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隨著計算機(jī)、通信和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用.在生產(chǎn)過程中， 應(yīng)用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的過程參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄， 并進(jìn)行處理， 為提高產(chǎn)品質(zhì)量、 降低生產(chǎn)成本提供信息和依據(jù).數(shù)據(jù)采集與處理越及時越精確， 工作效率就越高， 同時也可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益. 通常數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的工作現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣， 存在著各種干擾 （來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的） ， 通常稱這些干擾為噪聲.當(dāng)被測信號很微弱時， 就會被噪聲 “淹沒” ， 不僅使得數(shù)據(jù)采集與處理誤差比較大，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 還可能造成現(xiàn)場設(shè)備的誤操作，甚至發(fā)生事故.因此， 噪聲的處理就是數(shù)據(jù)采集與處理的主要對象. 為了能精確地采集和處理數(shù)據(jù)， 必須明確不同干擾對系統(tǒng)的影響并做出判斷，從軟硬件設(shè)計兩方面采取相應(yīng)的措施，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力.

1 生產(chǎn)工藝過程

PC-PLC 控制飼料配料系統(tǒng)是一種高精度、 高可靠性實時控制飼料配料的自動化控制裝置，飼料的質(zhì)量由配料系統(tǒng)的精度保證 [1-2]， 飼料生產(chǎn)的產(chǎn)量由配料系統(tǒng)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行速度控制，各料斗的瞬時流量由下料機(jī)的下料速度決定. 本文介紹了PC-PLC 控制飼料配料系統(tǒng)的具體生產(chǎn)工藝過程以及模擬量信號電流的測量、傳輸及A/D 轉(zhuǎn)換等， 著重討論了對電流信號的硬件濾波和軟件濾波 [3] .

PC-PLC 控制飼料配料系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝過程是： 首先將不同料斗的生產(chǎn)原料，如玉米、 豆粕、 麥芽粕等， 按照不同的比例投入稱重倉；當(dāng)所有原料投放結(jié)束時， 稱重倉倉門自動打開并將未經(jīng)混合的各種原料投入混合倉中充分混合；當(dāng)混合時間滿足設(shè)定時間時， 混合倉倉門自動打開并將混合好的產(chǎn)品送到生產(chǎn)線進(jìn)行包裝；當(dāng)混合倉電機(jī)電流等于空載電流時， 關(guān)閉混合倉.

2 干擾的來源

在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，存在著各種各樣的干擾，有來自軟硬件方面的干擾， 也有來自系統(tǒng)內(nèi)外部的干擾.通常見到的系統(tǒng)內(nèi)外部干擾來源有： ①來自系統(tǒng)內(nèi)部電子電路的各種干擾， 如元器件的老化引起的參數(shù)變化以及電阻發(fā)熱產(chǎn)生的熱噪聲，晶體管、 場效應(yīng)管等器件內(nèi)部分配噪聲和閃爍噪聲，放大電路正反饋引起的自激振蕩等； ②來自系統(tǒng)外部的竄入系統(tǒng)內(nèi)的各種干擾，如電動機(jī)電刷引起的電火花， 其他設(shè)備的脈沖開關(guān)接觸所產(chǎn)生的電磁信號，自然界的雷電、 宇宙輻射的電磁波以及生產(chǎn)現(xiàn)場和傳輸線路周圍的電磁場等. 來自軟硬件方面的干擾通常有： ①不正確的算法產(chǎn)生的錯誤結(jié)果， 這主要是因為計算機(jī)處理器中的程序指數(shù)運算是近似計算，產(chǎn)生的結(jié)果有時有較大的誤差，容易產(chǎn)生誤動作； ②由于計算機(jī)的精度不高， 而加減法運算時要對階， 易出現(xiàn)大數(shù) “吃” 小數(shù)的現(xiàn)象 ， 產(chǎn)生了誤差積累， 這也是噪聲的來源之一.該系統(tǒng)中存在的干擾有以下幾個方面：控制電路的干擾、 信號傳輸線路周圍電磁場的干擾、控制室內(nèi)各種開關(guān)接觸產(chǎn)生電磁信號的干擾以及混合電機(jī)攪拌過程中由機(jī)械慣性引起的干擾、 靜電引起的干擾. 該系統(tǒng)采取的抗干擾措施有：將控制柜外殼和大地進(jìn)行良好的接觸，采用屏蔽線進(jìn)行信號的傳輸， 采用獨立穩(wěn)壓電源對 PLC 供電， 并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行硬件和軟件濾波.

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

作為過程控制的一個參數(shù)，混合倉電機(jī)電流采集的準(zhǔn)確性和可靠性直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量.如果稱重倉倉門提前關(guān)閉，對于同一型號的飼料沒有什么影響， 但對不同型號的飼料來說， 就會影響下一批料的質(zhì)量.如果稱重倉倉門延后關(guān)閉， 就會影響產(chǎn)品的數(shù)量， 最終影響工廠的勞動生產(chǎn)率和效益.混合倉電機(jī)電流采集系統(tǒng)組成框圖如圖 1 所示.

3.1 數(shù)據(jù)的硬件濾波

3.1.1硬件濾波電路的設(shè)計 給電路中加入濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，交流電經(jīng)過整流橋整流之后，方向單一了， 但是大小 （電流強(qiáng)度 ） 還是處在不斷地變化之中，要把脈動直流變成波形平滑的直流. 該濾波電路用 2 個極性電容元件和 1 個電感元件組成∏型濾波電路，用于濾除電路中的高頻信號. 該系統(tǒng)使用 EM235 作為模擬量采集模塊.EM235 有 4 路模擬量輸入通道，通過配置 DIP 開關(guān)，所有的通道都設(shè)置為相同的輸入量程和格式. 由于EM235 同時采集稱重倉飼料重量信號和油桶植物油重量信號， 然而稱重信號和油稱信號是以 0~100mV的電壓信號傳輸?shù)模?因此， 需要將混合電機(jī)電流信號轉(zhuǎn)換為 0~100 mV 的電壓信號輸入 EM235. 設(shè)置EM235 的 DIP 開關(guān)為單極性 0~100 mV，其分辨率為 25 V.整流濾波電路如圖 2 所示.

3.1.2硬件電路的 MATLAB 仿真 打開 MATLAB軟件中的 Simulink 仿真工具箱， 選擇合適的元器件，對圖 2 的整流濾波電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖 3所示.

由圖 3 可知，經(jīng)整流濾波后的信號已基本接近直流， 最大值與最小值之差僅為 0.02， 滿足要求.

3.2 數(shù)據(jù)的軟件濾波

3.2.1算術(shù)平均值濾波的算法研究 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由于外界的干擾會產(chǎn)生跳變，這樣的干擾因素主要是電磁干擾和攪拌電機(jī)在慣性作用下產(chǎn)生的抖動.為了抑制干擾，一方面要做電氣接線上的抗干擾措施， 另一方面需要做軟件濾波.數(shù)字濾波的方法有很多種， 該應(yīng)用中采用算術(shù)平均值濾波的方法.算術(shù)平均值濾波的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式 （1） 中： Y（k） 為第 k 次采樣 N 個采樣值的算術(shù)平均值； X(i)為第 i 個采樣值； N 為采樣次數(shù).

算術(shù)平均值濾波的實質(zhì)是把一個采樣周期內(nèi)的N 次采樣值相加， 然后除以采樣次數(shù) N， 得到該周期的采樣值.該方法的優(yōu)點是： 適用于對一般具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波，這種信號的特點是有一個平均值， 信號在某一數(shù)值范圍上下波動.算術(shù)平均值濾波的程序流程如圖 4 所示.

3.2.2算術(shù)平均值濾波的 PLC 程序?qū)崿F(xiàn) 當(dāng)定時器 T99 計時時間到時， 給出一個脈沖接通能流對網(wǎng)絡(luò) 6 中的程序進(jìn)行一次掃描. 其中： MOV_W 指令是將輸入字（IN） 移到輸出字 （OUT）指定的變量中； I_DI指令是將 IN 端輸入的整數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)， 并將結(jié)果置入 OUT 指定的變量中； SHR_DW指令是將輸入雙字?jǐn)?shù)值 （IN ）向右移動 N 位， 并將結(jié)果存入 （OUT ）指定的變量中； DI_R 指令是將雙整數(shù) （IN ） 轉(zhuǎn)換為實數(shù)，并將結(jié)果存入 （OUT ） 指定的變量中； ADD_R 指令是將 2 個實數(shù) （IN1 ） 和（IN2 ）進(jìn)行加和， 并將結(jié)果存入 （OUT ）指定的變量中 [5] .

4 數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換

4.1 標(biāo)度變換的算法研究

經(jīng)過整流濾波后的直流信號通過 R2 輸入模擬量輸入模塊EM235， EM235 將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳入 CPU.CPU 接收的數(shù)字量范圍是 0~65 535. 根據(jù)人工測量， 攪拌電機(jī)空載時的電流是8 A，滿載時的電流是 14 A.利用標(biāo)度變換式 （2）使 TD400 上顯示的電流變化范圍為 8~14 A， 這樣可以通過 TD400 直觀地顯示攪拌電機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài).

做變換得：

式 （2 ） —（3）中： A 0 為測量儀表量程下限； A m 為測量儀表量程上限； A x 為實際測量值； N 0 為儀表下限對應(yīng)的數(shù)字量； N m 為儀表上限對應(yīng)的數(shù)字量； N x 為測量值對應(yīng)的數(shù)字量.

4.2 標(biāo)度變換的 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)

標(biāo)度變換的 PLC 程序如圖 6 所示.

由于程序中轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制 32 位的實數(shù)，然而在 TD400上顯示時需要十進(jìn)制的實數(shù)，這就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換，以便操作人員直觀的觀察記錄. 其中： DIV_R 指令是將 2 個 32 位實數(shù)相除（IN1/IN2 ） ，并將商存入 （OUT ） 指定的變量中；MUL_R 指令是將 2 個 32 位的實數(shù)相乘（IN1×IN2 ） ，并將積存入（OUT ）指定的變量中； MOV_R 指令是將32 位實數(shù) （IN1 ） 移至（OUT ）指定的變量中.

5 應(yīng)用效果分析

采集電流在未進(jìn)行濾波技術(shù)處理之前，時常會出現(xiàn)大幅度跳變現(xiàn)象，甚至超出電流范圍， 出現(xiàn)電流大于 14 或小于 8 的情況. 加入濾波技術(shù)處理以后，采集電流穩(wěn)定，能夠隨著攪拌倉中飼料的逐漸增多而從 8 到 14 穩(wěn)步上升. 生產(chǎn)過程中記錄數(shù)據(jù)如表 1所示.

6 結(jié) 語

為了提高飼料自動配料系統(tǒng)的可靠性，本文綜合應(yīng)用了硬件濾波和軟件濾波的方法對混合倉電流進(jìn)行處理. 經(jīng)實踐證明，該方法能夠達(dá)到抗干擾的目的， 提高了系統(tǒng)的可靠性. 由表 1 可知，經(jīng)過濾波處理后， 采集數(shù)據(jù)最大誤差僅為 0.2， 滿足控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，能夠作為可靠的過程參數(shù)在工業(yè)生產(chǎn)自動控制中應(yīng)用.以往人工配料不僅配料精度低， 且每批飼料的配料時間長， 平均配料時間為 25 min.采用該系統(tǒng)后， 一方面提高了配料精度， 另一方面縮短了配料時間， 平均配料時間為 18 min， 而且無需專人操作， 節(jié)省了人力， 提高了勞動生產(chǎn)率， 為企業(yè)帶來了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益.

 

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