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摘 要：在進(jìn)行淮河干流正陽(yáng)關(guān)至田家庵段河工模型自動(dòng)檢測(cè)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(yīng)用于大型河工模型試驗(yàn)，取得了很好的效果。本文將結(jié)合該模型試驗(yàn)中自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的研制工作，對(duì)MCGS組態(tài)軟件的特性及其在大型河工模型試驗(yàn)中的二次開發(fā)應(yīng)用等內(nèi)容作一簡(jiǎn)要的介紹。
關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件； 河工模型試驗(yàn)；自動(dòng)檢測(cè)與控制；開發(fā)應(yīng)用
1 引言
隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，許多領(lǐng)域中都引入了計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)，而且隨著各領(lǐng)域中研究?jī)?nèi)容的不斷深入與發(fā)展，對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。
在非恒定流的大型河工模型試驗(yàn)中，由于要對(duì)其入流和出流及沿程水位與流速等進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與控制，所以大都需要采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)與控制枝術(shù)[1,2]。目前在大型的河工模型試驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中的測(cè)控軟件大都是由軟件開發(fā)人員用各種編程語(yǔ)言通過(guò)編制大量的指令和代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其工作量大、成本高、周期長(zhǎng)、通用性差。為了改變這種狀況，我們?cè)诨春痈闪髡?yáng)關(guān)至田家庵段河工模型自動(dòng)檢測(cè)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(lái)在工業(yè)自動(dòng)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(guò)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(yīng)用軟件的開發(fā)工作，它具有二次開發(fā)簡(jiǎn)便、開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在大型河工模型試驗(yàn)中引入組態(tài)軟件技術(shù)，可使用戶避開復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟件代碼編制問(wèn)題，集中精力解決好試驗(yàn)本身的問(wèn)題，按照試驗(yàn)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(cè)控軟件系統(tǒng)。
2 MCGS組態(tài)軟件簡(jiǎn)介
MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows95/98/NT操作系統(tǒng)，可用來(lái)快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件包，它為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、流程控制、動(dòng)畫顯示、報(bào)表輸出等解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和操作工具。MCGS組態(tài)軟件具有多任務(wù)、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC++編程，通過(guò)OLE技術(shù)向用戶提供VB編程接口，提供豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、動(dòng)畫構(gòu)件、策略構(gòu)件,用戶可隨時(shí)方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的功能。
MCGS的主要特性如下：
(1) 提供豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 通過(guò)Active DLL把設(shè)備驅(qū)動(dòng)掛接在系統(tǒng)中，配置簡(jiǎn)單、速度快、可靠性高。
(2) 提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能 MCGS強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)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O(shè)LE自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)的開放式擴(kuò)充接口允許用戶使用VB來(lái)快速編制各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、動(dòng)畫構(gòu)件和各種策略構(gòu)件，通過(guò)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(yùn)行環(huán)境兩大部分，用戶所有的組態(tài)配置過(guò)程都是在組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行的，用戶組態(tài)后可生成一個(gè)“組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)”的文件。MCGS的運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，它能按照“組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)”中的組態(tài)方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。
3 MCGS在大型河工模型試驗(yàn)中的應(yīng)用
3. 1 正淮段河工模型試驗(yàn)任務(wù)及內(nèi)容
淮河干流正陽(yáng)關(guān)至淮南河段長(zhǎng)78.7km,涉及安徽省四個(gè)縣市，沿程分布有五個(gè)行洪區(qū)。該河段分汊多、河床彎曲、沖淤變化大，尤其是鳳臺(tái)段，卡口束水、阻水嚴(yán)重，行洪能力嚴(yán)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(fù)雜，行洪效果差，是淮干中游河道整治的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
對(duì)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(yàn)證各方案的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)合理性，特進(jìn)行動(dòng)床河工模型試驗(yàn)。
模型長(zhǎng)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(yàn)中的水位、流量、流速、口門、尾門、含沙量、地形等全部實(shí)行自動(dòng)量測(cè)與控制。
由于該河段有多個(gè)行蓄洪區(qū)，洪水的非恒定流特征十分明顯，試驗(yàn)按實(shí)測(cè)的水位 流量過(guò)程進(jìn)行控制，比常用的階梯簡(jiǎn)化過(guò)程更符合實(shí)際情況。
3. 2 正淮段河工模型試驗(yàn)自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)
根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)和其對(duì)測(cè)量控制的要求，正淮段河工模型試驗(yàn)自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的功能如下：
（1） 入流控制 該模型試驗(yàn)要求有兩種入流控制方式，一種是用“電動(dòng)調(diào)節(jié)閥”加“電磁流量計(jì)”組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于對(duì)渾水入流進(jìn)行控制；另一種是采用電動(dòng)量水堰，即堰上水頭閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于對(duì)清水入流進(jìn)行控制。
為了使入流控制可靠準(zhǔn)確，采用了增量式PID控制法。對(duì)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(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，e為給定量與輸出量的偏差。
對(duì)①式進(jìn)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(dāng)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(shù)據(jù)采集 在試驗(yàn)過(guò)程中，自動(dòng)對(duì)沿程的17點(diǎn)水位、4個(gè)斷面共40點(diǎn)流速、4點(diǎn)含沙量和兩個(gè)斷面地形進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。
（3）口門控制 該試驗(yàn)要求能用兩種方式對(duì)行洪口門進(jìn)行控制，一種是按水位過(guò)程進(jìn)行控制，另一種是按時(shí)間進(jìn)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(yàn)過(guò)程中，需要對(duì)尾水的水位過(guò)程線或流量過(guò)程線進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yàn)自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。
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3.3 MCGS在正淮段河工模型測(cè)控系統(tǒng)中的組態(tài)過(guò)程
根據(jù)正淮段河工模型試驗(yàn)對(duì)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的要求，在選擇好相應(yīng)的硬件設(shè)備，如A/D卡、D/I卡、D/O卡后，即可用MCGS組態(tài)軟件對(duì)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)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(jìn)行二次開發(fā)，其具體的組態(tài)過(guò)程簡(jiǎn)述如下：
（1）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(yàn)對(duì)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的要求，對(duì)其系統(tǒng)菜單和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行定義和設(shè)置。
（2）設(shè)備構(gòu)件的組態(tài) 按此自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中的硬件配置情況，在MCGS的“設(shè)備窗口”中對(duì)水位儀、A/D卡、I/O卡等進(jìn)行設(shè)置和組態(tài)。
（3）用戶界面的組態(tài) 按模型試驗(yàn)的要求和用戶的習(xí)慣，在MCGS的“用戶窗口”中用MCGS的工具進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行封面和主控界面的設(shè)計(jì)組態(tài)。
（4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)象的組態(tài) 按此模型試驗(yàn)對(duì)其自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的要求， 在MCGS的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)窗口”中分別對(duì)有關(guān)的數(shù)據(jù)和變量等進(jìn)行定義和設(shè)置。
（5）運(yùn)行策略的組態(tài) 按該模型試驗(yàn)對(duì)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行要求，在MCGS“運(yùn)行策略”窗口中，可分別對(duì)系統(tǒng)的“啟動(dòng)策略”、“循環(huán)策略”、“存盤策略”、“口門策略”等進(jìn)行設(shè)置和組態(tài)。
在完成上述的各項(xiàng)組態(tài)設(shè)置后，即可生成一個(gè)適用于該模型試驗(yàn)的自動(dòng)測(cè)控應(yīng)用軟件系統(tǒng)，其組態(tài)后的“用戶窗口”如圖2所示。
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3.4 應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行
在MCGS的組態(tài)環(huán)境中完成上述的各項(xiàng)組態(tài)工作之后，系統(tǒng)可生成一個(gè)適用于該模型試驗(yàn)的“組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)”，此后即可在MCGS的運(yùn)行環(huán)境中對(duì)上述生成的應(yīng)用軟件系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試， 此自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
從正淮段河工模型試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，在大型河工模型試驗(yàn)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(shì)，如系統(tǒng)配置靈活、開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)、可靠性高等。
目前工控組態(tài)軟件發(fā)展很快，國(guó)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(guó)外的FIX、WINCC、GENIE等；國(guó)內(nèi)的“組態(tài)王”、“MCGS”、“虎翼”等，從各種組態(tài)軟件的特點(diǎn)和開發(fā)方法及其功能構(gòu)件上來(lái)看，由于MCGS工控組態(tài)軟件具有PID設(shè)置、曲線跟蹤和便于外擴(kuò)等功能，比較適宜于在大型河工模型試驗(yàn)中應(yīng)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(huì)在水利水電科研中得到進(jìn)一步的開發(fā)應(yīng)用
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