Отворете аналогов път в DCS или PLC и често ще откриете функционален блок, който не прави нищо по-впечатляващо от усредняване. Той съхранява последните пет дискретни стойности, събира ги, разделя сумата на пет и записва резултата като PV, която PID регулаторът действително вижда. Този блок е филтър с подвижна средна стойност — изглаждащ филтър с плъзгащ се прозорец, към който повечето инженери по измервателна техника първо се обръщат, защото аритметиката е очевидна, а закъснението — предвидимо.

Това не е настройка за демпфиране на трансмитер и не е рекурсивен филтър от първи ред (PT1). Целта е същата — да потисне шума и да запази технологичната променлива използваема — но алгоритъмът е различен, както и цената под формата на закъснение.

Honeywell Experion PKS C300 в шкаф Series C: клас DCS контролер, при който аналоговите PV обикновено се изглаждат във функционални блокове на Control Execution Environment, преди да достигнат PID регулатора.

Плъзгащ се прозорец, а не рекурсивна памет

Съхраняват се най-новите N дискретни стойности. При всяко ново сканиране най-старата стойност се премахва, най-новата се добавя и се извежда аритметичната средна стойност на оставащите:

Y(n) = [X(n) + X(n−1) + … + X(n−N+1)] / N

Ако аналоговият вход се сканира веднъж в секунда и N = 10, всеки изход представлява средната стойност за последните десет секунди. Ширината на прозореца остава постоянна; една дискретна стойност влиза, докато една излиза. Това е целият механизъм.

Филтърът от първи ред е рекурсивен: изходът при това сканиране зависи от предишния изход плюс част от новата дискретна стойност. Подвижната средна стойност не работи така. Тя разглежда само необработената история в прозореца. Затова е по-лесна за обяснение на оператор в пулт и естествено се вписва в DCS или PLC, който вече разполага с памет за съхраняване на N аналогови стойности.

ABB AC500 (включително безопасните I/O модули AC500-S): същото усредняване с плъзгащ се прозорец обикновено е функционален блок или фрагмент на ST в Automation Builder, а не скрито меню в трансмитера.

Два параметъра: дължина на прозореца и време за дискретизация

Силата на филтриране не се определя само от N. Времето за реакция е N × периодът на дискретизация. N = 10 при 1 s означава прозорец от десет секунди. Същото N при 100 ms означава една секунда. Разглеждайте ги като двойка, иначе ще прехвърлите „добра“ настройка от един контур към друг и ще се чудите защо вентилът вече се движи бавно.

По-голямото N потиска повече шум, но добавя и повече закъснение. След реална стъпка в измерваната величина филтрираната PV се нуждае от N дискретни стойности, за да достигне напълно новата стойност. При бавна температурна гилза това често е приемливо. При контур за налягане или дебит, който трябва да компенсира товарно смущение, прекалено дългият прозорец кара PID регулатора да изглежда муден, въпреки че именно филтърът създава закъснението.

Периодичният шум е единственият случай, при който можете целенасочено да изберете размера на прозореца. Ако смущението се повтаря приблизително веднъж в секунда, а сканирането е на всеки 100 ms, N = 10 обхваща един пълен цикъл и усреднява пулсациите почти до нула. Това е най-силната страна на подвижната средна стойност: съобразете прозореца с периода на смущението, а не с кръгло число, което просто „изглежда гладко“ на тренда.

Подвижна средна стойност спрямо филтриране от първи ред (PT1)

И двата филтъра са нискочестотни инструменти. Подвижната средна стойност е по-интуитивната от двете: можете да посочите последните N дискретни стойности. Тя обаче изисква повече памет и повече събирания при всяко сканиране. Филтърът от първи ред се състои от няколко операции за умножение — достатъчно евтини за трансмитер или малък вграден I/O модул, който не може да съхранява прозорец.

При пълноразмерен DCS или PLC този аргумент за паметта рядко е решаващ. Процесорите Honeywell Experion PKS C300 в хардуера Series C C300 и процесорите ABB AC500 в серията PLC устройства ABB разполагат с достатъчно място за кратка история на аналоговия сигнал. Конфигурирайте изглаждането там, където можете да го виждате, документирайте N и честотата на сканиране до PID регулатора и оставете демпфирането на трансмитера на известна, обикновено малка стойност, за да не филтрирате два пъти последователно, без да го забележите.

Какво не може да направи

Закъснението е цената на всеки изглаждащ филтър. Температурата обикновено го понася. Контурите за налягане и дебит по принцип не го понасят — ако филтрирате прекомерно тези PV, регулаторът започва да се бори със закъснялата реакция на технологичния обект.

Пиковете се премахват сравнително добре от усредняването в прозорец. Бавният дрейф — не: нискочестотният филтър ще го проследи, но със закъснение. Ако проблемът е плаваща нулева точка или запушена импулсна линия, отстранете причината в измерването; не я прикривайте с по-дълъг прозорец.

Обикновената подвижна средна стойност също не предизвиква допълнителен скок в края на прозореца — всяка дискретна стойност в буфера има еднаква тежест. Претеглената подвижна средна стойност (при която по-новите стойности имат по-голяма тежест) проследява стъпка малко по-бързо и изисква повече аритметични операции. Използвайте претегления вариант, когато оплакването е от закъснение в бърз контур, но все още се нуждаете от усредняване; придържайте се към еднаквите тежести, когато искате поведението да е очевидно и за следващата нощна смяна.