基于组态软件的水力机械模型试验台测控系统的开发

・７２・　《测控技术）２０１５年第３４卷第１Ｏ期　

基于组态软件的水力机械模型试验台　

测控系统的开发　

吾买尔・吐尔逊　，穆哈西　，夏庆成　，张德虎　

（１．新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐８３００５２；２．河海大学能源与电气学院，江苏南京２１００９８）　

摘要：由于自动化程度低的原因，传统的水力机械模型试验台无法实现模型机的稳定运转，这就产生误　

差，降低试验数据精度。针对这种情况，利用可编程序控制器及其模块、组态软件ＭＣＧＳ开发了水力机　

械模型试验台测控系统。该系统通过ＰＬＣ与ＭＣＧＳ，能自动控制试验台辅助设备，保证模型机的稳定运　

转，及时采集试验数据。试验结果表明，使用此系统后原模型试验台试验数据精度得到明显提高，给水　

力机械制造厂提供可靠的数据参数。该系统不仅具有操作简单、抗干扰能力强、灵活方便、实用等特点，　

而且大大降低由控制试验台辅助设备所引起的试验数据误差。　

关键词：组态软件；水力机械；模型试验台；ＰＬＣ；测控系统；ＭＣＧＳ　

中图分类号：ＴＰ２９　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８８２９（２０１５）１０—００７２—０３　

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ－Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｍｏｄｅｌ　Ｔｅｓｔ　Ｂｅｄ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　

ＷＵＭＡＩＥＲ　ＴＵＥＲＸＵＮ　，ＭＵＨＡＸＩ　，ＸＩＡ　Ｑｉｎｇ．ｃｈｅｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｄｅ．ｈｕ　

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００５２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｍｉｎｇ　２１００９８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌＯＷ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ　ｂｅｄ　ｃａｕｓｅｓ　ｅｒｒｏｒ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　

ｄａｔａ，ａｎｄ　ｒｅｄｕｅｅｓ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｄａｔａ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｍｕｌｔｉ—ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｇｒｅｅ　

ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ　ｂｅｄ，ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｎ—　

ｐｌｅｘ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｓ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｂｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＣＧＳ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｄｅ—　

ｖｉｃｅ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｕｓｅ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　

ｄａｔａ　ｅｒｒｏｒ　ｔｈａｔ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｍｉｓｕｓｅ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｂｅｄ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ；ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ　ｂｅｄ；ＰＬＣ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓ－　

ｔｅｍ；ＭＣＧＳ　

水力发电的综合利用改善了水利条件和生态环　

境，使我国国民经济有关部门都产生了明显的经济效　益和社会效益。水流通过水轮机过流部件和叶片被转　

换成旋转机械能，旋转机械能通过跟水轮机连在一起　

的发电机又被转换成电能，并通过变压器升压或降压　

后最后传送到电网…。　

在水力机械内部过流部件之间，水流的流动现象　

收稿日期：２０１４—０３—２５　基金项目：国家自然科学基金项目（４１３６１０６１）；新疆水利水电　重点学科资助项目（ＸＪＺＤＸＫ－２０１００２１２）　作者简介：吾买尔・吐尔逊（１９８０一），男，维吾尔族，新疆吐鲁番　人，硕士，讲师，主要从事计算机控制系统开发方面的教学与研究。　非常复杂，光靠数学分析很难得到其流动规律。科学　

技术发展的今天，水力机械的不断发展和性能的不断　

提高与完善，主要还是依靠模型试验取得的。近年来，　微型计算机在水力机械的生产和科学研究中得到愈来　

愈广泛的应用，现在已可用计算机数值分析方法对原　

型水力机械的内部流动现象进行数值模拟，可以替代　

部分模型试验，预估水力机械的水利性能。事实上，由　

于流体力学理论及其计算方法尚不完善，存在着一定　

的局限性，水力机械中的很多问题仍然要依靠模型试　

验来解决，而且用微型计算机数值模拟出来的最终结　

果仍要有模型试验来验证。在水力机械生产实际中，　模型试验仍然还是分析水力机械水力性能的重要手段　

之一，绝大多数水力机械结构及其性能还是经过模型　基于组态软件的水力机械模型试验台测控系统的开发　・７３・　

试验确定　。　

１　系统硬件设计　

本系统除了试验数据采集处理外，还控制１台循　环水泵电机、１台测功电机、１台真空泵电机、１台充水　

泵电机、２台电动闸阀电机、２个排气电磁阀和６个自　

动阀门，通过控制阀门的开关实现水的流向与流量来　

满足模型机的试验要求，其硬件布置如图１所示。　

显示器ｌｌ打印机ＩＩ绘图仪　

设备ｌ广　———Ｔ　

按扭）『【ｆ　，．　１　自动／手动　切换装置　（包括各种　继电器）　

Ａ／Ｄ转换器　ｌｌ可控硅　——　－—一ｌ直流调　菌　ｌ速装置　充　水　泵　电　机　真　空　泵　电　机　

泵房立式控制柜　：手动操作、切掳　及显示单元）　

１撑Ｉ　ｌ　２　电ｌ　ｌ电　动ｌ　ｌ动　阀ｌ　ｌ阀　真空管　电磁阀　排气　电磁阀　

流　真　水　转　量　空　位　速　度　差　转　矩　

图１　水力机械多功能模型试验台测控系统硬件结构示意图　

Ｉ．１工业控制计算机　

工业控制计算机同一般的个人计算机在硬件上有　

很大区别，它具有丰富的各种功能的接口板以适应于　

工业控制的各种场合，系统稳定、可靠性高，抗干扰性　

能高。　

１．２可编程序控制器　

可编程控制器（ＰＬＣ）是在继电器控制和计算机控　

制的基础上开发出来的新型自动控制装置，它综合了　

自动控制、微型计算机、通信等现代科技而发展起来　

的。ＰＬＣ是本试验台测控系统的重要硬件之一，试验　台的有些辅助设备通过它的基本单元来控制，而ＰＬＣ　

随之配备的Ａ／Ｄ模块和通信模块来实现试验数据的　采集。　

１．３传感器　在本实验台中传感器的主要作用是将模型机转　速、扭矩，压力箱和尾水箱的压差、真空度、水流量等各　

种非电量按一定规律转换成便于传输和处理的电量。　

为了提高试验数据监测精度，本实验台采用了敏感程　

度很高的进口传感器。这样才能保证系统测量值的高　精度要求和量程范围。　

１．４直流调速系统　

直流调速具有高性能的转速和转矩控制，将满足　

快速响应和控制精度的要求。电枢电流和磁场电流控　

制环节具有自动调节功能，同时具有完善的过流、过　

压、故障接地等自诊断功能，可以控制盘或计算机方便　

地进行故障诊断和检测。　

２系统软件设计　

本多功能试验台的测控系统软件采用了目前应用　

广泛的组态软件ＭＣＧＳ（ｍｏｎｉｔｏｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　

ｓｙｓｔｅｍ，通用监控系统），它是一套用于快速构造和生　

成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Ｍｉ．　

ｃｒｏｓｏｆｔ（各种３２位Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上）运行，通过对现场　

数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实　

时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供　

解决实际工程问题的方案，它充分利用了Ｗｉｎｄｏｗｓ图　形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往　

使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自　动化领域有着更广泛的应用　Ｊ。　

为实现实时监控需要在ＭＣＧＳ中进行设备连接，　

使ＰＬＣ和上位计算机建立起正确的通信，在ＭＣＧＳ设　

备窗口中首先添加一个通用串口父设备，设置设备属　

性，选择串口端口号为０．ＣＯＭ｜，波特率为９６００　ｂｉｆｓ，８　

位数据位，ｌ位停止位，无校验，数据采集方式为同步　采集。　

在ＭＣＧＳ设备窗口父设备栏下面创建一个三菱　

ＦＸ系列串口子设备，并设置子设备ＰＬＣ的属性，主要　

进行通道连接操作，将相应通道与ＭＣＧＳ实时数据库　

中的变量相连，对ＰＬＣ的ｘ、Ｙ、Ｍ、Ｄ等继电器进行读、　

写，即可实现外部信号的输入和控制ＰＬＣ的输出。其　

具体设置如图２所示。　

２．１　试验数据采集与设备控制界面　模型试验台运行时，流量计、转速仪、扭转仪、真空　

压差变送器等传感器先把检测到的物理量转换成电信　

号，并通过ＰＬＣ的Ａ／Ｄ模块来实现电信号转换为相应　

数字信号的功能，ＰＬＣ基本单元的有关设备控制和通　

信指令通过ＲＳ２３２串行通信模块把这些数字量传送　

至上位计算机。利用ＭＣＧＳ开发的测控系统数据采集　

程序模块对这些数字量进行进一步处理，并将结果显　

示在测控系统数据采集界面对应的窗口中。还可以将　

被采集到的试验数据用Ｅｘｃｅｌ文件格式进行保存。　空　环电一循　一　转速转矩传感器