MCGS組態軟件及其在大型河工模型試驗中的應用

摘 要：在進行淮河干流正陽關至田家庵段河工模型自動檢測與控制系統的研制工作中，我們首次將工控組態軟件技術應用于大型河工模型試驗，取得了很好的效果。本文將結合該模型試驗中自動測控系統的研制工作，對MCGS組態軟件的特性及其在大型河工模型試驗中的二次開發應用等內容作一簡要的介紹。

關鍵詞：組態軟件； 河工模型試驗；自動檢測與控制；開發應用

1 引言

　　隨著微型計算機技術和自動控制技術的不斷進步與發展，許多領域中都引入了計算機自動檢測與控制技術，而且隨著各領域中研究內容的不斷深入與發展，對計算機自動測控系統的要求也越來越高。

　　在非恒定流的大型河工模型試驗中，由于要對其入流和出流及沿程水位與流速等進行實時的數據采集與控制，所以大都需要采用計算機自動檢測與控制枝術[1,2]。目前在大型的河工模型試驗中，計算機自動測控系統中的測控軟件大都是由軟件開發人員用各種編程語言通過編制大量的指令和代碼來實現的，其工作量大、成本高、周期長、通用性差。為了改變這種狀況，我們在淮河干流正陽關至田家庵段河工模型自動檢測與控制系統的研制工作中，首次嘗試引入工控組態軟件技術，取得了很好的效果。

　　組態軟件是近年來在工業自動化領域興起的一種新型的軟件開發技術，開發人員通常不需要編制具體的指令和代碼，只要利用組態軟件包中的工具，通過硬件組態（硬件配置）、數據組態、圖形圖像組態等工作即可完成所需應用軟件的開發工作，它具有二次開發簡便、開發周期短、通用性強、可靠性高等優點。在大型河工模型試驗中引入組態軟件技術，可使用戶避開復雜的計算機軟件代碼編制問題，集中精力解決好試驗本身的問題，按照試驗系統的要求，組態配置出高性能、高可靠性和高度專業化的測控軟件系統。

2 MCGS組態軟件簡介

　　MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows95/98/NT操作系統，可用來快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件包，它為用戶提供了從設備驅動、數據采集到數據處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案和操作工具。MCGS組態軟件具有多任務、多線程功能，其系統框架采用VC++編程，通過OLE技術向用戶提供VB編程接口，提供豐富的設備驅動構件、動畫構件、策略構件,用戶可隨時方便地擴充系統的功能。

　　MCGS的主要特性如下：

　　(1) 提供豐富的設備驅動程序 通過Active DLL把設備驅動掛接在系統中，配置簡單、速度快、可靠性高。

　　(2) 提供強大的網絡功能 MCGS強大的網絡功能可把TCP/IP網、485/422/423網、Modem網結合在一起構成大型的監控系統和管理系統。

　　(3) 提供開放的OLE接口 MCGS以OLE自動化技術為基礎的開放式擴充接口允許用戶使用VB來快速編制各種設備驅動構件、動畫構件和各種策略構件，通過OLE接口，用戶可以方便地定制自己特定的系統。

　　MCGS工控組態軟件系統包括組態環境和運行環境兩大部分，用戶所有的組態配置過程都是在組態環境中進行的，用戶組態后可生成一個“組態結果數據庫”的文件。MCGS的運行環境是一個獨立的運行系統，它能按照“組態結果數據庫”中的組態方式進行各種處理，完成用戶組態設計的目標和功能。

3 MCGS在大型河工模型試驗中的應用

3. 1 正淮段河工模型試驗任務及內容

　　淮河干流正陽關至淮南河段長78.7km,涉及安徽省四個縣市，沿程分布有五個行洪區。該河段分汊多、河床彎曲、沖淤變化大，尤其是鳳臺段，卡口束水、阻水嚴重，行洪能力嚴重不足。中等以上洪水必須啟用行洪區輔助行洪，水流流態極其紊亂復雜，行洪效果差，是淮干中游河道整治的重點和難點。

　　對該段河道整治，規劃上提出了開分洪道、退堤、切灘、全線或局部疏浚河道等不同方案和組合，為驗證各方案的經濟、技術合理性，特進行動床河工模型試驗。

模型長150m , 最大寬度36m , 模型平面比尺Lr=500，垂直比尺Hr=80，采用十字板梅花加糙。試驗中的水位、流量、流速、口門、尾門、含沙量、地形等全部實行自動量測與控制。

　　由于該河段有多個行蓄洪區，洪水的非恒定流特征十分明顯，試驗按實測的水位 流量過程進行控制，比常用的階梯簡化過程更符合實際情況。

3. 2 正淮段河工模型試驗自動檢測與控制系統

　　根據試驗任務和其對測量控制的要求，正淮段河工模型試驗自動檢測與控制系統的功能如下：

（1） 入流控制 該模型試驗要求有兩種入流控制方式，一種是用“電動調節閥”加“電磁流量計”組成的閉環控制系統，用于對渾水入流進行控制；另一種是采用電動量水堰，即堰上水頭閉環控制系統，用于對清水入流進行控制。

　　為了使入流控制可靠準確，采用了增量式PID控制法。對于典型的PID控制，其控制式為

(1) 式中 u為輸出函數，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，e為給定量與輸出量的偏差。

對①式進行數字化離散處理后，可得到增量式PID算式

ΔuI＝Kp［eI－ei-1＋(T/Ti)eI＋Td/T(eI－2ei-1＋ei-2)］

(2) 式中 Δui為增量輸出，T為采樣周期，ei為當前的差值，ei-1為ei前一次的差值，ei-2為ei-1前一次的差值。

　　（2）沿程數據采集 在試驗過程中，自動對沿程的17點水位、4個斷面共40點流速、4點含沙量和兩個斷面地形進行實時數據采集。

　　（3）口門控制 該試驗要求能用兩種方式對行洪口門進行控制，一種是按水位過程進行控制，另一種是按時間進行控制。沿程口門共13處，最大單門寬度為3.6m。

　　（4）尾水控制 試驗過程中，需要對尾水的水位過程線或流量過程線進行實時控制，與入流控制相似，在尾門控制中也采用了增量式PID控制方式。

　　正淮段河工模型試驗自動檢測與控制系統的硬件組成框圖如圖1所示。

3.3 MCGS在正淮段河工模型測控系統中的組態過程

　　根據正淮段河工模型試驗對自動測控系統的要求，在選擇好相應的硬件設備，如A/D卡、D/I卡、D/O卡后，即可用MCGS組態軟件對自動測控系統進行應用軟件系統的組態，也就是在MCGS工控組態軟件的基礎上進行二次開發，其具體的組態過程簡述如下：

　　（1）系統菜單和系統參數組態 在MCGS的“主控窗口”中，按模型試驗對自動測控系統的要求，對其系統菜單和系統參數進行定義和設置。

　　（2）設備構件的組態 按此自動測控系統中的硬件配置情況，在MCGS的“設備窗口”中對水位儀、A/D卡、I/O卡等進行設置和組態。

　　（3）用戶界面的組態 按模型試驗的要求和用戶的習慣，在MCGS的“用戶窗口”中用MCGS的工具進行系統運行封面和主控界面的設計組態。

　　（4）實時數據對象的組態 按此模型試驗對其自動測控系統的要求， 在MCGS的“實時數據庫窗口”中分別對有關的數據和變量等進行定義和設置。

　　（5）運行策略的組態 按該模型試驗對自動測控系統的運行要求，在MCGS“運行策略”窗口中，可分別對系統的“啟動策略”、“循環策略”、“存盤策略”、“口門策略”等進行設置和組態。

　　在完成上述的各項組態設置后，即可生成一個適用于該模型試驗的自動測控應用軟件系統，其組態后的“用戶窗口”如圖2所示。

3.4 應用系統的運行

　　在MCGS的組態環境中完成上述的各項組態工作之后，系統可生成一個適用于該模型試驗的“組態結果數據庫”，此后即可在MCGS的運行環境中對上述生成的應用軟件系統進行運行調試， 此自動測控系統的運行結果如圖3所示。

4 結束語

　　從正淮段河工模型試驗的實際應用情況來看，在大型河工模型試驗中引入組態軟件技術是可行的，而且還具有很多明顯的優勢，如系統配置靈活、開發周期短、通用性強、可靠性高等。

　　目前工控組態軟件發展很快，國內外的許多軟件廠商都先后推出了許多工控組態軟件，如國外的FIX、WINCC、GENIE等；國內的“組態王”、“MCGS”、“虎翼”等，從各種組態軟件的特點和開發方法及其功能構件上來看，由于MCGS工控組態軟件具有PID設置、曲線跟蹤和便于外擴等功能，比較適宜于在大型河工模型試驗中應用。相信隨著工控組態軟件技術的不斷完善與發展，組態軟件必將會在水利水電科研中得到進一步的開發應用