远程机架，其主要功能是处理来自基础自动化系统及马达控制中心(MCC)、现场控制盘(LCP)、速度控制盘(SCP)、高压盘(Http)等高低压电气设备的DI/DO、AI/AO信号，并通过ControlNet网络进行信息交换，实现与上位工作站OMS1～OMS6的实时操作和监控(见图1)。 
2.3.1 控制管理级
它是由中央控制室的6台操作站(1台兼用工程师站)组成，多台操作站用于全条水泥熟料生产线工艺过程的监视、操作、控制，各操作站之间可任意切换，并互为备用。
2.3.2 过程控制级
包括:原料粉磨控制站、煤粉制备控制站、烧成窑尾控制站、烧成窑头控制站，各站功能是实现对其所辖设备的顺序控制和过程控制。
2.3.3 网络通讯
控制网络为A-B ControlNet，采用Allen-Brdley同轴专用网线、冗余的双网(A/B)星型结构，速率为5Mbps，网络扫描时间设定为15ms。另外，6个操作站之间配有Ethernet网(100Mbps)，用于系统开发、调试以及今后公司计算机信息管理网络的数据传输。
2.3.4 控制方式
自控系统采用的是“现场机旁优先方式”，该方式的优点是:操作灵活、便于检修。它既可以在“远程”方式的成组中控起动，又可以在检查或检修设备时，现场随时开停设备。
2.4 控制系统的组态
2.4.1 网络组态
1)网络预定的多节点地址设置为25，实际为21；
2)网络的结构选择为冗余方式(A/B)；
3)网络扫描时间(Network Update Time)设置为15ms。
2.4.2 处理器及I/O组态
1)系统内务处理时间片设为15%；
2)通讯板的数据信息时间间隔为60ms；
3)所有DO组态为:在“Program Mode”下为“Off”；在“Fault Mode”下为“Hold”；
4)组态DI点扫描时间为30ms；
5)AI组态是根据物理量变化时间的不同(压力、温度、**、称重、功率、电流)组态不同的扫描时间间隔，以达到既节省处理器和网络的扫描时间又可满足瞬时采集要求。
3 用户程序的开发设计
3.1 用户程序的结构
用户程序分为2个软件大包:上位工作站软件包和下位PLC软件包。
其中，上位工作站开发的软件程序包括:工作站各系统工艺画面流程、状态、操作方式；工艺、电气参数的实时趋势及历史趋势；工艺及电气的故障实时报警；生产日报、事件报表、时报等。
下位PLC软件包包括:原料控制系统程序；煤磨控制系统程序；窑尾控制系统程序；窑头控制系统程序；原料立磨油站控制程序；生料均化库控制程序。
下位PLC程序主要回路模块有:设备的准备检查回路(用于操作员检查设备状态)；起动联锁回路(用于保护设备的启动过程)；停止联锁回路(用于工艺设备之间正常或非正常联锁停机)；成组起动回路(成组起动)；成组停止回路(成组停止)；时钟回路(用于闪光脉冲、延时、计数等)；驱动回路(用于设备的驱动)；故障回路(用于检测设备的故障)；故障记忆回路(用于出现故障报警后记忆故障状态)；指示灯回路(用于设备的备妥、运行、故障的显示)；PID回路(用于有回路控制的设备)。
3.2 系统控制功能的实现
管理监控软件共有17幅生产流程图，工艺流程画面呈立体效果，画面背景颜色与设备颜色、参数颜色搭配。操作配以热键、模拟按钮、触摸等多种方式进行，操作灵活、简便、直观。为防止误操作而退出控制系统，采用登陆和退出登陆的方式，以Password赋予维护工程师，**系统的安全性。操作员可按时间(数据保留10d)随时按日期调出工艺参数趋势。
画面中设备的状态显示分为备妥、故障、运行3种，定义实体绿色为设备运行状态，实体红色为停机状态，红色、绿色交替闪烁为不备妥或故障状态。各工艺参数:绿色为正常，黄色为警示，红色为严重报警。各系统画面均加有紧急停车按钮，在起动或停止设备时均有再次确认过程，组与组之间的联锁通过模拟按钮灯的状态明确指示，以确保操作安全、可靠。在监控画面设计中各种保护、报警信号均实时给予声光警示，同时进入报警记录，操作员按时间顺序可随时查阅各种报警参数，以便对设备的运行状况给予决策。
4 调试
该生产线的自动化调试按常规模式分为:开关量和模拟量2大部分进行调试。
其中开关量的调试包括:①DCS系统的DI/DO点与所有电气室或现场电气盘柜信号的校对；②软件程序DI/DO点与PLC电气点的校对。
模拟量的调试主要包括:①AI/AO通道与现场电气量相互统一的组态；②采用常规的信号发生器及数字万用表对各个AI/AO通道进行信号校对；③PID控制回路的参数调整。
调试发现的问题主要有:
1)电气干扰造成的信号“假象”，表现为:设备成组起动时，第1台欲开启的电气设备(煤堆料机)未起动，但应答信号已返回，使得不能完成组起动过程(其它输送皮带机)。经检查电气元件和线路，发现线路产生180VAC交流干扰信号，导致PLCDI点误动作。解决办法:更换受干扰的控制电缆。
电气干扰还使得个别继电器在停止信号发出时不能动作(释放)，造成不能停车现象。解决办法:因找不到干扰源，采用更换容量较大的继电器，以保证正常停车。
2)无故障大面积停车。联动调试期间原料系统曾多次出现大面积的无故障停车现象，详细检查工艺联锁程序，未发现问题，同时检查网络通讯，均正常。详细检查PLC DO模板组态，发现组态有误。原因:ControlLogix 5550系统在组态DO故障状态时，输出选项可以为“Off”或“Hold”。一般理解为:选项“Off”适用极为重要或对DI/DO采样周期要求高的工业场合，目的是出现网络瞬间的奇偶校验错误时，快速切断所带的电气设备。由于水泥生产中对DI/DO的采样时间要求不高，网络瞬间出现的奇偶校验错误不会严重影响网络的数据传输，因此，在重新组态DO各个通道时，将网络出现瞬时奇偶校验故障时的动作设置为“Hold”，即保持原DO状态值，修改DO组态选项后此故障消失。
在调整如温度、压力、**以及电气参数的过程中，采用对一次仪表的嵌位或在PLC通道中适当调整斜率的手段进行各种仪表参数的标定，保证了工艺参数的准确性。在自动回路投入过程中，考虑系统试生产初期的稳定性，仅对增湿塔出口温度与喷水量以及入窑生料喂料与阀门开度的回路先期给予投入，PID的参数调整，在有扰动时回路稳定时间在2min左右，在重新给定(SP)后视与前次SP差值而定，一般系统稳定大约需5～10min，满足生产要求。
5 应用效果分析
冀东三友水泥熟料生产线自4月投料以来，系统运行基本稳定。进入试生产运行以来，运行效果令用户满意。实践表明:
1)自动化系统设计合理，功能稳定可靠。基本不需要维护，保证了设备的高运转率，且操作简便、直观。
2)调试和故障诊断方便、快速，操作员能及时发现产生的故障并确定其位置，缩短了排故时间。程序设计了索引文件，使系统维护人员可在上位OMS上快速定位故障或设备I/O地址。
3)系统动、静态性能好，能够满足水泥熟料质量控制和仪表计量精度上的要求。
