基于PLC的数字滤波器设计及其在水位测量中的应用

1、基于PLC的数字滤波器设计及其在水位测量中的应用1 引言PLC是目前在众多领域广泛使用的一种数字控制器。能够对模拟信号进行处理是PLC的主要功能之一。在进行信号处理之前，PLC先要采样信号。由于模拟信号很容易受到干扰，因此在采样信号时，必须进行滤波处理。数字滤波的方法有很多种，比较经常使用的有算术平均值滤波、中值滤波等方法。在模拟电路中，经常使用低通滤波器进行滤波，从而去处高频信号对模拟量的影响。本文详细介绍了低通滤波器的数学模型及其滤波的仿真效果，而后介绍了对其进行数字化的过程，并给出了这种数字滤波器的PLC程序，最后介绍了这种数字滤波器在英德市长湖水电厂水位监测中的应用。应用实践表明，这种

2、数字滤波的效果是相当好的。2 低通滤波器的数学模型及仿真在模拟电路中，经常使用低通滤波器对模拟信号进行滤波，其电路如图1所示2>。图1 低通滤波器的电路示意图对于图1中的物理模型，其微分方程为:其中，x(t)为输入信号，y(t)为输出信号。对于低通滤波器，式(1)中的K=1。对其进行Laplace变换后得到传递函数为:其中，K为增益，T为时间常数。当低通滤波器只进行滤波，不进行信号变换时，则K=1，那么(2)式变为: 令时间常数T=4，采用MatLab的SIMULINK建模3>，如图2所示:图2 低通滤波器仿真结构框图在图2中有二个示波器，其中“示波器1”用于显示添加了白噪声的阶跃

3、信号，其结果如图3所示;“示波器”用于显示含有高频成分的阶跃信号经过低通滤波之后的结果，如图4所示。对比图3和图4中可见，低通滤波器的效果良好，对于频率较高的干扰，低通滤波器能够有效抑制其对输出的影响。图3 添加了白噪声的阶跃信号图4 阶跃信号经过滤波后的结果3 低通滤波器的数字化低通滤波器虽然效果良好，但是在采用PLC的控制系统中通过添加硬件的方式进行滤波，会使得系统的可靠性降低，因此最好采用软件进行滤波，也就是数字滤波。重写图1的微分方程如下:对式(4)进行离散化，令，其中TS为采样周期，k为采样次数，则把式(5)代入式(4)中，可得:对公式(6)进行整理可得:其中，y(k-1)为上一次滤

4、波器的输出，x(k)本次采样的值，y(k)为本次滤波器的输出，时间常数T可以在程序中设定。4 低通滤波器的PLC程序设计与应用采用西门子的S7-300 PLC 编写低通滤波器的程序，需要进行二个工作。首先，必须在HW CONFIG中组态定时中断的时间间隔，也就是设定采样周期;其次是编写PLC的程序。在本文中，把低通滤波器的程序编写为一个子模块，给其它程序调用。在编写程序时，需要定义一个DB数据块，用于保存上一次滤波器的输出。实际编写的程序如图5所示。图5 低通过滤波的PLC程序图6 没有经过滤波的水位波形图7 经过滤波的水位波形把这种数字滤波器应用在英德市长湖水电厂水位监测中，可以得到如图7所示的水位变化波形图，与图6中没有使用滤波器的水位变化波形比较，经过滤波之后，水位波形中没有再次出现图6中的尖峰，充分说明这种滤波器的良好效果。5 结束语通过上述的分析可见，本文设计的低通滤波器程序简单，滤波效果良好，这种滤波方法相对于其它滤波的方法而言，算法简