แนวโน้มค่าตัวแปรกระบวนการที่ราบเรียบอาจทำให้ลูปควบคุมดูเหมือนทำงานได้ดี ขณะที่แอบทำให้ข้อมูลที่ตัวควบคุมต้องใช้มาถึงล่าช้า การกรองแบบค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่เป็นวิธีที่เรียบง่าย อธิบายได้ และมีประสิทธิภาพต่อสัญญาณรบกวนบางประเภท แต่ทุกตัวอย่างที่เพิ่มเข้ามาในหน้าต่างจะเปลี่ยนพฤติกรรมไดนามิกของลูป

การตัดสินใจทางวิศวกรรมไม่ได้อยู่ที่ว่าเส้นสัญญาณที่กรองแล้วดูดีขึ้นหรือไม่ แต่อยู่ที่ตัวกรองสามารถกำจัดสัญญาณรบกวนจากการวัดได้โดยไม่บดบังการเปลี่ยนแปลงจริงของกระบวนการ ความขัดข้องของเครื่องมือวัด สภาวะสัญญาณเตือน หรือหลักฐานระยะแรกของความผิดปกติหรือไม่

DCS สามารถกรองค่าการวัดได้หลายชั้น ดังนั้นต้องจัดทำเอกสารเส้นทางสัญญาณทั้งหมด

การคำนวณนั้นง่าย แต่จังหวะเวลาไม่ง่าย

ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอจะเก็บตัวอย่าง N ค่าล่าสุด นำมาบวกกัน แล้วหารด้วย N ตัวอย่างใหม่แต่ละค่าจะเข้ามาในหน้าต่าง ขณะที่ตัวอย่างที่เก่าที่สุดถูกนำออก หากช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่างคือ Ts พฤติกรรมของตัวกรองจะขึ้นอยู่กับทั้ง N และ Ts การคัดลอกเฉพาะค่า N จากตัวควบคุมอื่นจะไม่ทำให้ได้การตอบสนองแบบเรียลไทม์เดียวกัน

สำหรับสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงช้า ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอที่เป็นเหตุจะมีพฤติกรรมโดยประมาณเสมือนว่าค่าการวัดถูกหน่วงไว้ครึ่งหนึ่งของหน้าต่าง สัญญาณสเต็ปจริงจะไม่ปรากฏเต็มขนาดในทันที เอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นหนึ่งส่วน N ของขนาดสเต็ปเมื่อมีตัวอย่างใหม่มาแทนค่าดั้งเดิมแต่ละค่า และจะถึงค่าปลายทางก็ต่อเมื่อหน้าต่างเต็มไปด้วยตัวอย่างหลังเกิดสเต็ปแล้ว

การไต่ระดับที่คาดการณ์ได้นี้มีประโยชน์ในการลดสัญญาณรบกวนแบบสุ่ม แต่ก็มีความเสี่ยงต่อการวัดความดัน อัตราการไหล ความเร็ว หรือการวัดที่เกี่ยวข้องกับระบบป้องกันซึ่งตอบสนองเร็ว PID สัญญาณเตือน ระบบบันทึกข้อมูล และผู้ปฏิบัติงาน ล้วนทำงานกับภาพแทนของกระบวนการที่มาช้าลง เว้นแต่จะเก็บค่าดิบไว้ด้วย

ต้องแสดงความยาวหน้าต่างเป็นเวลา

ตัวอย่าง 10 ค่าที่เก็บทุก 1 วินาทีอธิบายตัวกรองที่แตกต่างอย่างมากจากตัวอย่าง 10 ค่าที่เก็บทุก 100 มิลลิวินาที ควรจัดทำเอกสารเกี่ยวกับทริกเกอร์การสุ่มตัวอย่าง คาบเวลาของทาสก์ ความยาวหน้าต่าง ช่วงเวลาที่มีผล พฤติกรรมการเริ่มต้น และปลายทางที่ใช้ค่าที่กรองแล้ว

อย่าสันนิษฐานว่ารอบการสแกนของโปรแกรมคือช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่าง ฟังก์ชันบล็อกอาจทำงานทุกการสแกน แต่รับตัวอย่างใหม่เข้ามาเฉพาะเมื่อ SampleEnable เป็นจริง นอกจากนี้ โมดูลควบคุมของ DCS อาจมีคาบเวลาการทำงานของตัวเอง ซึ่งแตกต่างจากการอัปเดต I/O และการอัปเดตของทรานสมิตเตอร์

เอกสารคำสั่ง MAVE ของ Rockwell Automation ระบุความแตกต่างนี้ไว้อย่างชัดเจน โดย NumberOfSamples จะกำหนดช่วงของตัวกรอง SampleEnable จะควบคุมเวลาที่ตัวอย่างถูกนำเข้าไปเก็บ และบล็อกจะแจ้งสถานะสำหรับอินพุตที่ไม่ถูกต้องและการกำหนดขนาดอาร์เรย์ที่ไม่ถูกต้อง

สามารถกำจัดสัญญาณรบกวนเป็นคาบได้ แต่ก็อาจวินิจฉัยผิดได้

ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่มีจุดศูนย์ของการตอบสนองความถี่ที่เรียงเป็นช่วงสม่ำเสมอ เมื่อหน้าต่างครอบคลุมจำนวนรอบเต็มจำนวนของสัญญาณรบกวนเป็นคาบที่มีเสถียรภาพ ส่วนบวกและลบสามารถหักล้างกันได้อย่างมาก นี่คือเหตุผลที่หน้าต่างซึ่งเลือกมาโดยเจตนาสามารถลดริปเปิลทางไฟฟ้าหรือทางกลที่เกิดซ้ำได้

ผลลัพธ์นี้ไม่ได้หมายความว่าจะกำจัดสัญญาณรบกวนได้ทุกกรณี หากความถี่ของสัญญาณรบกวนเปลี่ยนแปลง ช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่างไม่คงที่ หรือสัญญาณเกิดแอลิเอสก่อนถึงตัวกรอง การหักล้างจะลดลง แนวโน้มที่ราบเรียบขึ้นยังอาจบดบังปัญหาการต่อลงดิน การชีลด์ ท่ออิมพัลส์ เซนเซอร์ หรือการติดตั้ง ซึ่งควรแก้ไขที่ต้นเหตุ

ก่อนเพิ่มความยาวหน้าต่าง ให้เปรียบเทียบสัญญาณดิบกับแหล่งอ้างอิงอิสระ และตรวจสอบสเปกตรัมของสัญญาณรบกวน หรืออย่างน้อยตรวจสอบคาบของสัญญาณในโดเมนเวลา ยืนยันให้ได้ว่าสัญญาณรบกวนนั้นเป็นสัญญาณรบกวนจริง ไม่ใช่การแกว่งของกระบวนการ

หลักการค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่เดียวกันนี้ใช้ได้กับแพลตฟอร์ม PLC และ DCS แต่การทำงานและการจัดการข้อขัดข้องขึ้นอยู่กับแต่ละแพลตฟอร์ม

ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่และตัวกรองอันดับหนึ่งแก้ปัญหาคนละแบบ

ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอเป็นการคำนวณด้วยหน้าต่างจำกัด ตัวอย่างที่จัดเก็บไว้ทุกค่าจะมีน้ำหนักเท่ากันจนกว่าจะถูกนำออกจากหน้าต่าง ส่วนตัวกรองความถี่ต่ำอันดับหนึ่งเป็นแบบวนซ้ำ เอาต์พุตใหม่จะรวมอินพุตล่าสุดกับเอาต์พุตก่อนหน้าตามค่าคงตัวเวลา

ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่ให้ประวัติข้อมูลที่มีขอบเขตและมองเห็นได้ชัด กำจัดความถี่บางช่วงได้ดี และมีการตอบสนองต่อสเต็ปที่ถึงค่าปลายทางหลังจากหน้าต่างเต็มแล้ว ตัวกรองอันดับหนึ่งใช้หน่วยความจำน้อยและให้การตอบสนองแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล โดยไม่มีรอยบากเป็นคาบแบบค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่

ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่แบบถ่วงน้ำหนักเป็นทางเลือกที่อยู่ระหว่างสองวิธีนี้ การให้น้ำหนักตัวอย่างใหม่มากกว่าสามารถลดความหน่วงที่เห็นได้ แต่จะเปลี่ยนการตอบสนองความถี่และทำให้พฤติกรรมไม่ชัดเจนสำหรับเจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุง น้ำหนักต้องทำให้เป็นมาตรฐาน จัดทำเอกสาร และทดสอบ

การเลือกควรพิจารณาจากสัญญาณรบกวนและวัตถุประสงค์ของการควบคุม ใช้ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่เมื่อหน้าต่างที่มีขอบเขตมีความหมาย หรือจำเป็นต้องลดองค์ประกอบที่เป็นคาบและมีเสถียรภาพ ใช้ตัวกรองอันดับหนึ่งเมื่อการตอบสนองแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลและค่าคงตัวเวลาที่จัดทำเอกสารไว้เหมาะกับลูป ใช้ตัวกรองนอตช์หรือตัวกรองเฉพาะทางอื่นก็ต่อเมื่อทราบความถี่รบกวนและมีเสถียรภาพเพียงพอที่จะรองรับการใช้งานดังกล่าว

หลีกเลี่ยงตัวกรองที่ซ่อนอยู่หลายชั้น

ค่าการวัดหนึ่งค่าอาจถูกหน่วงในทรานสมิตเตอร์ ถูกหาค่าเฉลี่ยในโมดูลอินพุต ถูกกรองซ้ำในตรรกะของ PLC หรือ DCS ถูกทำให้เรียบใน HMI และถูกบีบอัดโดยระบบบันทึกข้อมูล แต่ละชั้นอาจดูไม่เป็นอันตรายเมื่อพิจารณาแยกกัน ขณะที่สายโซ่ทั้งหมดสร้างความหน่วงอย่างมาก

จัดทำบันทึกเส้นทางสัญญาณที่แสดงอินพุตไฟฟ้าดิบ การสเกลและตัวกรองของโมดูล ตัวกรองของตัวควบคุม แหล่งสัญญาณเตือน ตัวแปรกระบวนการของ PID ค่าที่แสดงบน HMI และแท็กของระบบบันทึกข้อมูล ตัดสินใจว่าผู้ใช้แต่ละรายต้องการข้อมูลดิบ ข้อมูลที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว หรือข้อมูลที่ผ่านการกรอง เจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุงควรยังเข้าถึงค่าการวัดดิบได้ แม้ผู้ปฏิบัติงานจะใช้ค่าที่กรองแล้วบนหน้าจอ

ลิงก์ภายในไปยังฮาร์ดแวร์ Honeywell Experion PKS C300 และกลุ่มผลิตภัณฑ์ PLC ของ ABB ให้บริบทเกี่ยวกับแพลตฟอร์ม แต่ต้องตรวจสอบความพร้อมใช้งานและพฤติกรรมของตัวกรองกับตัวควบคุม ซอฟต์แวร์ และสภาพแวดล้อมการทำงานที่ติดตั้งจริง

ข้อมูลคุณภาพไม่ดีต้องมีการตอบสนองที่กำหนดไว้

ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่จะต้องไม่เปลี่ยนวงจรเปิด ค่าที่เกินช่วง ค่าการสื่อสารค้าง หรือค่าจุดลอยตัวที่ไม่ถูกต้อง ให้กลายเป็นตัวแปรกระบวนการที่ดูน่าเชื่อถือ ควรจัดเก็บหรือส่งต่อคุณภาพแยกจากค่าตัวเลข และกำหนดว่าบล็อกจะทำอย่างไรเมื่อคุณภาพกลายเป็นไม่ดี

แนวทางที่เป็นไปได้ ได้แก่ คงค่าที่กรองแล้วค่าล่าสุดซึ่งดีไว้ ประกาศให้เอาต์พุตมีสถานะไม่ดีทันที ล้างหน้าต่าง หรือเริ่มต้นใหม่จากตัวอย่างที่ดีตัวแรกหลังการกู้คืน ทางเลือกที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับว่าค่านี้ใช้สำหรับควบคุม ส่งสัญญาณเตือน แสดงผล หรือรายงาน และต้องทำให้ผู้ปฏิบัติงานกับตรรกะปลายทางมองเห็นได้

การเริ่มต้นก็มีความสำคัญเช่นกัน การเติมศูนย์ลงในอาร์เรย์ว่างจะสร้างการไต่ระดับเทียมเมื่อเริ่มระบบ การหาค่าเฉลี่ยแบบเพิ่มทีละน้อยโดยใช้เฉพาะตัวอย่างที่ถูกต้องซึ่งรวบรวมได้จนถึงขณะนั้นจะหลีกเลี่ยงอคติจากศูนย์ แต่ทำให้หน้าต่างที่มีผลเปลี่ยนไปในช่วงเริ่มต้น การกำหนดเอาต์พุตให้เท่ากับอินพุตที่ถูกต้องในปัจจุบันช่วยให้เริ่มต้นได้อย่างราบรื่น แต่ในช่วงแรกจะยังไม่ลดสัญญาณรบกวน เลือกพฤติกรรมหนึ่งแบบและจัดทำเอกสารไว้

การกรองเปลี่ยนประสิทธิภาพของ PID และสัญญาณเตือน

การเพิ่มตัวกรองจะเปลี่ยนเส้นทางการวัดที่ตัวควบคุมมองเห็น การจูน PID ที่เคยยอมรับได้อาจตอบสนองช้าหรือเกิดการสั่นเมื่อมีความหน่วงเพิ่มเติม การควบคุมแบบอนุพันธ์ไวต่อสัญญาณรบกวนจากการวัดเป็นพิเศษ แต่การกรองสัญญาณรบกวนแล้วปล่อยให้การจูนเดิมไม่เปลี่ยน ไม่ได้หมายความว่าจะปลอดภัยโดยอัตโนมัติ

หลังเปลี่ยนตัวกรอง ให้ทำการทดสอบการตอบสนองของลูปซ้ำภายใต้สภาวะที่ควบคุมได้ ตรวจสอบการกำจัดสิ่งรบกวน การตอบสนองต่อค่ากำหนด การเคลื่อนที่ของวาล์ว การพุ่งเกิน สัญญาณเตือนที่เกิดขึ้นทันเวลา และเวลาที่ต้องใช้ในการตรวจจับการเบี่ยงเบนของกระบวนการจริง ประเมินลูปในอัตราการเปลี่ยนแปลงการทำงานปกติ ไม่ใช่เฉพาะในสภาวะคงที่

การออกแบบสัญญาณเตือนอาจต้องใช้เส้นทางดิบและเส้นทางที่กรองแยกกัน สัญญาณเตือนรบกวนสามารถใช้ตรรกะตรวจสอบความคงอยู่หรือการหน่วงเวลาได้ ขณะที่ขีดจำกัดเพื่อการป้องกันอาจต้องใช้ข้อมูลที่ผ่านการตรวจสอบแล้วและตอบสนองเร็วกว่า อย่าแก้ปัญหาสัญญาณเตือนกระพริบด้วยการทำให้ค่าการวัดเพื่อการควบคุมของผู้ใช้ทุกกลุ่มช้าลงโดยไม่เปิดเผย

หลักฐานการติดตั้งใช้งานและการทดสอบเดินระบบ

สำหรับการพัฒนาใน PLC แบบกำหนดเอง ให้ใช้อาร์เรย์หรือบัฟเฟอร์วงกลมที่มีขอบเขต และใช้ผลรวมสะสมเพื่อให้การคำนวณแทนที่ส่วนร่วมของค่าที่เก่าที่สุดด้วยค่าล่าสุด ป้องกันดัชนี กำหนดความละเอียดเชิงตัวเลข และป้องกันข้อผิดพลาดเกินขอบเขตอาร์เรย์ หากการทำงานของทาสก์อาจถูกขัดจังหวะ ให้ยืนยันว่าบัฟเฟอร์และผลรวมจะไม่เกิดความไม่สอดคล้องกัน

ทำการทดสอบเดินระบบด้วยค่าคงที่ที่ทราบ สเต็ปที่ควบคุมได้ สถานะคุณภาพไม่ดี การขัดจังหวะของทาสก์ การเปลี่ยนแปลงการเปิดใช้งานตัวอย่าง และการเปลี่ยนหน้าต่างที่ร้องขอขณะทำงาน เปรียบเทียบแนวโน้มดิบและแนวโน้มที่กรองแล้วโดยใช้การประทับเวลาในมาตราส่วนเดียวกัน บันทึกความหน่วงและการลดสัญญาณรบกวนที่สังเกตได้ แทนที่จะอนุมัติตัวกรองเพียงเพราะเส้นสัญญาณดูราบเรียบ

มุมมองจากกองบรรณาธิการ: การกรองเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบการวัด ไม่ใช่เพียงการตกแต่งแนวโน้มบนหน้าจอ การติดตั้งที่ดีที่สุดจะแสดงค่าดิบ ค่าที่กรองแล้ว คุณภาพ ช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่าง และความยาวหน้าต่าง เพื่อให้วิศวกรคนอื่นสามารถอธิบายได้อย่างชัดเจนว่าตัวควบคุมรับรู้อะไร และรับรู้เมื่อใด

คำถามที่พบบ่อย

ควรใช้ตัวอย่างกี่ค่ากับค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่

ไม่มีจำนวนสากล ให้เลือก N ร่วมกับช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่าง โดยพิจารณาจากลักษณะของสัญญาณรบกวนและเหตุการณ์จริงที่เร็วที่สุดซึ่งระบบควบคุมหรือสัญญาณเตือนต้องตรวจจับ จากนั้นตรวจสอบความหน่วงที่เกิดขึ้นจริงในกระบวนการ

หน้าต่างที่ใหญ่ขึ้นช่วยปรับปรุงการควบคุมเสมอหรือไม่

ไม่เสมอไป หน้าต่างที่ใหญ่ขึ้นจะลดการเปลี่ยนแปลงความถี่สูงได้มากขึ้น แต่เพิ่มความหน่วงของการวัด การกรองมากเกินไปอาจลดประสิทธิภาพการกำจัดสิ่งรบกวน ทำให้สัญญาณเตือนล่าช้า และทำให้ PID ที่จูนไว้อย่างถูกต้องดูตอบสนองช้า

ควรปิดการหน่วงของทรานสมิตเตอร์หรือไม่

ไม่ควรทำโดยอัตโนมัติ ให้จัดทำเอกสารตัวกรองทุกตัวในสายโซ่สัญญาณและกำหนดวัตถุประสงค์ของแต่ละตัว หลีกเลี่ยงการซ้อนการหน่วงที่ไม่ได้จัดทำเอกสารไว้กับการกรองของตัวควบคุมจนทำให้เกิดความหน่วงรวมมากกว่าที่ตั้งใจ

ควรเกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณภาพอินพุตไม่ดี

บล็อกควรแสดงสถานะคุณภาพไม่ดี และปฏิบัติตามนโยบายที่กำหนดไว้สำหรับการคงค่า การทำให้ใช้ไม่ได้ หรือการเริ่มต้นใหม่ อินพุตที่ขัดข้องต้องไม่ถูกนำไปหาค่าเฉลี่ยจนกลายเป็นค่ากระบวนการที่ดูเหมือนถูกต้องและน่าเชื่อถือ

ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่เหมาะกับการวัดเพื่อความปลอดภัยหรือการทริปหรือไม่

เหมาะเฉพาะภายในสถาปัตยกรรมที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว และอนุญาตให้มีความหน่วงกับพฤติกรรมการวินิจฉัยดังกล่าวอย่างชัดเจนเท่านั้น ไม่ควรสันนิษฐานว่าการกรองเพื่อการควบคุมทั่วไปเป็นไปตามข้อกำหนดเวลาตอบสนองของฟังก์ชันความปลอดภัย