摘要：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運算轉換成的分段的線性運算。開發計算機輔助設計軟件，優化分段，并自動生成的運算參數，在M90/91系列OPLC上實現了復雜運算和浮點數的精確運算。該運算處理方法成功地應用于環保監控系統的污水流量監控中，流量計算精度與直接計算結果幾乎完全吻合。本研究大大地簡化了OPLC控制程序，降低了控制系統的硬件費用，拓展了M90/91系列OPLC的應用范圍。
關鍵詞：Unitronics，OPLC，計算機程序，明渠流量計，流量，環保監測，最小二乘法。 0.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Vision系列，其中M90/91系列的價格便宜，功能強大，性能穩定。M90/91系列OPLC的特點如下：
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字按鍵，用戶可以查看操作提示、動態數據、歷史數據，也可以輸入控制參數和通過按鍵進行控制操作。
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、手機短信、GPRS方式或各種網絡通訊方式，為遠程或網絡內的自動監控、數據采集、系統診斷，為現場無人值守情況下的遠程中心監控提供了便捷價廉的途徑。
3）多功能一體化：M90/91系列OPLC自帶數字量/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。
4）I/O擴展性：每個M91/91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。 1.M90/91系列OPLC在環保在線監控系統中的應用
M90/91系列OPLC在工業和民用方面都具有極大的優勢，在昆明市環保在線監控系統的現場監控中被廣泛采用，至今已經無故障地成功運行了3年，實現了昆明地區污水排放的區域性在線監控，在成都、北京、福建等地的環保監控中也得到了成功的應用。 1.1污水流量的監控
環保在線監控系統由現場監測傳感器、OPLC監控裝置、中心監控軟件等構成，M90/91系列OPLC是現場監測的核心。OPLC監控裝置可以接入來自于各種傳感器的信號，如COD、DOC、SO2、流量、治理設備狀態等幾十種國家規定的監控參數的傳感器，采用GSM/SMS/GPRS方式定時上報環保監控數據，自動上報現場超標報警數據、設備故障、系統斷電等信息，并及時應答監控中心的各種查詢。
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，它們是環保在線監控的主要因子。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。 1.2 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。根據標準JJG711-1990，巴歇爾槽的流量特性計算公式為：
Q=Chan……………………………………………………（1）
其中：Q瞬時流量（m3/sec），ha水頭高度m，C和n是與明渠類型和喉口尺寸相關的常數。小型巴歇爾槽有5個標準的喉口規格，5個獨立的計算公式；標準型巴歇爾槽有12個標準的喉口規格，可以用一個獨立的計算公式計算；大型巴歇爾槽有8個標準的喉口規格，8個獨立的計算公式計算。 1.3 M90/91系列OPLC超聲波明渠流量計流量監控的關鍵問題
M90/91系列OPLC可以實現整數的加減乘除運算，比較運算和邏輯運算，具有PLC的常規控制功能，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保監控站的選用。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，精確地進行浮點數復雜運算的替代是M90/91系列OPLC成功應用的技術關鍵。 2.超聲波明渠流量計流量的替代計算： 2.1超聲波明渠流量計的流量計算處理模式
根據M90/91系列OPLC的性能和環保污水監控應用的特點，提出超聲波明渠流量計流量計算數據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，根據流量計算值誤差最小和滿足M90/91系列OPLC整型數計算的原則，將指數計算公式優化解析成若干段線段的組合，OPLC對輸入的模擬量進行區域判斷和線性計算，獲得瞬時流量。 2.2明渠流量計流量計算公式的轉換：
根據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，MIin流量信號對應的內存變量，Q瞬時流量，MIq瞬時流量計算值對應的內存變量. 2.3 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，優化出滿足精度要求分段數量和各線性段方程系數，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）
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，數據處理模式為
1）根據喉口尺寸，判斷明渠的類型。
2）根據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。 2.4超聲波明渠流量計計算機分析和優化程序的功能
根據以上數據處理模式，設計了超聲波明渠流量計計算機分析和優化程序。該程序可以選擇各種明渠喉口尺寸、擬和點的數量和流量的單位等基本信息，自動生成擬合線段的參數，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，并可以將數據可以直接導出為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OPLC編程空間的余量，選擇適應的擬合線段數量；選擇流量的單位或精度；點擊查詢按鈕，則系統將自動查詢并生成個擬合線段的計算參數和全范圍內的計算數據表；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的范圍，則系統會給出提示，要求調整流量單位，重新進行計算，并進行誤差分析。
 a) 運算曲線 b)運算數據 圖1 浮點數運算分析和優化程序界面 a圖是明渠流量計的理論計算流量曲線（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，計算結果文本框的上部分是擬和曲線參數和精度計算，其中，No是分段的序號；MI是各分段中MIin的起始值；diff-Q是本段內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流量值；QMAX是該喉口的最大計算流量。ｂ圖中，計算結果文本框的下部分是８２２個計算點的計算數據、理論數據、誤差分析。ＳＩ是ＯＰＬＣ的變量值，H是對應流體的高度，Q是理論流量值，Qc是擬合曲線計算的流量值；△Q是理論公式離散計算的流量誤差，△Qc是擬合曲線離散計算的流量誤差。從Ｂ圖可以看出，誤差非常小。
本程序適用于符合國家標準的各種規格明渠流量計。 2.3 測試結果
根據該算法進行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測信號，控制面板得到相同的瞬時流量顯示。經過３天的考核，累計流量顯示值誤差為0.01%。實驗證明了該數據處理模式的正確性。 3 結論：
M90/91系列OPLC模擬量監控系統的浮點數運算處理方法的研究，提出分段擬合，線性處理的數據處理原則，配合計算機程序進行擬合優化，使M90/91系列ＯＰＬＣ可以對模擬量進行精確的浮點數公式運算，大大地擴展了M90／91系列OPLC的應用范圍，節約了用戶程序空間，降低了監控系統的硬件配置成本，也提高了M90/91用戶程序設計的效率，縮短了設計周期。這項研究在昆明環境監測與控制系統中的近200家監控點的流量監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。 參考資料：
[1]北京市計量局，《中華人民共和國國家計量檢定規程匯編》，中國計量出版社，2002年5月第一版
[2] 李慶揚等《數值分析》華中理工學院出版社1982年7月再版
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