★北京廣利核系統工程有限公司趙偉雄，程康，史雄偉，王家興，王賀

★中廣核數字科技有限公司鄒文斌

關(guān)鍵詞：PLC；模擬量；輸入模塊；線(xiàn)性擬合；自動(dòng)校準；最小二乘法

1　引言

隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC（可編程控制器）在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應用日益廣泛^[1]。模擬量輸入模塊是PLC系統中的重要組成部分，它能夠將外部模擬信號轉換為PLC能夠識別的數字信號。這些數字信號可以被PLC系統進(jìn)一步處理，從而控制各種工業(yè)設備。

然而，在模擬量模塊生產(chǎn)、使用過(guò)程中，由于各種PCB布線(xiàn)、元器件精度、溫度等因素的影響，模擬量輸入模塊會(huì )出現精度不夠高的情況，不能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)使用要求^[2]。這種情況下，就需要進(jìn)行校準來(lái)提高模擬量輸入模塊的精度。傳統的校準方法通常需要人工干預，且耗時(shí)較長(cháng)。因此，本文設計了采用PLC控制器和改良后的模擬量輸出塊作為信號源，利用電腦的強大運行能力和直觀(guān)的圖形界面顯示，使用線(xiàn)性擬合方法對PLC模擬量輸入模塊進(jìn)行自動(dòng)校準。該方案能夠準確、快速地校準模擬量輸入模塊。

2　傳統校準方法

通常，模擬量輸入模塊包括多種類(lèi)型，如（-10V～10V、-1～1V等）電壓輸入，（0～20mA，4～20mA等）電流輸入等^[3]，并且每個(gè)模擬量輸入模塊包含多個(gè)輸入通道。這意味著(zhù)在校準過(guò)程中，需要對每種類(lèi)型、每個(gè)通道都進(jìn)行校準。

傳統的校準方法采用手動(dòng)調節的校準方法^[4]，這種方法需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員使用專(zhuān)門(mén)的校準設備產(chǎn)生標準電壓或電流信號作為輸入源測量記錄PLC模擬量輸入模塊的采集值。然后，通過(guò)對比采集值與標準信號的差異，反復調整偏置值和校準值來(lái)完成校準。最后，重復相同步驟完成所有通道的校準。

雖然這種方法在一定程度上可以提高PLC模擬量輸入模塊的精度，但是有幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)。首先，它依賴(lài)于專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對模塊的所有通道逐個(gè)進(jìn)行校準，對每個(gè)通道校準的步驟也非常復雜，校準過(guò)程相對耗費人工，不利于批量校準測試，生產(chǎn)效率低^[5]。其次，容易出現人為因素造成的誤差，因為校準過(guò)程需要人工干預，不同的人有可能會(huì )出現不同的誤差。最后，標準設備電壓、電流信號的方法雖然精度高，但需要購買(mǎi)昂貴的校準設備，不夠經(jīng)濟實(shí)用。

3　基于線(xiàn)性擬合的自動(dòng)校準法

線(xiàn)性擬合的自動(dòng)校準法是一種高效、精度高的校準方法^[6]，能夠解決傳統校準方法存在的問(wèn)題，如高人工成本、精度低、時(shí)間長(cháng)等。它的原理很簡(jiǎn)單，主要就是使用線(xiàn)性擬合算法來(lái)計算標準值和測量值之間的線(xiàn)性關(guān)系，然后通過(guò)計算機自動(dòng)控制校準過(guò)程，使用PLC輸出模塊作為信號源。這樣就可以快速、精確地完成校準，無(wú)需人工干預。

在這種方法中，使用PLC模擬量輸出模塊替代了標準電壓源和電流源。作為模擬量輸入模塊的輸入源，為了滿(mǎn)足校準要求，對PLC輸出模塊進(jìn)行了優(yōu)化，采用高精度的DAC芯片，其輸出精度比模擬量輸入模塊的精度高一個(gè)數量級，并經(jīng)過(guò)了預先校準。PLC輸出模塊通常也包含電壓輸入（例如-10V~10V，-1V~1V）和電流輸入（例如0~20mA，4~20mA）等多種類(lèi)型和多個(gè)通道，并且其輸出穩定、可編程自動(dòng)調節輸出，這樣就可以避免手動(dòng)調節輸入源的繁瑣，并且減少了反復調整的次數，一次校準多個(gè)通道，大大縮短了校準時(shí)間。

下面，我們以風(fēng)機控制PLC的模擬量輸入模塊AI8（-10V~10V）電壓輸入校準為例來(lái)詳細介紹這種自動(dòng)校準方法的具體流程。

3.1　硬件連接

硬件連接如圖1所示，其中AI08是8通道模擬量輸入模塊，AO08是8通道模擬量輸出模塊，MPC7000是風(fēng)機PLC主控制器模塊。

圖1 硬件連接圖

將AO08模塊的輸出電壓接到AI08模塊的輸入端，并將兩個(gè)模塊的GND連接在一起。電腦通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接PLC的主控模塊MPC7000，電腦上運行校準軟件。校準軟件采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)以太網(wǎng)和PLC進(jìn)行通信。校準軟件界面如圖2所示。

圖2 電腦校準工具

3.2　校準過(guò)程

PLC模塊提供了兩個(gè)功能接口來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的校準要求，分別是AI_Calibrate_Set和AI_Mode_Set。前者用于設置模擬量模塊的校準值，參數包括CardID、Channel、Gain和offset；后者用于設置模塊的工作模式，參數包括CardID、Channel和mode。這些功能接口可以通過(guò)在PLC上編寫(xiě)ST語(yǔ)言進(jìn)行調用。

電腦自動(dòng)校準軟件為了使校準工作盡可能準確，通常會(huì )設計一系列步驟來(lái)進(jìn)行校準。

（1）首先軟件會(huì )設置校準模式，例如設定校準模式為（-10V~10V）的電壓輸入模式。

（2）軟件會(huì )發(fā)送AO輸出電壓值，輸出值的大小和范圍可以根據輸入模式動(dòng)態(tài)調整。例如，如果范圍是（-10V~10V），那么就可以從-10V開(kāi)始作為輸出值。

（3）軟件會(huì )延遲100ms，等待數據穩定后再讀取對應的AI輸入電壓值。將AI輸入電壓值和AO輸出值記錄到Excel文件中，便于用戶(hù)查看。

（4）最后，軟件會(huì )修改AO輸出值，然后重復上述步驟，直到記錄完成-10V~10V范圍內多組不同的AO輸出值和AI輸入值。為了提高校準精度，軟件需要盡可能多地采集測量值和實(shí)際值。

當軟件完成了對多組值的采集后，就可以使用線(xiàn)性擬合算法來(lái)計算出偏差和增益值，然后調用AI_Calibrate_Set函數設置AI校準值。在設置完校準值后，軟件還需要進(jìn)行校驗，以確保校準工作的準確性。為此，軟件會(huì )隨機從（-10V~10V）范圍內選擇幾組值，并設置AO輸出值，同時(shí)記錄AI采集值。然后，軟件會(huì )判斷誤差是否滿(mǎn)足要求，如果不滿(mǎn)足，則重復上述步驟，直到連續3次誤差都滿(mǎn)足要求為止。如果連續3次誤差都不滿(mǎn)足要求，則軟件會(huì )報警提示操作人員。

通過(guò)使用PLC模塊的AI_Calibrate_Set和AI_Mode_Set功能接口，電腦自動(dòng)校準軟件可以自動(dòng)完成多組測量值和實(shí)際值的采集，并使用線(xiàn)性擬合算法計算出偏差和增益值，最終使得校準工作更加精確。在校準過(guò)程中，軟件還提供了記錄、顯示和檢測的功能，使得校準過(guò)程更加透明和可控。

電腦自動(dòng)校準軟件的校準功能可以應用于多種工業(yè)場(chǎng)景，例如用于自動(dòng)化測量設備的校準，或者用于工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)上的自動(dòng)化設備校準。通過(guò)使用軟件自動(dòng)完成校準工作，可以大大提高工作效率，并減少了人為操作的誤差。此外，電腦自動(dòng)校準軟件還可以提供多種定制功能，例如可以根據用戶(hù)的特定要求來(lái)設計校準流程，或者提供多種數據輸出格式，使得校準工作更加靈活。

3.3　線(xiàn)性擬合校準算法

線(xiàn)性擬合算法校準模擬量輸入是一種常用的校準方法^[7]，它通過(guò)對數據進(jìn)行線(xiàn)性擬合來(lái)校準模擬量輸入的值。這種方法可以用來(lái)確定模擬量輸入值與實(shí)際輸出電壓值之間的關(guān)系。例如本文使用AI08模塊的1通道來(lái)收集模擬量輸入的數據，并記錄下來(lái)，同時(shí)通過(guò)電腦記錄下AO08模塊的1通道的實(shí)際輸出電壓值。我們可以使用線(xiàn)性擬合算法來(lái)對這些數據進(jìn)行分析，從而確定模擬量輸入值與AO81通道輸出電壓值之間的關(guān)系。表1是校準前AO08模塊1通道的實(shí)際輸出電壓值對應的AI08模塊1通道的測量電壓值。

表1 模擬電壓測量值和實(shí)際值

為了更好地看出測量電壓值和實(shí)際電壓值的對應關(guān)系，在Matlab中用曲線(xiàn)表示出來(lái)，如圖3所示。

圖3 實(shí)際電壓和測量電壓的對應關(guān)系圖

從圖3中可以看出實(shí)際電壓值和測量電壓值之間呈現良好的線(xiàn)性關(guān)系，這意味著(zhù)可以將測量值和實(shí)際值之間的關(guān)系抽象為線(xiàn)性關(guān)系方程。為了更好地表示這種關(guān)系，可以設定一個(gè)變量x表示測量電壓值，并設定一個(gè)變量y表示實(shí)際電壓值。然后，通過(guò)使用線(xiàn)性方程y=ax+b來(lái)模擬測量值和實(shí)際值之間的關(guān)系。在這個(gè)方程中，參數a表示斜率，也就是增益值；參數b則是方程的常數項，也就是偏置值。

為了精確地計算參數a、b，采用線(xiàn)性擬合中常用的最小二乘法^[8][9]，它是一種數學(xué)方法，可以幫助我們確定模型參數，使得模型在預測值和實(shí)際值之間的差距最小。圖4所示的是最小二乘法的c語(yǔ)言實(shí)現。

圖4 c程序最小二乘法

把測量值作為x，實(shí)際輸出值作為y，代入根據上面計算，可以得到以下結果：

a=1.046，b=569。

即可得到校準曲線(xiàn)為：y=1.046x+569。然后把校準參數通過(guò)AI_Calibrate_Set更新到AI08模塊中，重新測量模擬電壓輸入值，可得到如表2所示的數據。

表2 模擬電壓測量值和實(shí)際值

在分析表1和表2的數據后，可以發(fā)現：表1中的最大誤差為988mV，測量結果與實(shí)際電壓值之間的差距較大，而在經(jīng)過(guò)線(xiàn)性擬合校準之后，表2中的最大誤差降至了9mV。這表明，線(xiàn)性擬合校準技術(shù)能夠有效地提高測量精度，使得誤差小于最大量程的0.1%。測量結果已經(jīng)達到了設計要求的精度水平。

綜上所述，通過(guò)對測量結果進(jìn)行線(xiàn)性擬合校準，可以大幅度地提高測量的準確性，從而滿(mǎn)足設計要求。

4　結論

在進(jìn)行PLC模擬量輸入模塊的校準工作時(shí)，本文所提出的方法顯得尤為有效。實(shí)驗結果表明，該方法不僅具有較高的精度，而且能夠自動(dòng)完成校準過(guò)程，避免了人為因素造成的誤差。與傳統的校準方法相比，這點(diǎn)顯得更加優(yōu)越。除了精度和自動(dòng)化程度方面的優(yōu)勢之外，該方法還具有較低的計算復雜度。使用線(xiàn)性擬合方法進(jìn)行校準時(shí)，計算量并不大，且采用計算機自動(dòng)控制，節省人力，因此該方法在實(shí)際應用中具有較好的實(shí)用性。

在后續工作中，如果想進(jìn)一步提升校準精度，也可以考慮分區間校準的方式^[10]。根據模擬量輸入信號的曲線(xiàn)，可以將其劃分為可近似認為線(xiàn)性的多個(gè)區間^[11]。對于不同的區間，可以采用不同的校準曲線(xiàn)^[12]。這樣，就可以更加精確地校準模擬量輸入信號，從而提高校準精度。

總之，本文所提出的校準方法在精度、自動(dòng)化程度和實(shí)用性方面都具有很大的優(yōu)勢。在實(shí)際應用中，可以根據需要進(jìn)一步提升校準精度，使校準工作更加高效、精確。

作者簡(jiǎn)介：

趙偉雄（1990-），男，河北邯鄲人，高級工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事廣利核嵌入式軟件開(kāi)發(fā)方面的研究。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年12月刊