摘要: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)換成的分段的線性運(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。本研究大大地簡(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。 關(guān)鍵詞:Unitronics,OPLC,計(jì)算機(jī)程序,明渠流量計(jì),流量,環(huán)保監(jiān)測(cè),最小二乘法。 0.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Vision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)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。 2)支持多種通訊方式:M90/91系列OPLC支持PSTN、GSM/SMS、GPRS、CANBus、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。 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。 4)I/O擴(kuò)展性:每個(gè)M91/91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。 1.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3年,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。 1.1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)。 1.2 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瞬時(shí)流量(m3/sec),ha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)算公式計(jì)算;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)算公式計(jì)算。 1.3 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。 2.超聲波明渠流量計(jì)流量的替代計(jì)算: 2.1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。 2.2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) 其中:ha 液位高度,A、b、E、d常數(shù),MIin流量信號(hào)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存變量,Q瞬時(shí)流量,MIq瞬時(shí)流量計(jì)算值對(duì)應(yīng)的內(nèi)存變量. 2.3 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) m ││δ∣∣22 = min Σω(xi)[S ( xi )-f(xi )] 2 …………………………………… (7) ζ( x ) ∈φ i=0 m (Φi,Φx) = Σω(xi) Φi(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。 2.4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)可以直接導(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。 a) 運(yùn)算曲線 b)運(yùn)算數(shù)據(jù) 圖1 浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算分析和優(yōu)化程序界面 a圖是明渠流量計(jì)的理論計(jì)算流量曲線(黃色)和擬和后分段折線(紅線)。從圖上可以看出,二曲線合而為一,完全吻合。 b圖中,計(jì)算結(jié)果文本框的上部分是擬和曲線參數(shù)和精度計(jì)算,其中,No是分段的序號(hào);MI是各分段中MIin的起始值;diff-Q是本段內(nèi)擬和曲線與理論曲線的最大偏差范圍;Q是擬和的線性段起始點(diǎn)流量值;QMAX是該喉口的最大計(jì)算流量。b圖中,計(jì)算結(jié)果文本框的下部分是822個(gè)計(jì)算點(diǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)、理論數(shù)據(jù)、誤差分析。SI是OPLC的變量值,H是對(duì)應(yīng)流體的高度,Q是理論流量值,Qc是擬合曲線計(jì)算的流量值;△Q是理論公式離散計(jì)算的流量誤差,△Qc是擬合曲線離散計(jì)算的流量誤差。從B圖可以看出,誤差非常小。 本程序適用于符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的各種規(guī)格明渠流量計(jì)。 2.3 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)3天的考核,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。 3 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。 參考資料: [1]北京市計(jì)量局,《中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程匯編》,中國(guó)計(jì)量出版社,2002年5月第一版 [2] 李慶揚(yáng)等《數(shù)值分析》華中理工學(xué)院出版社1982年7月再版
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