PLC采集模拟量信号，为什么要进行滤波处理？

引言

一个几乎在每个人PLC入门时都会遇到的问题是：“为什么每次处理模拟量，都要加一个‘滤波’？这滤波到底是什么？不加行不行？”

答案是：绝大多数情况下，不行。

不加滤波的PLC系统，就像一个在嘈杂集市里试图听清耳语的人，极易被周围的喧嚣所误导，最终做出错误的判断。

在众多数据类型中，模拟量信号（如温度、压力、流量、速度等连续变化的信号）尤为关键。

一、信号的“坎坷旅程”：干扰从何而来？

要理解为何要滤波，首先要明白我们面对的“敌人”是谁。理想情况下，传感器输出的模拟量信号应该是一条平滑、纯净的曲线，真实反映物理量的变化。但现实是，工业现场环境极其复杂，信号从传感器到PLC模数转换模块的旅程，堪称一场“历险”。

主要的干扰源可以分为以下几类：

电磁干扰：工业环境的“无形杀手”

来源：

大功率电机、变频器、电焊机、继电器、高频通信设备等在启停或工作时，会产生强大的电磁场。

影响：

这些电磁场会通过电容耦合、电感耦合或空间辐射的方式，“入侵”到信号传输电缆中，在原始信号上叠加高频的、无规律的杂波。这就好比在一段平稳的音乐中，混入了“滋啦”作响的电流声。

机械振动与冲击：物理世界的“颠簸”

来源：

大型冲压机、水泵、风机等设备运行时产生的强烈振动。

影响：

如果传感器本身安装不牢固或抗振性差，机械振动会直接导致其内部敏感元件（如应变片、霍尔元件）发生微小、快速的形变或位移，从而在输出信号上产生与振动频率同步的周期性噪声。

电源噪声与地线环路：系统内部的“杂音”

来源：

不稳定的供电电源、多个设备共地时因电位差形成的地线环路。

影响：

电源的波动会直接影响传感器和PLC模块的工作稳定性，而地线环路则会在信号线上引入一个低频但顽固的干扰电压，导致信号整体偏移或叠加50/60Hz的工频干扰。

传感器自身噪声：无法根除的“本底噪音”

来源：

任何电子元器件在通电工作时，都会因内部载流子的不规则运动而产生热噪声等固有噪声。

影响：

这种噪声虽然微弱，但在对精度要求极高的测量中，同样不容忽视。

一个生动的例子：

想象一下，我们正在用压力传感器监测一个管道内的压力，该压力稳定在5.0 Bar。在没有干扰的理想情况下，PLC读到的应该一直是5.0, 5.0, 5.0...。

但在一个有变频器运行的泵房旁，PLC的采样数据可能变成这样：5.01, 4.98, 5.15, 4.85, 5.02, 4.99, 5.08, 4.92...。这些剧烈跳动的数值，就是噪声的“杰作”。如果PLC直接用这些数据去控制阀门或报警，后果可想而知：阀门会频繁微调，加速磨损；报警系统则会频繁误报，让操作员不胜其烦。

二、滤波的本质：信号的“降噪耳机”

面对这些“噪音”，滤波技术就如同为我们PLC这位“决策者”戴上了一副高质量的“降噪耳机”。它的核心任务只有一个：从混杂了噪声的信号中，尽可能准确地提取出我们真正关心的、变化缓慢的有效信号。

滤波，本质上是一种数据处理算法，它通过对一段时间内采集到的多个样本点进行数学运算，得到一个更接近真实值的“平滑”结果。

不加滤波行不行？—— 一个代价高昂的教训

让我们通过一个真实的反面案例来回答这个问题：

某食品加工厂的杀菌釜，其核心控制逻辑是根据釜内温度来精确控制蒸汽阀门。温度设定为121℃，要求稳定运行。工程师在调试时，为了追求“响应速度”，未对温度传感器的模拟量输入进行任何滤波处理。

初期表现：

系统运行时，由于变频器等设备的电磁干扰，PLC读取的温度值在120.5℃到121.5℃之间快速跳动。

连锁反应：

PLC的PID控制程序认为温度“剧烈波动”，于是频繁地、大幅度地开关蒸汽阀门。

最终恶果：

产品质量下降：

温度的剧烈波动导致部分产品杀菌不彻底，另一部分则过度加热，造成大量废品。

能源浪费严重：

蒸汽阀门的频繁动作导致蒸汽消耗量比正常情况高出20%以上。

设备寿命缩短：

执行器（阀门）因过度劳损，在短短几个月内就出现故障。

后来，工程师在PLC程序中加入了一个简单的数字滤波（移动平均滤波），对每10次采样值取平均后再送给PID控制器。问题迎刃而解：温度读数变得平滑，阀门动作平稳，产品质量和能耗都恢复到了设计标准。

这个案例清晰地告诉我们：不加滤波，看似保留了信号的“实时性”，实则牺牲了“准确性”和“稳定性”，最终可能导致整个控制系统的失败。

三、结语：滤波，是精准控制的艺术

回到最初的问题：PLC模拟量信号为什么要进行滤波处理？

因为工业现场的信号天生就是“不完美”的，充满了各种噪声。滤波不是可有可无的选项，而是确保测量准确性、系统稳定性和控制可靠性的核心环节。它是一门在“响应速度”与“数据平滑”之间寻求最佳平衡的艺术。

作为自动化工程师，我们不能仅仅满足于知道“要滤波”，更要深入理解不同干扰的来源，掌握各种滤波方法的优劣，并根据具体的工艺要求（如响应时间、精度等级）选择最合适的滤波策略。只有这样，我们才能让PLC这位“大脑”在嘈杂的工业环境中，依然能够“耳聪目明”，做出最精准的判断，驱动整个自动化系统高效、稳定地运行。

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