王昭,周波,王為民

(1.西安絲路駝鈴智能科技有限公司，陜西 西安 710077;2.武警工程大學,陜西 西安 710086)

隨著中國工業(yè)信息化、智能化、數(shù)字化和技改升級工作持續(xù)推進，工業(yè)企業(yè)處于由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，許多國內(nèi)大中型企業(yè)新上項目和技改升級項目紛紛采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)智能化技術(shù)、工業(yè)數(shù)字化技術(shù)和云計算技術(shù)，建設了許多新型工業(yè)測控系統(tǒng)項目。工業(yè)測控系統(tǒng)中現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)參與過程控制，現(xiàn)場測量來的數(shù)據(jù)都夾雜有隨機噪聲和突發(fā)干擾，不同的工業(yè)現(xiàn)場噪聲和干擾類型各異，設計工業(yè)測控系統(tǒng)項目必須解決好過程控制數(shù)據(jù)濾波問題，才能實現(xiàn)設計的測控功能，運用正確的控制策略，保證設計要求的控制精度。設計工業(yè)測控系統(tǒng)項目時，工程技術(shù)人員如何選擇及實現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波算法，如何編程設計及優(yōu)化數(shù)據(jù)濾波算法均是需要重點研究的問題。采用WinCC 客戶端/服務器結(jié)構(gòu)[1]，WinCC服務器與S7-200 SMART PLC通過網(wǎng)絡互聯(lián)，數(shù)據(jù)通信采用TCP/IPv4協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mibit/s[2]。本文研究了過程控制數(shù)據(jù)濾波相關(guān)技術(shù)問題，介紹了數(shù)據(jù)濾波常用算法及濾波特點，給出了WinCC平臺數(shù)據(jù)濾波解決方案，討論了WinCC平臺數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化問題。本文所述數(shù)據(jù)濾波解決方案和算法優(yōu)化來自多個工程項目實踐經(jīng)驗，具有實用價值，推薦給工業(yè)測控同仁借鑒。

1 數(shù)據(jù)濾波常用算法

由工業(yè)測控系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)夾雜有隨機噪聲、突發(fā)干擾和周期干擾，數(shù)據(jù)濾波的根本任務是，根據(jù)隨機噪聲和干擾的某些統(tǒng)計特性，采用數(shù)據(jù)濾波算法最大限度地恢復信號、濾除噪聲和抑制干擾。

本文僅討論因果穩(wěn)定的時域離散數(shù)據(jù)濾波器，用線性常系數(shù)差分方程來描述常用數(shù)據(jù)濾波器。依據(jù)文獻[3]，時域離散線性時不變系統(tǒng)具有因果性的充分必要條件是單位脈沖響應是因果序列，即h(n)=0，n<0；時域離散線性時不變系統(tǒng)具有穩(wěn)定性的充分必要條件是單位脈沖響應絕對可和，即 ∑|h(n)| <∞， 0≤n<∞。

依據(jù)文獻[4]，數(shù)據(jù)濾波算法系數(shù)選用原則如下： 一是數(shù)據(jù)濾波算法系數(shù)均應大于0且小于1；二是數(shù)據(jù)濾波算法系數(shù)之和應等于1。若數(shù)據(jù)濾波算法系數(shù)選用滿足該原則，則數(shù)據(jù)濾波器穩(wěn)態(tài)輸出幅值等于輸入信號幅值。

1.1 低通濾波算法

低通濾波器LPF算法如式(1)所示，為一階IIR濾波系統(tǒng)，信號流程圖有一條反饋支路。WinCC運行全局濾波腳本時按零狀態(tài)遞推，按照數(shù)據(jù)濾波算法系數(shù)選用原則，濾波系數(shù)α取值范圍為0～1?？梢宰C明，低通濾波器具有因果性和穩(wěn)定性。

y(n)=(1-α)y(n-1)+αx(n)

(1)

低通濾波器特點歸納如下： 算法簡單，實現(xiàn)容易；任何快變脈沖干擾都將被濾掉，僅保留緩變信號；α取值小時，濾波器輸出對現(xiàn)時刻采樣值不靈敏，而對噪聲和干擾抑制力增強；α取值大時，濾波器輸出對現(xiàn)時刻采樣值靈敏，而對噪聲和干擾抑制力減弱。令a1=1-α，b0=α由式(1)可以得到：

y(n)=a1y(n-1)+b0x(n)

(2)

式(2)是一階差分濾波方程，{b0，a1}取值范圍為0～1，且濾波系數(shù)之和為1，即a1+b0=1。

1.2 加權(quán)遞推平均濾波算法

加權(quán)遞推平均濾波器WRAF算法如式(3)所示，又稱加權(quán)滑動平均濾波器，為FIR濾波系統(tǒng)，信號流圖沒有反饋支路。WinCC運行全局濾波腳本時按零狀態(tài)遞推，按照數(shù)據(jù)濾波算法系數(shù)選用原則，各濾波系數(shù){b0，b1，b2，b3，b4}取值范圍為0～1，且濾波系數(shù)之和為1，即b0+b1+b2+b3+b4=1?？梢宰C明，加權(quán)遞推平均濾波器具有因果性和穩(wěn)定性。

y(n)=b0x(n)+b1x(n-1)+b2x(n-2)+
b3x(n-3)+b4x(n-4)

(3)

加權(quán)遞推平均濾波器特點歸納如下： 濾波系數(shù)多，濾波效果優(yōu)化靈活，濾波器適應性強；通常對越接近現(xiàn)時刻的采樣值，權(quán)值取得越大，以突出后采樣值對濾波器輸出的貢獻；若給予后采樣值的權(quán)值越大，則對后采樣值越靈敏，而對采樣值平滑度降低；對周期性干擾有良好的抑制作用，適用于有高頻振蕩干擾的工業(yè)測控現(xiàn)場；對突發(fā)脈沖干擾抑制作用差，不適用于脈沖干擾嚴重的工業(yè)測控場合。

1.3 二階差分濾波算法

二階差分濾波器SODF算法如式(4)所示，為二階IIR濾波系統(tǒng)，信號流程圖有兩條反饋支路。WinCC運行全局濾波腳本時按零狀態(tài)遞推，按照數(shù)據(jù)濾波算法系數(shù)選用原則，各濾波系數(shù){a1，a2，b0}取值范圍為0～1，且濾波系數(shù)之和為1，即a1+a2+b0=1?？梢宰C明，二階差分濾波器具有因果性和穩(wěn)定性。

y(n)=a1y(n-1)+a2y(n-2)+b0x(n)

(4)

二階差分濾波器特點歸納如下： 算法簡單，易于實現(xiàn)；濾波系數(shù)多，濾波效果優(yōu)化靈活，濾波效果好；a1，a2取值大，且b0取值小時，濾波器輸出對現(xiàn)時刻采樣值不靈敏，而對噪聲和干擾抑制力增強；a1，a2取值小，且b0取值大時，濾波器輸出對現(xiàn)時刻采樣值靈敏，而對噪聲和干擾抑制力減弱。

2 WinCC數(shù)據(jù)濾波解決方案

2.1 數(shù)據(jù)濾波算法編程設計步驟

在WinCC開發(fā)平臺，采用C語言全局腳本編程設計數(shù)據(jù)濾波算法，在WinCC服務器上運行全局濾波腳本，實現(xiàn)過程值數(shù)據(jù)濾波[5]。該算法步驟如下：

1)啟動運行WinCC Explorer瀏覽器，進入項目管理器。

2)在左側(cè)瀏覽條，點擊展開全局腳本項，顯示C-Editor和VBS-Editor。

3)雙擊C-Editor，進入全局腳本C編輯器。

4)在頂部工具欄，點擊創(chuàng)建新動作按鈕，右側(cè)顯示編輯窗口。

5)在編輯窗口，編程設計數(shù)據(jù)濾波腳本。

6)腳本編寫設計完成，點擊頂部工具欄編譯按鈕，查看底部輸出窗口編譯結(jié)果，編譯有錯時對腳本錯誤進行修改，并重新編譯，直到編譯通過為止。

7)點擊頂部工具欄信息/觸發(fā)按鈕，彈出屬性窗口，點擊頂部信息選項，填寫腳本創(chuàng)建信息，按需設計腳本密碼。

8)在屬性窗口，點擊頂部觸發(fā)器選項，順次選擇定時器和周期選項。

9)點擊屬性窗口右側(cè)添加按鈕，彈出添加觸發(fā)器窗口，順次進行選擇事件、填寫觸發(fā)器名稱和設定周期，該方案中事件選擇標準周期且設定為1 s，該周期即為數(shù)據(jù)濾波腳本重復執(zhí)行周期。

10)點擊頂部工具欄的保存按鈕，生成擴展名為PAS的腳本文件[6]。

2.2 數(shù)據(jù)濾波算法編程設計實例

低通濾波算法采用C語言全局腳本代碼段實現(xiàn)，該代碼段用到的變量及系數(shù)的含義分別解釋如下： MM_LPF是低通濾波標簽，定義為WinCC內(nèi)部布爾變量； {Ca1,Cb0}表示低通濾波系數(shù)，為局部浮點變量； {Ca.1,Cb.0}表示低通濾波系數(shù)，定義為WinCC內(nèi)部浮點變量；Xn[1]是低通濾波器n時刻的輸入，為局部浮點變量；Yn[1]是低通濾波器n時刻的輸出，為靜態(tài)局部浮點變量；Yn[0]是低通濾波器(n-1)時刻的輸出，為靜態(tài)局部浮點變量；UR10是過程值濾波器輸入，定義為WinCC外部浮點變量；UR14是過程值濾波器輸出，定義為WinCC外部浮點變量。

WinCC組態(tài)啟動低通濾波器后，置MM_LPF為真，低通濾波器以零狀態(tài)開始遞推，濾波遞推過程如下： 先是采集n時刻濾波輸入Xn[1]；再輸入濾波系數(shù){Ca1,Cb0}；接著依據(jù)低通濾波算法公式求解n時刻濾波器輸出Yn[1]；然后將濾波器輸出值Yn[1]傳送給WinCC組態(tài)以及自動化系統(tǒng)；最后將n時刻濾波器輸出Yn[1]送給(n-1)時刻濾波器輸出Yn[0]，為下次遞推做好準備[7]。WinCC組態(tài)每執(zhí)行一次全局腳本，就求得一個低通濾波器輸出，連續(xù)濾波遞推，實現(xiàn)過程值數(shù)據(jù)低通濾波，該方案全局腳本代碼重復執(zhí)行周期設為1 s[8]，低通濾波器算法流程如圖1所示。

圖1 低通濾波器算法流程示意

3 WinCC數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化

特定的工業(yè)測控現(xiàn)場具有特定的噪聲干擾環(huán)境，需要特定類型的數(shù)據(jù)濾波器，同時對應特定的數(shù)據(jù)濾波算法。數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化有兩項任務： 選擇出合適的濾波算法；篩選出具體的算法系數(shù)。兩項任務相互關(guān)聯(lián)，要配合優(yōu)化。數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化涉及到用戶歸檔、在線表格和在線趨勢對象應用，以低通濾波算法為例詳述對象應用。

3.1 數(shù)據(jù)濾波系數(shù)用戶歸檔

在數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化過程中，濾波系數(shù)用戶歸檔用于設置和調(diào)整濾波算法系數(shù)，用于記錄和保存濾波算法系數(shù)[9]。創(chuàng)建數(shù)據(jù)濾波系數(shù)歸檔對象包括： 新建濾波系數(shù)用戶歸檔，添加濾波系數(shù)歸檔對象和設置用戶歸檔對象屬性，應依次設計完成。

3.2 數(shù)據(jù)濾波在線表格

在數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化過程中， WinCC在線表格能夠?qū)崟r顯示濾波器輸入值、輸出值和算法系數(shù)并導出數(shù)據(jù)，能夠在線修改表格屬性，用于觀察和評估濾波算法效果[10]。創(chuàng)建數(shù)據(jù)濾波在線表格對象包括： 添加WinCC在線表格對象，設置WinCC在線表格對象屬性，應依次設計完成。

3.3 數(shù)據(jù)濾波在線趨勢

在數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化過程中，數(shù)據(jù)濾波在線趨勢能夠?qū)崟r顯示濾波器輸入值和輸出值波形并能夠?qū)С鰯?shù)據(jù)，能夠在線修改趨勢屬性、移動軸范圍、移動趨勢范圍，用于實時觀察和評估濾波算法效果。創(chuàng)建數(shù)據(jù)濾波在線趨勢對象包括： 添加WinCC在線趨勢對象，設置WinCC在線趨勢對象屬性，應依次設計完成。

3.4 數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化

數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化包括以下步驟[11]：

1)考慮工業(yè)現(xiàn)場噪聲和干擾環(huán)境，參照以往工程項目經(jīng)驗，預選多個濾波算法，并排序預選濾波算法。

2)按預選濾波算法排序，選定濾波算法，編程設計濾波算法全局腳本，并測試濾波算法功能。

3)通過濾波系數(shù)用戶歸檔，給定一組算法系數(shù)，現(xiàn)場運行全局濾波腳本，通過在線表格觀察濾波器輸出數(shù)據(jù)，通過在線趨勢觀察濾波器輸出波形，檢驗濾波算法效果，研判濾波算法是否適應特定工業(yè)測控現(xiàn)場，研判濾波算法性能是否滿足工程項目技術(shù)要求。若濾波算法效果評價達標，則選定濾波算法及算法系數(shù)，結(jié)束數(shù)據(jù)濾波優(yōu)化；若濾波算法效果評價未達標，則調(diào)整一組濾波算法系數(shù)，重新檢驗濾波算法效果。

4)若反復調(diào)整濾波系數(shù)，濾波算法效果無法達標，則重復步驟(2)和步驟(3)，直到濾波算法效果評價達標，結(jié)束數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化。

以低通濾波器LPF算法為例，LPF WinCC用戶歸檔見表1所列，LPF WinCC在線表格見表2所列，LPF WinCC在線趨勢如圖2所示。

表1 LPF WinCC用戶歸檔

表2 LPF濾波器WinCC在線表格

圖2 LPF濾波器WinCC在線趨勢示意

4 結(jié)束語

工業(yè)測控系統(tǒng)測量來的數(shù)據(jù)通常夾雜著各種類型的隨機噪聲、突發(fā)干擾和周期干擾，設計并實施工業(yè)測控系統(tǒng)項目既要采取軟件數(shù)據(jù)濾波措施，也要采取硬件信號濾波措施；既要在前端自動化設備上采取硬件濾波措施，也要在前端傳感器上采取硬件抗干擾措施。數(shù)據(jù)濾波算法優(yōu)化時，在滿足工程項目技術(shù)要求前提下也可適當調(diào)整采樣時間來檢驗濾波算法效果。對于多路測量數(shù)據(jù)工業(yè)測控系統(tǒng)，可在全局腳本增加其他過程值濾波代碼段，即可實現(xiàn)多路并行數(shù)據(jù)濾波。測試全局濾波腳本功能時，即可采用按鍵觸發(fā)階躍或脈沖離散信號，也可采用周期方波或正弦離散信號。