M90/91系列OPLC明渠流量运算处理方法的研究

　　0. M90系列OPLC的特点
       
　　以色列Unitronics的M90/91系列OPLC是一种集可编程控制器、操作面板、I/O功能于一体，通讯功能强大的微型PLC。Unitronics的OPLC分为两大系列：M90/91系列和Vision系列，其中M90/91系列的价格便宜，功能强大，性能稳定。M90/91系列OPLC的特点如下：

　　1）友好的人机界面：M90/91系列OPLC的人机操作面板包括液晶显示屏和全数字按键，用户可以查看操作提示、动态数据、历史数据，也可以输入控制参数和通过按键进行控制操作。

　　2）支持多种通讯方式：M90/91系列OPLC支持PSTN、GSM/SMS、GPRS、CANBus、MODBUS等通讯方式，用户可以选择有线电话方式、手机短信、GPRS方式或各种网络通讯方式，为远程或网络内的自动监控、数据采集、系统诊断，为现场无人值守情况下的远程中心监控提供了便捷价廉的途径。

　　3）多功能一体化：M90/91系列OPLC自带数字量/模拟量/温度测量的I/O点，轴编码器和高速I/O点，CANbus/RS232/RS485通讯，实时时钟控制。

　　4）I/O扩展性：每个M91/91控制器可以带8个I/O扩展模块，可以满足各种自动控制的需要。
 
　　1. M90/91系列OPLC在环保在线监控系统中的应用
       
　　M90/91系列OPLC在工业和民用方面都具有极大的优势，在昆明市环保在线监控系统的现场监控中被广泛采用，至今已经无故障地成功运行了3年，实现了昆明地区污水排放的区域性在线监控，在成都、北京、福建等地的环保监控中也得到了成功的应用。

　　1.1污水流量的监控
       
　　环保在线监控系统由现场监测传感器、OPLC监控装置、中心监控软件等构成，M90/91系列OPLC是现场监测的核心。OPLC监控装置可以接入来自于各种传感器的信号，如COD、DOC、SO2、流量、治理设备状态等几十种国家规定的监控参数的传感器，采用GSM/SMS/GPRS方式定时上报环保监控数据，自动上报现场超标报警数据、设备故障、系统断电等信息，并及时应答监控中心的各种查询。
       
　　污水排放的瞬时流量和累积流量采用超声波明渠流量计方法进行测量，它们是环保在线监控的主要因子。超声波传感器测量流过巴歇尔槽的流体液位的高度，并向OPLC输入4-20Ma的关于流体高度的模拟信号。

　　1.2 超声波明渠流量计的流量计算
       
　　超声波明渠流量计需要通过公式（1）运算，将流体的高度转换成流体的瞬时流量，并进行累积。根据标准JJG711-1990，巴歇尔槽的流量特性计算公式为：

　　Q=Chan……………………………………………………（1）

　　其中：Q瞬时流量（m3/sec），ha水头高度m，C和n是与明渠类型和喉口尺寸相关的常数。小型巴歇尔槽有5个标准的喉口规格，5个独立的计算公式；标准型巴歇尔槽有12个标准的喉口规格，可以用一个独立的计算公式计算；大型巴歇尔槽有8个标准的喉口规格，8个独立的计算公式计算。

　　1.3 M90/91系列OPLC超声波明渠流量计流量监控的关键问题
       
　　M90/91系列OPLC可以实现整数的加减乘除运算，比较运算和逻辑运算，具有PLC的常规控制功能，具有远程无线通讯功能，成本低，功能全，非常适合于小型的环保监控站的选用。但是，不足的是M90/91系列OPLC的运算功能有限，无法直接进行超声波明渠流量计的流量计算。因此，精确地进行浮点数复杂运算的替代是M90/91系列OPLC成功应用的技术关键。

　　2. 超声波明渠流量计流量的替代计算：

　　2.1超声波明渠流量计的流量计算处理模式
       
　　根据M90/91系列OPLC的性能和环保污水监控应用的特点，提出超声波明渠流量计流量计算数据处理的分段拟合和线性化处理的替代模式。即：设定替代计算的精度，采用最小二乘法，根据流量计算值误差最小和满足M90/91系列OPLC整型数计算的原则，将指数计算公式优化解析成若干段线段的组合，OPLC对输入的模拟量进行区域判断和线性计算，获得瞬时流量。

　　2.2明渠流量计流量计算公式的转换：
       
　　根据明渠流量计的标定高度，超声波明渠流量计将流体的高度ha以4-20Ma信号输入到OPLC，在OPLC中存于内存变量MIin。根据流量的计算公式，与该MIin对应于瞬时流量存于MIq 。

　　流体高度与内存变量的关系为线性关系：

　　ha =A+b* MIin        …………………………………………………………（2）

　　根据公式（1）、（2）公式得到：

　　MIq=E+d*Q   ………………………………………………………………（3）
   
　　将（2）、（3）公式整合成：

　　MIq=E+d* Chan=E+d* C(A+b* MIin)n     ……………………………………（4）

　　MIq=f（MIin）………………………………………………………………（5）

　　其中：ha 液位高度，A、b、E、d常数，MIin流量信号对应的内存变量，Q瞬时流量，MIq瞬时流量计算值对应的内存变量.

　　2.3 明渠流量计流量计算分析和处理原则：
       
　　对于每一个标准喉口的流量计算公式，在整个量程范围内将其分成若干段，在每一段上拟合一条直线，采用最小二乘法进行分析，优化出满足精度要求分段数量和各线性段方程系数，保证在整个有效的计算范围内直线与理论曲线的误差最小。

　　对于小型和大型明渠，如果对应喉口没有确定的计算公式，数据处理模式为

　　1）  根据喉口尺寸，判断明渠的类型。

　　2）  根据该类型已知计算公式，拟合一条某高度下的流量~喉口尺寸的曲线。

　　3）  根据此拟合曲线，计算该喉口的明渠流量计在该高度下的瞬时流量。

　　2.4超声波明渠流量计计算机分析和优化程序的功能
       
　　根据以上数据处理模式，设计了超声波明渠流量计计算机分析和优化程序。该程序可以选择各种明渠喉口尺寸、拟和点的数量和流量的单位等基本信息，自动生成拟合线段的参数，显示理论计算与拟和公式计算的喉口尺寸~瞬时流量的对照曲线，并可以将数据可以直接导出为EXCEL文件。为M90/91系列
       
　　选择或输入明渠的喉口直径，在界面上显示有效的测量水头高度的范围；输入明渠标定的上下点对用的MI值；根据OPLC编程空间的余量，选择适应的拟合线段数量；选择流量的单位或精度；点击查询按钮，则系统将自动查询并生成个拟合线段的计算参数和全范围内的计算数据表；选择曲线，则显示理论曲线和拟合曲线。如果瞬时流量的计算值超过整型数的范围，则系统会给出提示，要求调整流量单位，重新进行计算，并进行误差分析。

　　a图是明渠流量计的理论计算流量曲线（黄色）和拟和后分段折线（红线）。从图上可以看出，二曲线合而为一，完全吻合。
       
　　b图中，计算结果文本框的上部分是拟和曲线参数和精度计算，其中，No是分段的序号；MI是各分段中MIin的起始值；diff-Q是本段内拟和曲线与理论曲线的最大偏差范围；Q是拟和的线性段起始点流量值；QMAX是该喉口的最大计算流量。ｂ图中，计算结果文本框的下部分是８２２个计算点的计算数据、理论数据、误差分析。ＳＩ是ＯＰＬＣ的变量值，H是对应流体的高度，Q是理论流量值，Qc是拟合曲线计算的流量值；△Q是理论公式离散计算的流量误差，△Qc是拟合曲线离散计算的流量误差。从Ｂ图可以看出，误差非常小。
       
　　本程序适用于符合国家标准的各种规格明渠流量计。

　　2.3 测试结果
       
　　根据该算法进行ＯＰＬＣ明渠流量测量程序设计，同时采用具有浮点数运算功能的ViMIon系列OPLC按照理论计算公式，进行ＯＰＬＣ的明渠流量测量程序设计。二者接入同一台明渠流量计的监测信号，控制面板得到相同的瞬时流量显示。经过３天的考核，累计流量显示值误差为0.01%。实验证明了该数据处理模式的正确性。

　　3 结论：
       
　　M90/91系列OPLC模拟量监控系统的浮点数运算处理方法的研究，提出分段拟合，线性处理的数据处理原则，配合计算机程序进行拟合优化，使M90/91系列ＯＰＬＣ可以对模拟量进行精确的浮点数公式运算，大大地扩展了M90／91系列OPLC的应用范围，节约了用户程序空间，降低了监控系统的硬件配置成本，也提高了M90/91用户程序设计的效率，缩短了设计周期。这项研究在昆明环境监测与控制系统中的近200家监控点的流量监测中得到成功的应用，这种算法的正确性得到了充分的验证。
 
　　参考资料：

　　[1]北京市计量局，《中华人民共和国国家计量检定规程汇编》，中国计量出版社，2002年5月第一版

　　[2] 李庆扬等《数值分析》华中理工学院出版社1982年7月再版

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