MCGS组态软件及其在大型河工模型试验中的应用

摘 要：在进行淮河干流正阳关至田家庵段河工模型自动检测与控制系统的研制工作中，我们首次将工控组态软件技术应用于大型河工模型试验，取得了很好的效果。本文将结合该模型试验中自动测控系统的研制工作，对MCGS组态软件的特性及其在大型河工模型试验中的二次开发应用等内容作一简要的介绍。

关键词：组态软件； 河工模型试验；自动检测与控制；开发应用

1 引言

　　随着微型计算机技术和自动控制技术的不断进步与发展，许多领域中都引入了计算机自动检测与控制技术，而且随着各领域中研究内容的不断深入与发展，对计算机自动测控系统的要求也越来越高。

　　在非恒定流的大型河工模型试验中，由于要对其入流和出流及沿程水位与流速等进行实时的数据采集与控制，所以大都需要采用计算机自动检测与控制枝术[1,2]。目前在大型的河工模型试验中，计算机自动测控系统中的测控软件大都是由软件开发人员用各种编程语言通过编制大量的指令和代码来实现的，其工作量大、成本高、周期长、通用性差。为了改变这种状况，我们在淮河干流正阳关至田家庵段河工模型自动检测与控制系统的研制工作中，首次尝试引入工控组态软件技术，取得了很好的效果。

　　组态软件是近年来在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发技术，开发人员通常不需要编制具体的指令和代码，只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态（硬件配置）、数据组态、图形图像组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作，它具有二次开发简便、开发周期短、通用性强、可靠性高等优点。在大型河工模型试验中引入组态软件技术，可使用户避开复杂的计算机软件代码编制问题，集中精力解决好试验本身的问题，按照试验系统的要求，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的测控软件系统。

2 MCGS组态软件简介

　　MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows95/98/NT操作系统，可用来快速构造和生成上位机监控系统的组态软件包，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC++编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件,用户可随时方便地扩充系统的功能。

　　MCGS的主要特性如下：

　　(1) 提供丰富的设备驱动程序 通过Active DLL把设备驱动挂接在系统中，配置简单、速度快、可靠性高。

　　(2) 提供强大的网络功能 MCGS强大的网络功能可把TCP/IP网、485/422/423网、Modem网结合在一起构成大型的监控系统和管理系统。

　　(3) 提供开放的OLE接口 MCGS以OLE自动化技术为基础的开放式扩充接口允许用户使用VB来快速编制各种设备驱动构件、动画构件和各种策略构件，通过OLE接口，用户可以方便地定制自己特定的系统。

　　MCGS工控组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，用户所有的组态配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据库”的文件。MCGS的运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数据库”中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

3 MCGS在大型河工模型试验中的应用

3. 1 正淮段河工模型试验任务及内容

　　淮河干流正阳关至淮南河段长78.7km,涉及安徽省四个县市，沿程分布有五个行洪区。该河段分汊多、河床弯曲、冲淤变化大，尤其是凤台段，卡口束水、阻水严重，行洪能力严重不足。中等以上洪水必须启用行洪区辅助行洪，水流流态极其紊乱复杂，行洪效果差，是淮干中游河道整治的重点和难点。

　　对该段河道整治，规划上提出了开分洪道、退堤、切滩、全线或局部疏浚河道等不同方案和组合，为验证各方案的经济、技术合理性，特进行动床河工模型试验。

模型长150m , 最大宽度36m , 模型平面比尺Lr=500，垂直比尺Hr=80，采用十字板梅花加糙。试验中的水位、流量、流速、口门、尾门、含沙量、地形等全部实行自动量测与控制。

　　由于该河段有多个行蓄洪区，洪水的非恒定流特征十分明显，试验按实测的水位 流量过程进行控制，比常用的阶梯简化过程更符合实际情况。

3. 2 正淮段河工模型试验自动检测与控制系统

　　根据试验任务和其对测量控制的要求，正淮段河工模型试验自动检测与控制系统的功能如下：

（1） 入流控制 该模型试验要求有两种入流控制方式，一种是用“电动调节阀”加“电磁流量计”组成的闭环控制系统，用于对浑水入流进行控制；另一种是采用电动量水堰，即堰上水头闭环控制系统，用于对清水入流进行控制。

　　为了使入流控制可靠准确，采用了增量式PID控制法。对于典型的PID控制，其控制式为

(1) 式中 u为输出函数，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，e为给定量与输出量的偏差。

对①式进行数字化离散处理后，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为增量输出，T为采样周期，ei为当前的差值，ei-1为ei前一次的差值，ei-2为ei-1前一次的差值。

　　（2）沿程数据采集 在试验过程中，自动对沿程的17点水位、4个断面共40点流速、4点含沙量和两个断面地形进行实时数据采集。

　　（3）口门控制 该试验要求能用两种方式对行洪口门进行控制，一种是按水位过程进行控制，另一种是按时间进行控制。沿程口门共13处，最大单门宽度为3.6m。

　　（4）尾水控制 试验过程中，需要对尾水的水位过程线或流量过程线进行实时控制，与入流控制相似，在尾门控制中也采用了增量式PID控制方式。

　　正淮段河工模型试验自动检测与控制系统的硬件组成框图如图1所示。

3.3 MCGS在正淮段河工模型测控系统中的组态过程

　　根据正淮段河工模型试验对自动测控系统的要求，在选择好相应的硬件设备，如A/D卡、D/I卡、D/O卡后，即可用MCGS组态软件对自动测控系统进行应用软件系统的组态，也就是在MCGS工控组态软件的基础上进行二次开发，其具体的组态过程简述如下：

　　（1）系统菜单和系统参数组态 在MCGS的“主控窗口”中，按模型试验对自动测控系统的要求，对其系统菜单和系统参数进行定义和设置。

　　（2）设备构件的组态 按此自动测控系统中的硬件配置情况，在MCGS的“设备窗口”中对水位仪、A/D卡、I/O卡等进行设置和组态。

　　（3）用户界面的组态 按模型试验的要求和用户的习惯，在MCGS的“用户窗口”中用MCGS的工具进行系统运行封面和主控界面的设计组态。

　　（4）实时数据对象的组态 按此模型试验对其自动测控系统的要求， 在MCGS的“实时数据库窗口”中分别对有关的数据和变量等进行定义和设置。

　　（5）运行策略的组态 按该模型试验对自动测控系统的运行要求，在MCGS“运行策略”窗口中，可分别对系统的“启动策略”、“循环策略”、“存盘策略”、“口门策略”等进行设置和组态。

　　在完成上述的各项组态设置后，即可生成一个适用于该模型试验的自动测控应用软件系统，其组态后的“用户窗口”如图2所示。

3.4 应用系统的运行

　　在MCGS的组态环境中完成上述的各项组态工作之后，系统可生成一个适用于该模型试验的“组态结果数据库”，此后即可在MCGS的运行环境中对上述生成的应用软件系统进行运行调试， 此自动测控系统的运行结果如图3所示。

4 结束语

　　从正淮段河工模型试验的实际应用情况来看，在大型河工模型试验中引入组态软件技术是可行的，而且还具有很多明显的优势，如系统配置灵活、开发周期短、通用性强、可靠性高等。

　　目前工控组态软件发展很快，国内外的许多软件厂商都先后推出了许多工控组态软件，如国外的FIX、WINCC、GENIE等；国内的“组态王”、“MCGS”、“虎翼”等，从各种组态软件的特点和开发方法及其功能构件上来看，由于MCGS工控组态软件具有PID设置、曲线跟踪和便于外扩等功能，比较适宜于在大型河工模型试验中应用。相信随着工控组态软件技术的不断完善与发展，组态软件必将会在水利水电科研中得到进一步的开发应用