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

關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件； 河工模型試驗；自動檢測與控制；開發(fā)應用

1 引言

　　隨著微型計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，許多領(lǐng)域中都引入了計算機自動檢測與控制技術(shù)，而且隨著各領(lǐng)域中研究內(nèi)容的不斷深入與發(fā)展，對計算機自動測控系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)[1,2]。目前在大型的河工模型試驗中，計算機自動測控系統(tǒng)中的測控軟件大都是由軟件開發(fā)人員用各種編程語言通過編制大量的指令和代碼來實現(xiàn)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(guān)至田家庵段河工模型自動檢測與控制系統(tǒng)的研制工作中，首次嘗試引入工控組態(tài)軟件技術(shù)，取得了很好的效果。

　　組態(tài)軟件是近年來在工業(yè)自動化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開發(fā)技術(shù)，開發(fā)人員通常不需要編制具體的指令和代碼，只要利用組態(tài)軟件包中的工具，通過硬件組態(tài)（硬件配置）、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)等工作即可完成所需應用軟件的開發(fā)工作，它具有二次開發(fā)簡便、開發(fā)周期短、通用性強、可靠性高等優(yōu)點。在大型河工模型試驗中引入組態(tài)軟件技術(shù)，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(tǒng)的要求，組態(tài)配置出高性能、高可靠性和高度專業(yè)化的測控軟件系統(tǒng)。

2 MCGS組態(tài)軟件簡介

　　MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows95/98/NT操作系統(tǒng)，可用來快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件包，它為用戶提供了從設備驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)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(tài)軟件具有多任務、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC++編程，通過OLE技術(shù)向用戶提供VB編程接口，提供豐富的設備驅(qū)動構(gòu)件、動畫構(gòu)件、策略構(gòu)件,用戶可隨時方便地擴充系統(tǒng)的功能。

　　MCGS的主要特性如下：

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

　　(2) 提供強大的網(wǎng)絡功能 MCGS強大的網(wǎng)絡功能可把TCP/IP網(wǎng)、485/422/423網(wǎng)、Modem網(wǎng)結(jié)合在一起構(gòu)成大型的監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。

　　(3) 提供開放的OLE接口 MCGS以OLE自動化技術(shù)為基礎(chǔ)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(qū)動構(gòu)件、動畫構(gòu)件和各種策略構(gòu)件，通過OLE接口，用戶可以方便地定制自己特定的系統(tǒng)。

　　MCGS工控組態(tài)軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩大部分，用戶所有的組態(tài)配置過程都是在組態(tài)環(huán)境中進行的，用戶組態(tài)后可生成一個“組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫”的文件。MCGS的運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，它能按照“組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫”中的組態(tài)方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)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(nèi)容

　　淮河干流正陽關(guān)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(qū)。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(qū)輔助行洪，水流流態(tài)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(guī)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(jīng)濟、技術(shù)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(qū)，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(tǒng)

　　根據(jù)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(tǒng)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(diào)節(jié)閥”加“電磁流量計”組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，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(huán)控制系統(tǒng)，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(shù)，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)，e為給定量與輸出量的偏差。

對①式進行數(shù)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。

　?。?）沿程數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集。

　?。?）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。

　?。?）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(tǒng)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(tǒng)中的組態(tài)過程

　　根據(jù)正淮段河工模型試驗對自動測控系統(tǒng)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(tài)軟件對自動測控系統(tǒng)進行應用軟件系統(tǒng)的組態(tài)，也就是在MCGS工控組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，其具體的組態(tài)過程簡述如下：

　?。?）系統(tǒng)菜單和系統(tǒng)參數(shù)組態(tài) 在MCGS的“主控窗口”中，按模型試驗對自動測控系統(tǒng)的要求，對其系統(tǒng)菜單和系統(tǒng)參數(shù)進行定義和設置。

　　（2）設備構(gòu)件的組態(tài) 按此自動測控系統(tǒng)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(tài)。

　?。?）用戶界面的組態(tài) 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(tǒng)運行封面和主控界面的設計組態(tài)。

　?。?）實時數(shù)據(jù)對象的組態(tài) 按此模型試驗對其自動測控系統(tǒng)的要求， 在MCGS的“實時數(shù)據(jù)庫窗口”中分別對有關(guān)的數(shù)據(jù)和變量等進行定義和設置。

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

　　在完成上述的各項組態(tài)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(tǒng)，其組態(tài)后的“用戶窗口”如圖2所示。

3.4 應用系統(tǒng)的運行

　　在MCGS的組態(tài)環(huán)境中完成上述的各項組態(tài)工作之后，系統(tǒng)可生成一個適用于該模型試驗的“組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫”，此后即可在MCGS的運行環(huán)境中對上述生成的應用軟件系統(tǒng)進行運行調(diào)試， 此自動測控系統(tǒng)的運行結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié)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(tài)軟件技術(shù)是可行的，而且還具有很多明顯的優(yōu)勢，如系統(tǒng)配置靈活、開發(fā)周期短、通用性強、可靠性高等。

　　目前工控組態(tài)軟件發(fā)展很快，國內(nèi)外的許多軟件廠商都先后推出了許多工控組態(tài)軟件，如國外的FIX、WINCC、GENIE等；國內(nèi)的“組態(tài)王”、“MCGS”、“虎翼”等，從各種組態(tài)軟件的特點和開發(fā)方法及其功能構(gòu)件上來看，由于MCGS工控組態(tài)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(tài)軟件技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，組態(tài)軟件必將會在水利水電科研中得到進一步的開發(fā)應用