[導(dǎo)讀] 針對(duì)以色列Unitronics的M90/91系列OPLC運(yùn)算功能的不足，提出分段擬合和線性轉(zhuǎn)換模式，將復(fù)雜運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成分段的線性運(yùn)算。開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，優(yōu)化分段，并自動(dòng)生成的運(yùn)算參數(shù)，在M90/91系列OPLC上實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)的精確運(yùn)算。該運(yùn)算處理方法成功地應(yīng)用于環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)的污水流量監(jiān)控中，流量計(jì)算精度與直接計(jì)算結(jié)果幾乎完全吻合。大大地簡(jiǎn)化了OPLC控制程序，降低了控制系統(tǒng)的硬件費(fèi)用，拓展了M90/91系列OPLC的應(yīng)用范圍。
1 M90系列OPLC的特點(diǎn)
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(qiáng)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(jià)格便宜，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定。M90/91系列OPLC的特點(diǎn)如下：
1.1 友好的人機(jī)界面
M90/91系列OPLC的人機(jī)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(dòng)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(guò)按鍵進(jìn)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(jī)短信、GPRS方式或各種網(wǎng)絡(luò)通訊方式，為遠(yuǎn)程或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的自動(dòng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)診斷，為現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守情況下的遠(yuǎn)程中心監(jiān)控提供了便捷價(jià)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(cè)量的I/O點(diǎn)，軸編碼器和高速I/O點(diǎn)，CANbus/RS232/RS485通訊，實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制。
1.4 I/O擴(kuò)展性
每個(gè)M90/91控制器可以帶8個(gè)I/O擴(kuò)展模塊，可以滿足各種自動(dòng)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(yīng)用
M90/91系列OPLC在工業(yè)和民用方面都具有極大的優(yōu)勢(shì)，在昆明市環(huán)保在線監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中被廣泛采用，至今已經(jīng)無(wú)故障地成功運(yùn)行了4a，實(shí)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(yīng)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(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器、OPLC監(jiān)控裝置、中心監(jiān)控軟件等構(gòu)成，M90/91系列OPLC是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的核心。OPLC監(jiān)控裝置可以接入來(lái)自于各種傳感器的信號(hào)，如COD、DOC、SO2、流量、治理設(shè)備狀態(tài)等幾十種國(guó)家規(guī)定的監(jiān)控參數(shù)的傳感器，采用GSM/SMS/GPRS方式定時(shí)上報(bào)環(huán)保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，自動(dòng)上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)超標(biāo)報(bào)警數(shù)據(jù)、設(shè)備故障、系統(tǒng)斷電等信息，并及時(shí)應(yīng)答監(jiān)控中心的各種查詢。
污水排放的瞬時(shí)流量和累積流量采用超聲波明渠流量計(jì)方法進(jìn)行測(cè)量，它們是環(huán)保在線監(jiān)控的主要因子。超聲波傳感器測(cè)量流過(guò)巴歇爾槽的流體液位的高度，并向OPLC輸入4~20mA的關(guān)于流體高度的模擬信號(hào)。
2.2 超聲波明渠流量計(jì)的流量計(jì)算
超聲波明渠流量計(jì)需要通過(guò)公式（1）運(yùn)算，將流體的高度轉(zhuǎn)換成流體的瞬時(shí)流量，并進(jìn)行累積。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJG711-1990，巴歇爾槽的流量特性計(jì)算公式為：
Q=Chan （1）
其中：Q為瞬時(shí)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(guān)的常數(shù)。小型巴歇爾槽有5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的喉口規(guī)格，5個(gè)獨(dú)立的計(jì)算公式；標(biāo)準(zhǔn)型巴歇爾槽有12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的喉口規(guī)格，可以用一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算公式；大型巴歇爾槽有8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的喉口規(guī)格，8個(gè)獨(dú)立的計(jì)算公式。
2.3 M90/91系列OPLC超聲波明渠流量計(jì)流量監(jiān)控的關(guān)鍵問(wèn)題
M90/91系列OPLC可以實(shí)現(xiàn)整數(shù)的加減乘除運(yùn)算，比較運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，具有PLC的常規(guī)控制功能，具有遠(yuǎn)程無(wú)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(yùn)算功能有限，無(wú)法直接進(jìn)行超聲波明渠流量計(jì)的流量計(jì)算。因此，精確地進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)復(fù)雜運(yùn)算的替代是M90/91系列OPLC成功應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。
3 超聲波明渠流量計(jì)流量的替代計(jì)算
3.1 超聲波明渠流量計(jì)的流量計(jì)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(yīng)用的特點(diǎn)，提出超聲波明渠流量計(jì)流量計(jì)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(shè)定替代計(jì)算的精度，采用最小二乘法，根據(jù)流量計(jì)算值誤差最小和滿足M90/91系列OPLC整型數(shù)計(jì)算的原則，將指數(shù)計(jì)算公式優(yōu)化解析成若干段線段的組合，OPLC對(duì)輸入的模擬量進(jìn)行區(qū)域判斷和線性計(jì)算，獲得瞬時(shí)流量。
3.2 明渠流量計(jì)流量計(jì)算公式的轉(zhuǎn)換
根據(jù)明渠流量計(jì)的標(biāo)定高度，超聲波明渠流量計(jì)將流體的高度ha以4-20Ma信號(hào)輸入到OPLC，在OPLC中存于內(nèi)存變量MIin。根據(jù)流量的計(jì)算公式，與該MIin對(duì)應(yīng)于瞬時(shí)流量存于MIq。
流體高度與內(nèi)存變量的關(guān)系為線性關(guān)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(hào)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存變量，Q為瞬時(shí)流量，MIq為瞬時(shí)流量計(jì)算值對(duì)應(yīng)的內(nèi)存變量。
3.3 明渠流量計(jì)流量計(jì)算分析和處理原則
對(duì)于每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)喉口的流量計(jì)算公式，在整個(gè)量程范圍內(nèi)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(jìn)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(gè)有效的計(jì)算范圍內(nèi)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(wú)關(guān)，故|G|0，方程存在唯一解。
對(duì)于小型和大型明渠，如果對(duì)應(yīng)喉口沒(méi)有確定的計(jì)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(jì)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(jì)算該喉口的明渠流量計(jì)在該高度下的瞬時(shí)流量。
3.4 超聲波明渠流量計(jì)計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)了超聲波明渠流量計(jì)計(jì)算機(jī)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(diǎn)的數(shù)量和流量的單位等基本信息，自動(dòng)生成擬合線段的參數(shù)，顯示理論計(jì)算與擬和公式計(jì)算的喉口尺寸~瞬時(shí)流量的對(duì)照曲線，并可以將數(shù)據(jù)直接導(dǎo)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(cè)量水頭高度的范圍；輸入明渠標(biāo)定的上下點(diǎn)對(duì)用的MI值；根據(jù)OPLC編程空間的余量，選擇適應(yīng)的擬合線段數(shù)量；選擇流量的單位或精度；點(diǎn)擊查詢按鈕，則系統(tǒng)將自動(dòng)查詢并生成多個(gè)擬合線段的計(jì)算參數(shù)和全范圍內(nèi)的計(jì)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(shí)流量的計(jì)算值超過(guò)整型數(shù)的范圍，則系統(tǒng)會(huì)給出提示，要求調(diào)整流量單位，重新進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行誤差分析。
3.5 測(cè)試結(jié)果
根據(jù)該算法進(jìn)行OPLC明渠流量測(cè)量程序設(shè)計(jì)，同時(shí)采用具有浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算功能的ViMIon系列OPLC按照理論計(jì)算公式，進(jìn)行OPLC的明渠流量測(cè)量程序設(shè)計(jì)。二者接入同一臺(tái)明渠流量計(jì)的監(jiān)測(cè)信號(hào)，控制面板得到相同的瞬時(shí)流量顯示。經(jīng)過(guò)3d的考核，累計(jì)流量顯示值誤差為0.01%。實(shí)驗(yàn)證明了該數(shù)據(jù)處理模式的正確性。
4 結(jié)論
M90/91系列OPLC模擬量監(jiān)控系統(tǒng)的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)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(jì)算機(jī)程序進(jìn)行擬合優(yōu)化，使M90/91系列OPLC可以對(duì)模擬量進(jìn)行精確的浮點(diǎn)數(shù)公式運(yùn)算，大大地?cái)U(kuò)展了M90/91系列OPLC的應(yīng)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(shè)計(jì)的效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。這項(xiàng)研究在昆明環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)中的近200家監(jiān)控點(diǎn)的流量監(jiān)測(cè)中得到成功的應(yīng)用，這種算法的正確性得到了充分的驗(yàn)證。