滤波技术在 PLC 控制饲料配料系统中的应用

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随着计算机、通信和传感器技术的快速发展和普及，数据采集与处理系统也得到了广泛的应用.在生产过程中， 应用这一系统可对生产现场的过程参数进行采集、监视和记录， 并进行处理， 为提高产品质量、 降低生产成本提供信息和依据.数据采集与处理越及时越精确， 工作效率就越高， 同时也可获得较好的经济效益. 通常数据采集与处理系统的工作现场环境比较恶劣， 存在着各种干扰 （来自系统内部和外部的） ， 通常称这些干扰为噪声.当被测信号很微弱时， 就会被噪声 “淹没” ， 不仅使得数据采集与处理误差比较大，降低了系统的稳定性， 还可能造成现场设备的误操作，甚至发生事故.因此， 噪声的处理就是数据采集与处理的主要对象. 为了能精确地采集和处理数据， 必须明确不同干扰对系统的影响并做出判断，从软硬件设计两方面采取相应的措施，以增强系统的抗干扰能力.

1 生产工艺过程

PC-PLC 控制饲料配料系统是一种高精度、 高可靠性实时控制饲料配料的自动化控制装置，饲料的质量由配料系统的精度保证 ^[1-2]， 饲料生产的产量由配料系统的各执行机构的执行速度控制，各料斗的瞬时流量由下料机的下料速度决定. 本文介绍了PC-PLC 控制饲料配料系统的具体生产工艺过程以及模拟量信号电流的测量、传输及A/D 转换等， 着重讨论了对电流信号的硬件滤波和软件滤波 ^[3] .

PC-PLC 控制饲料配料系统的生产工艺过程是： 首先将不同料斗的生产原料，如玉米、 豆粕、 麦芽粕等， 按照不同的比例投入称重仓；当所有原料投放结束时， 称重仓仓门自动打开并将未经混合的各种原料投入混合仓中充分混合；当混合时间满足设定时间时， 混合仓仓门自动打开并将混合好的产品送到生产线进行包装；当混合仓电机电流等于空载电流时， 关闭混合仓.

2 干扰的来源

在数据采集与处理系统中，存在着各种各样的干扰，有来自软硬件方面的干扰， 也有来自系统内外部的干扰.通常见到的系统内外部干扰来源有： ①来自系统内部电子电路的各种干扰， 如元器件的老化引起的参数变化以及电阻发热产生的热噪声，晶体管、 场效应管等器件内部分配噪声和闪烁噪声，放大电路正反馈引起的自激振荡等； ②来自系统外部的窜入系统内的各种干扰，如电动机电刷引起的电火花， 其他设备的脉冲开关接触所产生的电磁信号，自然界的雷电、 宇宙辐射的电磁波以及生产现场和传输线路周围的电磁场等. 来自软硬件方面的干扰通常有： ①不正确的算法产生的错误结果， 这主要是因为计算机处理器中的程序指数运算是近似计算，产生的结果有时有较大的误差，容易产生误动作； ②由于计算机的精度不高， 而加减法运算时要对阶， 易出现大数 “吃” 小数的现象 ， 产生了误差积累， 这也是噪声的来源之一.该系统中存在的干扰有以下几个方面：控制电路的干扰、 信号传输线路周围电磁场的干扰、控制室内各种开关接触产生电磁信号的干扰以及混合电机搅拌过程中由机械惯性引起的干扰、 静电引起的干扰. 该系统采取的抗干扰措施有：将控制柜外壳和大地进行良好的接触，采用屏蔽线进行信号的传输， 采用独立稳压电源对 PLC 供电， 并对采集数据进行硬件和软件滤波.

3 数据采集系统的设计

作为过程控制的一个参数，混合仓电机电流采集的准确性和可靠性直接影响到产品的质量和数量.如果称重仓仓门提前关闭，对于同一型号的饲料没有什么影响， 但对不同型号的饲料来说， 就会影响下一批料的质量.如果称重仓仓门延后关闭， 就会影响产品的数量， 最终影响工厂的劳动生产率和效益.混合仓电机电流采集系统组成框图如图 1 所示.

3.1 数据的硬件滤波

3.1.1硬件滤波电路的设计 给电路中加入滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，交流电经过整流桥整流之后，方向单一了， 但是大小 （电流强度 ） 还是处在不断地变化之中，要把脉动直流变成波形平滑的直流. 该滤波电路用 2 个极性电容元件和 1 个电感元件组成∏型滤波电路，用于滤除电路中的高频信号. 该系统使用 EM235 作为模拟量采集模块.EM235 有 4 路模拟量输入通道，通过配置 DIP 开关，所有的通道都设置为相同的输入量程和格式. 由于EM235 同时采集称重仓饲料重量信号和油桶植物油重量信号， 然而称重信号和油称信号是以 0~100mV的电压信号传输的， 因此， 需要将混合电机电流信号转换为 0~100 mV 的电压信号输入 EM235. 设置EM235 的 DIP 开关为单极性 0~100 mV，其分辨率为 25 V.整流滤波电路如图 2 所示.

3.1.2硬件电路的 MATLAB 仿真 打开 MATLAB软件中的 Simulink 仿真工具箱， 选择合适的元器件，对图 2 的整流滤波电路进行仿真，仿真结果如图 3所示.

由图 3 可知，经整流滤波后的信号已基本接近直流， 最大值与最小值之差仅为 0.02， 满足要求.

3.2 数据的软件滤波

3.2.1算术平均值滤波的算法研究 转换后的数据由于外界的干扰会产生跳变，这样的干扰因素主要是电磁干扰和搅拌电机在惯性作用下产生的抖动.为了抑制干扰，一方面要做电气接线上的抗干扰措施， 另一方面需要做软件滤波.数字滤波的方法有很多种， 该应用中采用算术平均值滤波的方法.算术平均值滤波的数学表达式如下：

式 （1） 中： Y（k） 为第 k 次采样 N 个采样值的算术平均值； X(i)为第 i 个采样值； N 为采样次数.

算术平均值滤波的实质是把一个采样周期内的N 次采样值相加， 然后除以采样次数 N， 得到该周期的采样值.该方法的优点是： 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上下波动.算术平均值滤波的程序流程如图 4 所示.

3.2.2算术平均值滤波的 PLC 程序实现 当定时器 T99 计时时间到时， 给出一个脉冲接通能流对网络 6 中的程序进行一次扫描. 其中： MOV_W 指令是将输入字（IN） 移到输出字 （OUT）指定的变量中； I_DI指令是将 IN 端输入的整数转换为双整数， 并将结果置入 OUT 指定的变量中； SHR_DW指令是将输入双字数值 （IN ）向右移动 N 位， 并将结果存入 （OUT ）指定的变量中； DI_R 指令是将双整数 （IN ） 转换为实数，并将结果存入 （OUT ） 指定的变量中； ADD_R 指令是将 2 个实数 （IN1 ） 和（IN2 ）进行加和， 并将结果存入 （OUT ）指定的变量中 ^[5] .

4 数据的标度变换

4.1 标度变换的算法研究

经过整流滤波后的直流信号通过 R2 输入模拟量输入模块EM235， EM235 将输入的模拟量转换成数字量传入 CPU.CPU 接收的数字量范围是 0~65 535. 根据人工测量， 搅拌电机空载时的电流是8 A，满载时的电流是 14 A.利用标度变换式 （2）使 TD400 上显示的电流变化范围为 8~14 A， 这样可以通过 TD400 直观地显示搅拌电机当前的工作状态.

做变换得：

式 （2 ） —（3）中： A 0 为测量仪表量程下限； A m 为测量仪表量程上限； A x 为实际测量值； N 0 为仪表下限对应的数字量； N m 为仪表上限对应的数字量； N x 为测量值对应的数字量.

4.2 标度变换的 PLC 程序实现

标度变换的 PLC 程序如图 6 所示.

由于程序中转换的数据是二进制 32 位的实数，然而在 TD400上显示时需要十进制的实数，这就需要对数据进行标度转换，以便操作人员直观的观察记录. 其中： DIV_R 指令是将 2 个 32 位实数相除（IN1/IN2 ） ，并将商存入 （OUT ） 指定的变量中；MUL_R 指令是将 2 个 32 位的实数相乘（IN1×IN2 ） ，并将积存入（OUT ）指定的变量中； MOV_R 指令是将32 位实数 （IN1 ） 移至（OUT ）指定的变量中.

5 应用效果分析

采集电流在未进行滤波技术处理之前，时常会出现大幅度跳变现象，甚至超出电流范围， 出现电流大于 14 或小于 8 的情况. 加入滤波技术处理以后，采集电流稳定，能够随着搅拌仓中饲料的逐渐增多而从 8 到 14 稳步上升. 生产过程中记录数据如表 1所示.

6 结 语

为了提高饲料自动配料系统的可靠性，本文综合应用了硬件滤波和软件滤波的方法对混合仓电流进行处理. 经实践证明，该方法能够达到抗干扰的目的， 提高了系统的可靠性. 由表 1 可知，经过滤波处理后， 采集数据最大误差仅为 0.2， 满足控制系统的应用要求，能够作为可靠的过程参数在工业生产自动控制中应用.以往人工配料不仅配料精度低， 且每批饲料的配料时间长， 平均配料时间为 25 min.采用该系统后， 一方面提高了配料精度， 另一方面缩短了配料时间， 平均配料时间为 18 min， 而且无需专人操作， 节省了人力， 提高了劳动生产率， 为企业带来了丰厚的经济效益.

参考文献：

[1] 张量,周炯.饲料配料系统中信号的测量与数据处理技术[J].杭州师范学院学报： 自然科学版,2002,1(4)： 27-30.

[2] 刘明丹.自动配料系统的设计与运用[J].农机化研究,2004（6）： 149-151.

[3] 施振浩,龚秉周.混合饲料自动配料系统的设计原理[J].宁波大学学报,1993,6(2)： 95-98.

[4] 杨国松.PLC 与组态软件在饲料加工厂中的应用与研究[D].武汉： 武汉工业大学， 2009： 4-71.

[5] 刘大铭,高保泰,何萍. 基于 PLC 的枸杞烘干窑温度自动控制系统的设计[J].宁夏工程技术,2010,9(3)： 260-263.

[6] 陈夕,松汪木兰.过程控制系统[M].北京:科学出版社,2006：64-66.

作者：高保泰，张莉娟，刘大铭，于才，冯喜，张婵娟，张杨