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摘要：对风冷热泵机组的多种参数进行自动监测是研究风冷热泵机组的最佳工作状态及工况的前提。本文结合风冷热泵机组试验台的研制，重点研究了该测控系统的软硬件体系结构和数据处理等关键问题。此外，针对测控系统中多种干扰噪声的特点，采用改进的多级数字滤波算法，有效的消除了测控系统稳定工作状态下的各种信号的干扰。试验结果表明，该测控系统功能强大，可操作性强、性能稳定可靠，容错性强、人性化程度高，适合在其他测控系统中推广应用。
关键词: 测控系统；多级数字滤波；噪声
中图分类号：P631.4+24 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
风冷热泵机组是空调机组的一种，是现代工业控制系统主要研究对象之一，被广泛应用于现代建筑中，并且在整个建筑系统中起着重要作用。为了研究风冷热泵机组的最佳工作状态及工况，需要对其各项运行参数进行连续监测和实时分析与评价，并对设备故障进行诊断与预测，为以后的研发提供服务。根据机组的结构特征及工作条件，一般采用多种监测信息相结合的方式，通过各类相应的传感器采集数据，通过现代信号分析方法对信号进行处理，并显示在计算机上，以便进行分析和控制。本文根据机组自身性能及要求，对现有数字滤波算法进行改进，设计出适用本机组的数字滤波算法，为研究风冷热泵机组的最佳工作状态及工况奠定基础。
1 系统总构架
系统采用上下位机结构、分布控制，由一台上位机和多台下位机构成。采用三线铂电阻温度变送器、压阻式压力和差压变送器、电磁流量计、热电偶等高精度、高灵敏度的传感器，通过DA100数据采集仪和数字功率仪WT230进行数据采集，并通过RS232总线传给PC机；实验台还配备了数字指示调节器UT351，方便对设备的操控。系统构架如图1所示。
图1 系统构架
系统采用了集中管理分散控制的方式，具有很强的自动调节能力。试验人员可以通过功能丰富的交互界面及时了解各个数据采集点返回的温度、压力、压力损失、流量、电参量等数据，及曲线变化趋势，并以此判断设备的测试状态，实时进行人工控制。自动调节系统利用计算机程序处理，将采集的数据与设定参数进行对比、分析，再通过UT351自动调节提高了控制的实时性和可靠性，也降低了成本。
系统对各个参数实现统一的测量和控制。测量的各传感器将反映各物理量的4~20mA的标准信号传给DA100数据采集仪，经过内部高速A/D转换后，经RS232总线传给PC机。测量的电参量可以在WT230数字功率仪自带的控制面板和上位机软件界面上同时显示。
2 软件构架
测控软件在整个风冷热泵机组性能实验台系统中起关键作用，采用面向对象的可视化编程语言Visual C#编程，并利用NI公司提供的Measurement Studio插件，主要负责响应用户请求、采集数据、通信等，并将实时数据进一步处理，以图文并茂的方式实时显示在PC机上，同时将数据保存于数据库中。软件构架如图2所示。
图2 软件构架
软件设计互主要包括控制模块、显示模块、计算模块和通讯模块，通过单击或双击按钮、图标、菜单、工具栏等图形画面和符号来操作，提供了与Windows操作系统一致的操作方式，符合绝大多数用户的操作习惯。
2．1控制模块
用户可通过交互界面方便地完成系统参数设定和硬件的初始化，如串口的设定、DA100信号通道的选择及各通道测量的物理量信号的名称、上下限、放大倍数、修正值等。
在许多测控系统中，各类传感器与数据采集仪的通道一般是严格对应的，导致在某个传感器或者通道不能工作的情况下整个系统无法正常运行。系统正是考虑到这点，提出将通道与传感器分开，实行双向选择，可随时更改各传感器的通道，应用方便、灵活，移植性强。
2．2显示模块
经PC机串口传送的数据经过分解、计算转换成相应的物理量显示在实时数据界面和虚拟仪表界面上，并在曲线界面实时绘制曲线。系统运行时界面数据及曲线按照采样间隔自动更新。
由于各测量数据主要以数据表的形式显示到实时数据界面上，用户很难直接从大量数据中发现不合格的测量值。为此，系统采用自动比较测量值与设定值，并为用户提供测量参数越界信息：误差范围内界面数据将呈现绿色，否则呈现红色。这样可以减少由于人的视觉因素导致未发现不合格的测量值，减轻用户负担，方便用户随时了解各设备的运行情况。
用户可以在实时曲线中从列表中自由选择需要顯示的曲线，自动隐藏其余曲线，并可对其进行移动、放大、还原，也可根据参数的测量值自行修改不同曲线对应的坐标值及步长，便于更精确地观察曲线变化趋势，操作简单、方便灵活。
2．3计算模块
计算模块对采集的数据进行滤波，然后根据系统设定的参数快速处理，传送到其他模块中并且存储。此外，系统为用户提供了查询指定时间范围内、指定测试类型的历史数据，用户可以方便的实现预览、导出各种文件格式、打印等操作。
2．4通讯模块
根据仪器的设置，匹配PC机的串口，对其波特率、校验位、通信协议等进行设置，同时将数据采集仪采集的数据经RS-232 端口传送给PC机。
3 数据滤波算法
在工业测控系统中，为了提高测控的准确度，为系统分析和评价提供正确的原始数据，必须对采集数据进行滤波处理，尽可能消除噪声的影响[5]。
3．1常用的滤波算法
数据采集系统中常用的滤波算法如下[6]：
（1）算术平均值滤波
算术平均值滤波是将连续N个采样数据Xi（i=1~N）进行算术平均的一种滤波算法，即。
算术平均值法适用于抑制一般随机干扰信号。这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数据范围附近上下波动，但对于压力、流量等信号的测量是不准确的。该方法对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，且不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。
（2）中位值滤波
中位值滤波是对被测参数连续采样N次（一般N取奇数），然后把N次采样值从小到大，或从大到小排序（常用冒泡法排序），再取其中间值作为本次的采样值。
该方法能有效克服因偶然因素引起的波动干扰；对温度、液位等变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。但对流量、速度等快速变化的被测参数不适用。
（3）滑动平均值滤波（递推平均滤波）
滑动平均值法把N个采样数据看成一个队列，对列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把采样结果放入队尾，将原来队首的一个数据扔掉，这样在队列中始终有N个“最新”的数据，然后将队列中的N个数据进行平均，就可得到新的滤波值。其表达式如下：
其中，为第次滤波后的值，N为队列长度， 为第n次的采样值。
该方法对周期性干扰有很好的抑制作用，且平滑度高，但是对于偶然出现的脉冲性干扰抑制效果差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合。
（4）限幅滤波
限幅滤波就是把相邻两次采样值相减，求出其增量的绝对值，然后与最大允许偏差（根据经验确定）相比较，如果相邻两次采样值的偏差大于，则本次采样值无效，舍弃，仍然用上一次的采样值，相反，如果偏差小于等于，则本次采样值有效。
该方法能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，但无法抑制周期性干扰，切平滑度差。
由于风冷热泵机组在实际现场环境中会同时受到多种干扰源的影响，且该测控系统的参量参数（温度、流量、压力等）较多、实时性要求较高，这就需要滤波算法能够同时满足快速、准确、信号平滑度高的要求，而采用上述单一的滤波方法并不能完全满足这种要求，达不到系统的需求。因此，必须在现有滤波算法的基础上加以改进，采用多种滤波算法相结合的方式，以实现更精确的滤波，使采集的数据能跟准确的反映设备的运行状况及精度。
3．2改进的滤波算法
根据现有系统的运行环境及要求，本文结合递推平均滤波法、算术平均滤波和中值滤波，提出一种新的多级滤波算法，该算法相对单一的滤波方法能扬长避短、优缺互补，能实现更精确的滤波。改进后的滤波算法流程如图3所示。
图3 改进后的滤波算法流程图
该算法的思想是为了能够保证数据实时输出，满足系统实时性的要求，根据递推平均滤波算法建立队列。当队列满后，采用“先进先出”原则将每次采集的新数据插入队列列尾，保证队列中始终有N个“最新”数据，然后去掉排序后的最大、最小值，最后对剩下的数据采用算术平均法和中值滤波算法复合滤波，得到滤波后的数据。改进后的多级滤波算法的表达式如下：
改进后的滤波算法有效地消除了由于脉冲干扰引起的采样值的偏差、温度因素等引起的缓变干扰及周期性噪声的干扰，同时能对大量数据进行快速计算，提高了系统测控的性能，对研究分析机组的最佳工作状态及运行参数提供了可靠的保障。
图4显示了转化为温度值之后使用该算法滤波前后的效果对比。
滤波前
多级滤波后
通过上图的对比，可以看出在风冷热泵机组监测系统中，采用三种滤波算法组成的多级数字滤波算法，对传感器采集信号中的各种噪声干扰具有极好的抑制作用，滤波效果较理想。
6 结束语
论文阐述了风冷热泵机组性能实验台的体系结构及其测控软件的设计，并将改进的多级数字滤波技术应用于实时测控中，减少了噪声的干扰，极大的提高了系统的运算效率与测量精度，稳定可靠。该测控软件已成功地运用在风冷热泵及水冷机组的性能实验台上，并且性能稳定，数据精确，运行可靠，取得较好的效果。
作者简介：汪志强（1966.2-），男，大学，制冷高级工程师
关键词: 测控系统；多级数字滤波；噪声
中图分类号：P631.4+24 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
风冷热泵机组是空调机组的一种，是现代工业控制系统主要研究对象之一，被广泛应用于现代建筑中，并且在整个建筑系统中起着重要作用。为了研究风冷热泵机组的最佳工作状态及工况，需要对其各项运行参数进行连续监测和实时分析与评价，并对设备故障进行诊断与预测，为以后的研发提供服务。根据机组的结构特征及工作条件，一般采用多种监测信息相结合的方式，通过各类相应的传感器采集数据，通过现代信号分析方法对信号进行处理，并显示在计算机上，以便进行分析和控制。本文根据机组自身性能及要求，对现有数字滤波算法进行改进，设计出适用本机组的数字滤波算法，为研究风冷热泵机组的最佳工作状态及工况奠定基础。
1 系统总构架
系统采用上下位机结构、分布控制，由一台上位机和多台下位机构成。采用三线铂电阻温度变送器、压阻式压力和差压变送器、电磁流量计、热电偶等高精度、高灵敏度的传感器，通过DA100数据采集仪和数字功率仪WT230进行数据采集，并通过RS232总线传给PC机；实验台还配备了数字指示调节器UT351，方便对设备的操控。系统构架如图1所示。
图1 系统构架
系统采用了集中管理分散控制的方式，具有很强的自动调节能力。试验人员可以通过功能丰富的交互界面及时了解各个数据采集点返回的温度、压力、压力损失、流量、电参量等数据，及曲线变化趋势，并以此判断设备的测试状态，实时进行人工控制。自动调节系统利用计算机程序处理，将采集的数据与设定参数进行对比、分析，再通过UT351自动调节提高了控制的实时性和可靠性，也降低了成本。
系统对各个参数实现统一的测量和控制。测量的各传感器将反映各物理量的4~20mA的标准信号传给DA100数据采集仪，经过内部高速A/D转换后，经RS232总线传给PC机。测量的电参量可以在WT230数字功率仪自带的控制面板和上位机软件界面上同时显示。
2 软件构架
测控软件在整个风冷热泵机组性能实验台系统中起关键作用，采用面向对象的可视化编程语言Visual C#编程，并利用NI公司提供的Measurement Studio插件，主要负责响应用户请求、采集数据、通信等，并将实时数据进一步处理，以图文并茂的方式实时显示在PC机上，同时将数据保存于数据库中。软件构架如图2所示。
图2 软件构架
软件设计互主要包括控制模块、显示模块、计算模块和通讯模块，通过单击或双击按钮、图标、菜单、工具栏等图形画面和符号来操作，提供了与Windows操作系统一致的操作方式，符合绝大多数用户的操作习惯。
2．1控制模块
用户可通过交互界面方便地完成系统参数设定和硬件的初始化，如串口的设定、DA100信号通道的选择及各通道测量的物理量信号的名称、上下限、放大倍数、修正值等。
在许多测控系统中，各类传感器与数据采集仪的通道一般是严格对应的，导致在某个传感器或者通道不能工作的情况下整个系统无法正常运行。系统正是考虑到这点，提出将通道与传感器分开，实行双向选择，可随时更改各传感器的通道，应用方便、灵活，移植性强。
2．2显示模块
经PC机串口传送的数据经过分解、计算转换成相应的物理量显示在实时数据界面和虚拟仪表界面上，并在曲线界面实时绘制曲线。系统运行时界面数据及曲线按照采样间隔自动更新。
由于各测量数据主要以数据表的形式显示到实时数据界面上，用户很难直接从大量数据中发现不合格的测量值。为此，系统采用自动比较测量值与设定值，并为用户提供测量参数越界信息：误差范围内界面数据将呈现绿色，否则呈现红色。这样可以减少由于人的视觉因素导致未发现不合格的测量值，减轻用户负担，方便用户随时了解各设备的运行情况。
用户可以在实时曲线中从列表中自由选择需要顯示的曲线，自动隐藏其余曲线，并可对其进行移动、放大、还原，也可根据参数的测量值自行修改不同曲线对应的坐标值及步长，便于更精确地观察曲线变化趋势，操作简单、方便灵活。
2．3计算模块
计算模块对采集的数据进行滤波，然后根据系统设定的参数快速处理，传送到其他模块中并且存储。此外，系统为用户提供了查询指定时间范围内、指定测试类型的历史数据，用户可以方便的实现预览、导出各种文件格式、打印等操作。
2．4通讯模块
根据仪器的设置，匹配PC机的串口，对其波特率、校验位、通信协议等进行设置，同时将数据采集仪采集的数据经RS-232 端口传送给PC机。
3 数据滤波算法
在工业测控系统中，为了提高测控的准确度，为系统分析和评价提供正确的原始数据，必须对采集数据进行滤波处理，尽可能消除噪声的影响[5]。
3．1常用的滤波算法
数据采集系统中常用的滤波算法如下[6]：
（1）算术平均值滤波
算术平均值滤波是将连续N个采样数据Xi（i=1~N）进行算术平均的一种滤波算法，即。
算术平均值法适用于抑制一般随机干扰信号。这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数据范围附近上下波动，但对于压力、流量等信号的测量是不准确的。该方法对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，且不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。
（2）中位值滤波
中位值滤波是对被测参数连续采样N次（一般N取奇数），然后把N次采样值从小到大，或从大到小排序（常用冒泡法排序），再取其中间值作为本次的采样值。
该方法能有效克服因偶然因素引起的波动干扰；对温度、液位等变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。但对流量、速度等快速变化的被测参数不适用。
（3）滑动平均值滤波（递推平均滤波）
滑动平均值法把N个采样数据看成一个队列，对列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把采样结果放入队尾，将原来队首的一个数据扔掉，这样在队列中始终有N个“最新”的数据，然后将队列中的N个数据进行平均，就可得到新的滤波值。其表达式如下：
其中，为第次滤波后的值，N为队列长度， 为第n次的采样值。
该方法对周期性干扰有很好的抑制作用，且平滑度高，但是对于偶然出现的脉冲性干扰抑制效果差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合。
（4）限幅滤波
限幅滤波就是把相邻两次采样值相减，求出其增量的绝对值，然后与最大允许偏差（根据经验确定）相比较，如果相邻两次采样值的偏差大于，则本次采样值无效，舍弃，仍然用上一次的采样值，相反，如果偏差小于等于，则本次采样值有效。
该方法能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，但无法抑制周期性干扰，切平滑度差。
由于风冷热泵机组在实际现场环境中会同时受到多种干扰源的影响，且该测控系统的参量参数（温度、流量、压力等）较多、实时性要求较高，这就需要滤波算法能够同时满足快速、准确、信号平滑度高的要求，而采用上述单一的滤波方法并不能完全满足这种要求，达不到系统的需求。因此，必须在现有滤波算法的基础上加以改进，采用多种滤波算法相结合的方式，以实现更精确的滤波，使采集的数据能跟准确的反映设备的运行状况及精度。
3．2改进的滤波算法
根据现有系统的运行环境及要求，本文结合递推平均滤波法、算术平均滤波和中值滤波，提出一种新的多级滤波算法，该算法相对单一的滤波方法能扬长避短、优缺互补，能实现更精确的滤波。改进后的滤波算法流程如图3所示。
图3 改进后的滤波算法流程图
该算法的思想是为了能够保证数据实时输出，满足系统实时性的要求，根据递推平均滤波算法建立队列。当队列满后，采用“先进先出”原则将每次采集的新数据插入队列列尾，保证队列中始终有N个“最新”数据，然后去掉排序后的最大、最小值，最后对剩下的数据采用算术平均法和中值滤波算法复合滤波，得到滤波后的数据。改进后的多级滤波算法的表达式如下：
改进后的滤波算法有效地消除了由于脉冲干扰引起的采样值的偏差、温度因素等引起的缓变干扰及周期性噪声的干扰，同时能对大量数据进行快速计算，提高了系统测控的性能，对研究分析机组的最佳工作状态及运行参数提供了可靠的保障。
图4显示了转化为温度值之后使用该算法滤波前后的效果对比。
滤波前
多级滤波后
通过上图的对比，可以看出在风冷热泵机组监测系统中，采用三种滤波算法组成的多级数字滤波算法，对传感器采集信号中的各种噪声干扰具有极好的抑制作用，滤波效果较理想。
6 结束语
论文阐述了风冷热泵机组性能实验台的体系结构及其测控软件的设计，并将改进的多级数字滤波技术应用于实时测控中，减少了噪声的干扰，极大的提高了系统的运算效率与测量精度，稳定可靠。该测控软件已成功地运用在风冷热泵及水冷机组的性能实验台上，并且性能稳定，数据精确，运行可靠，取得较好的效果。
作者简介：汪志强（1966.2-），男，大学，制冷高级工程师