आधुनिक औद्योगिक ऑटोमेशन परिवेशों में भारी विद्युतचुंबकीय हस्तक्षेप (EMI), यांत्रिक कंपन और विद्युत शोर मौजूद होते हैं। जब फ़ील्ड सेंसर शोरयुक्त कच्चे सिग्नल नियंत्रण प्रणालियों को भेजते हैं, तो प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर (PLC) गलत ट्रिगर या प्रक्रिया में अनियमित दोलन अनुभव करते हैं।

मज़बूत सिग्नल फ़िल्टरिंग तकनीकें लागू करने से PLC प्रोसेसिंग सर्किट सुरक्षित रहते हैं और फ़ैक्टरी ऑटोमेशन का संचालन स्थिर और पूर्वानुमेय बना रहता है। यह इंजीनियरिंग गाइड बताती है कि डिजिटल और एनालॉग PLC इनपुट में हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर फ़िल्टरिंग कैसे काम करती है, और व्यावहारिक एल्गोरिदम तथा कमीशनिंग के सर्वोत्तम तरीक़े भी बताती है।

1. PLC इनपुट मॉड्यूल में सिग्नल फ़िल्टरिंग की मूल बातें

इनपुट फ़िल्टर भौतिक फ़ील्ड डिवाइस और PLC के मुख्य निष्पादन इंजन के बीच होते हैं। उनका मुख्य उद्देश्य वास्तविक प्रक्रिया स्थिति में होने वाले बदलावों को बनाए रखते हुए क्षणिक स्पाइक्स, संपर्क उछाल और उच्च-आवृत्ति वाले शोर को हटाना है।

हार्डवेयर इनपुट सर्किट, आने वाले फ़ील्ड सिग्नल को ऑप्टिकल आइसोलेटर तक पहुँचाने से पहले भौतिक RC फ़िल्टर नेटवर्क से गुज़ारते हैं। फिर सॉफ़्टवेयर फ़िल्टरिंग एल्गोरिदम CPU मेमोरी स्कैन चक्रों के दौरान डिजिटाइज़ किए गए सिग्नलों को कंडीशन करते हैं।

2. PLC डिजिटल इनपुट के लिए समय-आधारित फ़िल्टर लागू करना

लिमिट स्विच, पुशबटन और प्रॉक्सिमिटी सेंसर से मिलने वाले डिजिटल फ़ील्ड इनपुट अक्सर यांत्रिक संपर्क उछाल से प्रभावित होते हैं। फ़िल्टरिंग के बिना, बटन को एक बार दबाने से कुछ मिलीसेकंड के भीतर सिग्नल में कई तेज़ बदलाव हो सकते हैं।

डिजिटल फ़िल्टरिंग न्यूनतम अवधि की सीमा वाले पैरामीटर पर काम करती है, जिसे अक्सर इनपुट डिले या डिबाउंस समय कहा जाता है।

• फ़िल्टर ऐसे किसी भी सिग्नल स्थिति परिवर्तन को अनदेखा करता है, जो निर्धारित फ़िल्टर समय (जैसे, 3 ms से 10 ms) से अधिक समय तक बना नहीं रहता।
• उच्च-आवृत्ति वाले शोर पल्स आंतरिक लॉजिक मेमोरी तक पहुँचने से पहले अपने आप हट जाते हैं।
• इंजीनियर Siemens TIA Portal या Rockwell Studio 5000 में हार्डवेयर कॉन्फ़िगरेशन सेटिंग्स के भीतर डिजिटल फ़िल्टर सेटिंग समायोजित कर सकते हैं।

लैडर लॉजिक में, सॉफ़्टवेयर डिबाउंसिंग On-Delay Timers (TON) का उपयोग करके इस व्यवहार की नकल करती है। आउटपुट बिट केवल तभी TRUE होता है, जब भौतिक इनपुट पूरे प्रीसेट टाइमर समय तक लगातार HIGH बना रहे।

3. PLC एनालॉग इनपुट के लिए उन्नत फ़िल्टरिंग विधियाँ

बाइनरी डिजिटल सिग्नलों के विपरीत, एनालॉग इनपुट (4-20mA, 0-10V, RTD, थर्मोकपल) लगातार बदलते रहते हैं। इसलिए, एनालॉग फ़िल्टरिंग में साधारण टाइम-डिले के बजाय गणितीय स्मूदिंग एल्गोरिदम का उपयोग होता है।

कंट्रोल सिस्टम आमतौर पर मूविंग एवरेज फ़िल्टर या फ़र्स्ट-ऑर्डर लो-पास फ़िल्टर (सिंगल-पोल IIR फ़िल्टर) लागू करते हैं। डिजिटल फ़र्स्ट-ऑर्डर लो-पास फ़िल्टर का गणितीय समीकरण है:

Y(k) = Y(k-1) + a * [X(k) - Y(k-1)]

जहाँ:

• Y(k) वर्तमान फ़िल्टर किए गए आउटपुट मान को दर्शाता है।
• Y(k-1) पिछला फ़िल्टर किया गया आउटपुट मान है।
• X(k) बिना फ़िल्टर किया गया कच्चा एनालॉग इनपुट मान है।
• a स्मूदिंग फ़ैक्टर को दर्शाता है (जो 0.0 और 1.0 के बीच होता है)।

फ़िल्टर का स्मूदिंग फ़ैक्टर बढ़ाने से सिग्नल नॉइज़ प्रभावी रूप से कम होता है। हालाँकि, कंट्रोल इंजीनियरों को स्मूदिंग की शक्ति और फ़ेज़ लैग के बीच संतुलन बनाना चाहिए, क्योंकि अत्यधिक फ़िल्टरिंग से प्रक्रिया में वास्तविक बदलावों पर सिस्टम की प्रतिक्रिया में देरी होती है।

फ़ील्ड से मिली जानकारी: फ़िल्टर की ऊँची सेटिंग HMI स्क्रीन पर नॉइज़ वाले प्रक्रिया ग्राफ़ को प्रभावी रूप से स्मूद करती है। फिर भी, महत्वपूर्ण सुरक्षा इंटरलॉक या तेज़ मोशन लूप पर आक्रामक फ़िल्टर गुणांक इस्तेमाल करने से प्रतिक्रिया में ख़तरनाक देरी होती है। भारी लो-पास फ़िल्टरिंग का इस्तेमाल धीमे तापमान या लेवल लूप के लिए करें और तेज़ कंट्रोल लूप को प्रतिक्रियाशील बनाए रखें।

4. हार्डवेयर फ़िल्टरिंग बनाम सॉफ़्टवेयर एल्गोरिदम के बीच समझौते

फ़ैक्टरी ऑटोमेशन टोपोलॉजी में हार्डवेयर-स्तरीय RC नेटवर्क और CPU सॉफ़्टवेयर रूटीन, दोनों अलग-अलग लाभ देते हैं।

हार्डवेयर फ़िल्टरिंग संवेदनशील आंतरिक ऑप्टोकप्लर को हाई-वोल्टेज ट्रांज़िएंट और ESD सर्ज से बचाती है। हालाँकि, I/O कार्ड के निर्माण के बाद हार्डवेयर घटकों के पैरामीटर स्थिर रहते हैं।

सॉफ़्टवेयर फ़िल्टरिंग, PLC फ़ंक्शन ब्लॉकों के भीतर सीधे लचीले और गतिशील पैरामीटर ट्यूनिंग की सुविधा देती है। इसलिए, आधुनिक DCS और PLC डिज़ाइन इष्टतम नॉइज़ रिडक्शन के लिए ऑनबोर्ड हार्डवेयर RC सुरक्षा को कॉन्फ़िगर किए जा सकने वाले सॉफ़्टवेयर लो-पास एल्गोरिदम के साथ जोड़ते हैं।

5. PLC इनपुट फ़िल्टर ट्यून करने के व्यावहारिक दिशानिर्देश

इनपुट फ़िल्टरों को कैलिब्रेट करने के लिए सिस्टम चालू करते समय प्रक्रिया की गतिशीलता और नॉइज़ प्रोफ़ाइल का विश्लेषण करना आवश्यक है:

1. डिजिटल इनपुट: मैकेनिकल स्विच के लिए हार्डवेयर डिबाउंस विलंब 3 ms से 20 ms के बीच सेट करें। इन्क्रीमेंटल एन्कोडर को ट्रैक करने वाले हाई-स्पीड काउंटर मॉड्यूल के लिए विलंब को 0.1 ms तक कम करें।
2. तापमान सिग्नल (धीमे डायनामिक्स): परिवेशीय तापीय शोर को दबाने के लिए भारी लो-पास फ़िल्टरिंग (स्मूदिंग फ़ैक्टर a = 0.05 से 0.1) लागू करें।
3. प्रवाह और दबाव लूप (तेज़ डायनामिक्स): PID फ़ेज़ लैग के बिना लूप की स्थिरता बनाए रखने के लिए हल्की फ़िल्टरिंग (स्मूदिंग फ़ैक्टर a = 0.3 से 0.5) का उपयोग करें।

वास्तविक उपयोग परिदृश्य: स्लरी टैंक फ्लोमीटर के शोर में कमी

समस्या विवरण

एक खनन परिशोधन संयंत्र में स्लरी प्रवाह नियंत्रण वाल्व लूप में गंभीर हंटिंग की समस्या थी। पास के मध्यम-वोल्टेज VFD से उत्पन्न विद्युत शोर ने 4-20mA इलेक्ट्रोमैग्नेटिक फ्लोमीटर सिग्नल में अनियमित स्पाइक्स पैदा किए। PLC PID ब्लॉक ने इन गलत स्पाइक्स पर तीव्र प्रतिक्रिया दी, जिससे नियंत्रण वाल्व में दोलन हुआ और ऐक्चुएटर समय से पहले घिस गया।

समाधान आर्किटेक्चर

ऑटोमेशन इंजीनियरों ने बहु-चरणीय सिग्नल कंडीशनिंग रणनीति लागू की:

1. हार्डवेयर कॉन्फ़िगरेशन: PLC एनालॉग इनपुट चैनल हार्डवेयर फ़िल्टर को Medium (60 Hz रिजेक्शन मोड) पर कॉन्फ़िगर किया।
2. सॉफ़्टवेयर एल्गोरिदम कार्यान्वयन: Siemens TIA Portal में एक समर्पित SCL फ़ंक्शन ब्लॉक बनाया, जो समायोज्य अल्फ़ा स्थिरांक (a = 0.15) वाला प्रथम-क्रम डिजिटल लो-पास फ़िल्टर लागू करता है।
3. सिग्नल सत्यापन: एक स्पाइक-रिजेक्शन एल्गोरिदम जोड़ा, जो प्रति मिलीसेकंड स्कैन में +/- 20% से अधिक प्रवाह परिवर्तन वाले कच्चे सैंपल चरणों को खारिज करता है।

परिचालन परिणाम

फ़िल्टर किया गया प्रोसेस वैरिएबल कर्व पूरी तरह स्थिर हो गया, जिससे VFD-जनित सिग्नल स्पाइक्स 98% तक दब गए। सुचारू इनपुट डेटा से स्थिर PID लूप ट्यूनिंग संभव हुई, नियंत्रण वाल्व का यांत्रिक घिसाव कम हुआ और प्रोसेस हंटिंग समाप्त हो गई।

लेखक के बारे में

झाओ गैंग ताप विद्युत संयंत्रों, रासायनिक प्रक्रियाओं और भारी औद्योगिक स्वचालन में 15 से अधिक वर्षों के अनुभव वाले वरिष्ठ नियंत्रण प्रणाली इंजीनियर हैं। वे PLC/DCS आर्किटेक्चर डिज़ाइन, सिग्नल इंटीग्रिटी, शोर कम करने और कार्यात्मक सुरक्षा अनुपालन (IEC 61508 / IEC 61511) में विशेषज्ञ हैं।