[導讀] 針對以色列Unitronics的M90/91系列OPLC運算功能的不足，提出分段擬合和線性轉換模式，將復雜運算和浮點數(shù)運算轉換成分段的線性運算。開發(fā)計算機輔助設計軟件，優(yōu)化分段，并自動生成的運算參數(shù)，在M90/91系列OPLC上實現(xiàn)了復雜運算和浮點數(shù)的精確運算。該運算處理方法成功地應用于環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)的污水流量監(jiān)控中，流量計算精度與直接計算結果幾乎完全吻合。大大地簡化了OPLC控制程序，降低了控制系統(tǒng)的硬件費用，拓展了M90/91系列OPLC的應用范圍。
1 M90系列OPLC的特點
以色列 UNItronics 的M90/91系列OPLC是一種集可編程控制器、操作面板、I/O功能于一體，通訊功能強大的微型PLC。Unitronics 的OPLC分為兩大系列：M90/91系列和Vi-sion系列，其中M90/91系列的價格便宜，功能強大，性能穩(wěn)定。M90/91系列OPLC的特點如下：
1.1 友好的人機界面
M90/91系列OPLC的人機操作面板包括液晶顯示屏和全數(shù)字按鍵，用戶可以查看操作提示、動態(tài)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。也可以輸入控制參數(shù)和通過按鍵進行控制操作。
1.2 支持多種通訊方式
M90/91系列OPLC支持PSTN、GSM/SMS、GPRS、CAN-Bus、MODBUS等通訊方式，用戶可以選擇有線電話方式、手機短信、GPRS方式或各種網(wǎng)絡通訊方式，為遠程或網(wǎng)絡內的自動監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)診斷，為現(xiàn)場無人值守情況下的遠程中心監(jiān)控提供了便捷價廉的途徑。
1.3 多功能一體化
M90/91系列OPLC自帶數(shù)字量/模擬量/溫度測量的I/O點，軸編碼器和高速I/O點，CANbus/RS232/RS485通訊，實時時鐘控制。
1.4 I/O擴展性
每個M90/91控制器可以帶8個I/O擴展模塊，可以滿足各種自動控制的需要。
2 M90/91系列OPLC在環(huán)保在線監(jiān)控系統(tǒng)中的應用
M90/91系列OPLC在工業(yè)和民用方面都具有極大的優(yōu)勢，在昆明市環(huán)保在線監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控中被廣泛采用，至今已經(jīng)無故障地成功運行了4a，實現(xiàn)了昆明地區(qū)污水排放的區(qū)域性在線監(jiān)控，在黑龍江、成都、北京、福建等地的環(huán)保監(jiān)控中也得到了成功的應用。
2.1 污水流量的監(jiān)控
環(huán)保在線監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測傳感器、OPLC監(jiān)控裝置、中心監(jiān)控軟件等構成，M90/91系列OPLC是現(xiàn)場監(jiān)測的核心。OPLC監(jiān)控裝置可以接入來自于各種傳感器的信號，如COD、DOC、SO2、流量、治理設備狀態(tài)等幾十種國家規(guī)定的監(jiān)控參數(shù)的傳感器，采用GSM/SMS/GPRS方式定時上報環(huán)保監(jiān)控數(shù)據(jù)，自動上報現(xiàn)場超標報警數(shù)據(jù)、設備故障、系統(tǒng)斷電等信息，并及時應答監(jiān)控中心的各種查詢。
污水排放的瞬時流量和累積流量采用超聲波明渠流量計方法進行測量，它們是環(huán)保在線監(jiān)控的主要因子。超聲波傳感器測量流過巴歇爾槽的流體液位的高度，并向OPLC輸入4~20mA的關于流體高度的模擬信號。
2.2 超聲波明渠流量計的流量計算
超聲波明渠流量計需要通過公式（1）運算，將流體的高度轉換成流體的瞬時流量，并進行累積。根據(jù)標準JJG711-1990，巴歇爾槽的流量特性計算公式為：
Q=Chan （1）
其中：Q為瞬時流量（m3/sec），ha為水頭高度（m），C和n是與明渠類型和喉口尺寸相關的常數(shù)。小型巴歇爾槽有5個標準的喉口規(guī)格，5個獨立的計算公式；標準型巴歇爾槽有12個標準的喉口規(guī)格，可以用一個獨立的計算公式；大型巴歇爾槽有8個標準的喉口規(guī)格，8個獨立的計算公式。
2.3 M90/91系列OPLC超聲波明渠流量計流量監(jiān)控的關鍵問題
M90/91系列OPLC可以實現(xiàn)整數(shù)的加減乘除運算，比較運算和邏輯運算，具有PLC的常規(guī)控制功能，具有遠程無線通訊功能，成本低，功能全，非常適合于小型的環(huán)保監(jiān)控站的選用。但是，不足的是M90/91系列OPLC的運算功能有限，無法直接進行超聲波明渠流量計的流量計算。因此，精確地進行浮點數(shù)復雜運算的替代是M90/91系列OPLC成功應用的技術關鍵。
3 超聲波明渠流量計流量的替代計算
3.1 超聲波明渠流量計的流量計算處理模式
根據(jù)M90/91系列OPLC的性能和環(huán)保污水監(jiān)控應用的特點，提出超聲波明渠流量計流量計算數(shù)據(jù)處理的分段擬合和線性化處理的替代模式。即：設定替代計算的精度，采用最小二乘法，根據(jù)流量計算值誤差最小和滿足M90/91系列OPLC整型數(shù)計算的原則，將指數(shù)計算公式優(yōu)化解析成若干段線段的組合，OPLC對輸入的模擬量進行區(qū)域判斷和線性計算，獲得瞬時流量。
3.2 明渠流量計流量計算公式的轉換
根據(jù)明渠流量計的標定高度，超聲波明渠流量計將流體的高度ha以4-20Ma信號輸入到OPLC，在OPLC中存于內存變量MIin。根據(jù)流量的計算公式，與該MIin對應于瞬時流量存于MIq。
流體高度與內存變量的關系為線性關系：
ha=A+b×MIin （2）
根據(jù)公式（1）、（2）公式得到：
MIq=E+d×Q （3）
將（2）、（3）公式整合成：
MIq=E+d×Chan=E+d×C（A+b×MIin）n （4）
MIq=f（MIin） （5）
式中：ha為液位高度，A、b、E、d為常數(shù)，MIin為流量信號對應的內存變量，Q為瞬時流量，MIq為瞬時流量計算值對應的內存變量。
3.3 明渠流量計流量計算分析和處理原則
對于每一個標準喉口的流量計算公式，在整個量程范圍內將其分成若干段，在每一段上擬合一條直線，采用最小二乘法進行分析，優(yōu)化出滿足精度要求分段數(shù)量和各線性段方程系數(shù)，保證在整個有效的計算范圍內直線與理論曲線的誤差最小。
S（x）=a0Φ0（x）+a1Φ1（x）+a3Φ3（x）+…… +anΦn（x） （6）
δ||22=min∑ω（xi）[S（xi）- f（xi）]2 （7）
ζ（x）∈φ i=0
m
（ Φi，Φx ）=∑ω（xi） Φ（xi）Φx（xi） （8）
i=0
G=（Φi，Φx）（Φi，Φx）……（Φi，Φx） （9）
（Φi，Φx）（Φi，Φx）……（Φi，Φx）
……
（Φi，Φx）（Φi，Φx）……（Φi，Φx）
ax=a×x （10）
由于Φ0，Φ1，……，Φn線性無關，故|G|0，方程存在唯一解。
對于小型和大型明渠，如果對應喉口沒有確定的計算公式，數(shù)據(jù)處理模式為：（1）根據(jù)喉口尺寸，判斷明渠的類型。（2）根據(jù)該類型已知計算公式，擬合一條某高度下的流量～喉口尺寸的曲線。（3）根據(jù)此擬合曲線，計算該喉口的明渠流量計在該高度下的瞬時流量。
3.4 超聲波明渠流量計計算機分析和優(yōu)化程序的功能
根據(jù)以上數(shù)據(jù)處理模式，設計了超聲波明渠流量計計算機分析和優(yōu)化程序。該程序可以選擇各種明渠喉口尺寸、擬和點的數(shù)量和流量的單位等基本信息，自動生成擬合線段的參數(shù)，顯示理論計算與擬和公式計算的喉口尺寸~瞬時流量的對照曲線，并可以將數(shù)據(jù)直接導出為EXCEL文件。為M90/91系列選擇或輸入明渠的喉口直徑，在界面上顯示有效的測量水頭高度的范圍；輸入明渠標定的上下點對用的MI值；根據(jù)OPLC編程空間的余量，選擇適應的擬合線段數(shù)量；選擇流量的單位或精度；點擊查詢按鈕，則系統(tǒng)將自動查詢并生成多個擬合線段的計算參數(shù)和全范圍內的計算數(shù)據(jù)表；選擇曲線，則顯示理論曲線和擬合曲線。如果瞬時流量的計算值超過整型數(shù)的范圍，則系統(tǒng)會給出提示，要求調整流量單位，重新進行計算，并進行誤差分析。
3.5 測試結果
根據(jù)該算法進行OPLC明渠流量測量程序設計，同時采用具有浮點數(shù)運算功能的ViMIon系列OPLC按照理論計算公式，進行OPLC的明渠流量測量程序設計。二者接入同一臺明渠流量計的監(jiān)測信號，控制面板得到相同的瞬時流量顯示。經(jīng)過3d的考核，累計流量顯示值誤差為0.01%。實驗證明了該數(shù)據(jù)處理模式的正確性。
4 結論
M90/91系列OPLC模擬量監(jiān)控系統(tǒng)的浮點數(shù)運算處理方法的研究，提出分段擬合，線性處理的數(shù)據(jù)處理原則，配合計算機程序進行擬合優(yōu)化，使M90/91系列OPLC可以對模擬量進行精確的浮點數(shù)公式運算，大大地擴展了M90/91系列OPLC的應用范圍，節(jié)約了用戶程序空間，降低了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置成本，也提高了M90/91用戶程序設計的效率，縮短了設計周期。這項研究在昆明環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)中的近200家監(jiān)控點的流量監(jiān)測中得到成功的應用，這種算法的正確性得到了充分的驗證。
參考文獻：
［1］北京市計量局．中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程匯編［M］．北京：中國計量出版社，2002．
［2］李慶揚．數(shù)值分析［M］．武漢：華中理工學院出版社，1982