1　引言

水环境污染问题伴随着人类经济活动和社会发展的快速增长而显得日益严重,以富营养化为主的湖泊公害、黑臭及高营养负荷为代表的城镇河流污染等,正在严重制约和影响社会经济的可持续化发展。从生态学角度研究湖泊富营养化、河流等水环境污染已成为当前环境工程领域的研究热点之一^{[ 1 ]}。 建立以生态修复技术集成的水环境生态修复系统，利用大量可信度高的实验数据作为数值模型的校验数据，具有可控的输入条件，使之成为水生态学研究的强有力的手段。水环境生态修复系统中试平台的建立在于：研究在受控状态下湖泊、河流生态系统的变化过程；模拟研究发生富营养化以及藻类水华的水质状况；研究富营养化治理技术、强化湖泊水体自净能力的净化技术以及各种人工调控措施等一系列生态修复技术，为控制富营养化提供有利的依据。本文着重介绍昆仑通态MCGS组态技术在水环境生态修复实时监控系统设计中的应用。

2　水环境生态修复实时监控系统的硬件设计

2.1　系统实时监控要求

根据人工湖泊、人工河流、温室、微生态系统的结构和特点，实时监控系统应实现以下功能: （1) 人工湖泊、人工河流各个区域和微生态系统的温度、ORP等参数的在线检测，据实验需要通过上位机对温度、ORP设定值进行设定；（2) 人工湖泊、人工河流各个区域和微生态系统的光强度的在线检测,以及根据实验需要通过上位机对相应光强度设定值进行设定；（3) 温室内大气中温度、湿度的在线检测,温室外风向、风速的在线检测,以及根据实验需要通过上位机对相应温度、湿度设定值进行设定,实现温室系统的控制；（4) 根据冬季升温和夏季降温两种运行方式，通过对加热水箱的加热/制冷控制以及相应循环泵的控制，实现对配水池和人工湖泊/河水体的换热控制；(5) 微生态系统的温度控制由各加热水箱内的检测温度与设定值决定加热水箱加热系统的开启/关闭，并通过培养罐各层测定温度与设定温度启动循环泵。

2.2　系统硬件设计

水环境生态修复监控系统所监测的主要是温度、光强度、CO2、ORP、温湿度、风速、风向、水位等参数。 通过相关传感器转变为4～20 mA标准电流信号，接入PLC的模拟量测量模块；水体温度的在线检测则是采用铂电阻(三线制)接入PLC的热电阻测量模块。选用SIMATICS7-300系列模块化PLC作为监控系统的现场控制级。根据系统的配置和控制要求，选择合适的输入输出模块，并通过接口模块IM来延续总线。

监控管理级

监控系统采用了西门子的PROFIBUS网络技术和昆仑通态MCGS组态技术，SIMATIC S7-300PLC 作为PROFIBUS-DP的一级DP主站,负责完成现场数据的采集、处理和控制，发送各种控制信息。工控机与组态软件MCGS作为二级DP主站，接受来自PLC的处理数据以及数据的读写，实现系统的动态、实时、有效监控等功能，即数据处理、通讯、系统控制、实时显示及修改各种控制数据、曲线，记录实时采集数据。

 图1 水环境生态修复控制系统硬件设计结构示意图

3、基于MCGS水环境生态修复监控管理系统的设计

工控机作为上位机实现系统的监控管理，采用昆仑通态的MCGS工控组态软件，通过对现场数据的采集处理、监测、控制，实现下列主要功能:

(1) 水环境生态修复系统中试平台的各个控制环节流程图以及现场数据的在线显示和控制。通过PROFIBUS-DP与PLC进行通讯，利用SIEMENS公司提供的SOFTNET软件进行上位机的通讯，并通过OPC (OLE for Process Control)技术实现实时从现场控制级与上位机之间数据交换和提取；实时显示水环境生态修复系统的各种监控数据，并对人工湖泊和河流、微生态系统和温室的数据设定和控制。通过各种动态画面直观、精确了解水环境生态修复系统中试平台的工作状况，便于实验人员进行相关的水环境生态修复技术的研究。

(2) 数据在线查询功能。通过主机画面上的下拉菜单的实时数据曲线对各种现场数据进行实时显示和观测，以便了解系统的进展情况；通过历史数据曲线将现场数据存放到数据库,以便了解长时间实验过程的历史趋势。 数据的在线查询保证实验数据的精确、方便和快捷。

(3) 报警功能。可以对各超出设定值极限范围的参数进行声光报警，并做相应处理，同时还设置报警提示功能,根据提示要求进行相应的操作。

(4)报表功能。通过EXCEL对重要的现场数据如人工湖泊和河流、微生态系统各部分的温度、温室的各种数据生成报表进行打印存档。

3.1变量定义和流程画面建立

数据对象是实时数据库的基本单元，在MCGS生成应用系统时，对实际工程问题进行简化和抽象化处理，代表工程特征的所有物理量，并作为系统参数加以定义。MCGS中定义的数据对象均为全局变量，数据对象的各个属性在整个运行过程中都保持有效，系统中的其它部分都能对实时数据库中的数据对象进行操作处理。

以MCGS窗口为单位组建系统的图形界面，通过设置各种类型的图形对象，定义相应的属性，实现漂亮、生动、具有多种风格和类型的流程画面。系统的流程画面通过MCGS提供的图元对象、图符对象和动画构件来完成。针对图形对象进行改变图形的颜色和大小、调整图形的位置和排列形式、图形的旋转及组合分解等项操作，完成系统复杂的图形界面，以图形方式精确表示外部物理对象；通过动画连接将用户窗口内创建的图形对象与实时数据库中定义的数据对象建立对应连接关系，利用对图形对象在不同的数值区间内设置不同的状态属性（如颜色、大小、位置移动、可见度、闪烁效果等），依靠数据对象值的变化来驱动图形对象的状态改变，使系统在运行过程中，产生形象逼真的流程画面的动画效果；通过主控窗口属性的设置，完成对系统启动和运行时的参数设置，如：基本属性：指明反映工程外观的显示要求，包括工程的名称，系统启动时首页显示的画面，显示菜单等；启动属性：指定系统启动时自动打开的用户窗口；内存属性：指定系统启动时自动装入内存的用户窗口。监控系统流程如图2所示。

图2  监控系统流程图

3.2数据记录和曲线绘制

利用MCGS系统提供的内嵌的报表组态构件，在MCGS系统下组态绘制报表，通过MCGS的打印和显示窗口打印和显示数据报表，如图3所示。实时数据报表通过MCGS系统的自由表格构件来组态实现显示实时数据报表和打印输出功能，历史数据报表是从历史数据库中提取存盘数据记录，把历史数据以一定的格式显示和打印出来历史表格。

利用MCGS提供的Excel“报表输出”策略构件和“历史表格”动画构件，快速方便组态工程数据报表。“Excel报表输出”策略构件用于对数据进行处理并生成数据报表，通过调用Office家族中Excel强大的数据处理能力，把MCGS存盘数据库或其数据库中的数据进行相应的处理，以Excel报表的形式保存，并可以将报表进行实时显示和打印输出。在组态的画面中设置相应的数据显示，可以动态的显示数据的变化。为了反映曲线变化，采用了实时曲线、历史曲线的功能，同时加入历史数据的记录并导入Excel表格中，随时随地调用和查看数据。

图3人工湖、河数据实时曲线

3.3实现MCGS与SIMATIC S7-300 PLC的数据交互

利用OPC规范所提供的强大功能，MCGS能够快速高效的访问OPC服务器提供的数据，对PLC硬件设备进行访问，通过在OPC设备的属性页中，组态使用OPC服务器，并浏览服务器可以提供的数据项，把相应的变量连接到数据项上，在运行环境中，MCGS将自动启动OPC服务器，和对应的OPC服务器建立连接，自动完成和OPC服务器之间的数据交互。此外，MCGS也可作为OPC服务器，向符合OPC标准的控制系统提供实时数据，允许这些系统读取MCGS实时数据库中的数据。在MCGS中设置输入功能，利用外部给定的数值传递给PLC的寄存器中，做到互动式的改变PLC程序中设定值的作用。

监控系统利用SIEMENS公司提供的SOFTNET软件实现上位机MCGS与PLC的通讯，并通过OPC (OLE for Process Control)技术实现实时从现场控制级与上位机之间数据交换和提取；利用PLC中的辅助继存器和MCGS数据变量进行数据交互，实现的用上位机对现场的控制执行部件的操作，可任意改变系统参数的设定值、初始值和测量范围；通过动态链接和PLC内部进行数据通讯，动态、实时的监控温室内外的温度、湿度、CO2含量、风速、风向的变化值；将流程画面上的模拟开关和PLC的变量连接起来，通过点击画面上的模拟开关控制温室内电机及阀门的实际开合与通断，同时将人工湖/河中的生态的数据传到PLC中，通过PLC 中的控制程序进行比较和分析，通过对窗、帘、通风、喷淋、遮阳篷等的控制开关调节，使温室内的环境达到需要的要求。

   3.4系统的登陆权限设置

为确保监控系统的安全、稳定运行，对参数输入、按纽的动作的操作者设置了访问的权限，由系统登陆时的权限管理模式来决定操作者的权限等级。MCGS组态软件提供了一套完善的安全机制，自由组态控制菜单、按钮和退出系统的操作权限，只允许有操作权限的操作员才能对某些功能进行操作。MCGS系统提供的操作权限机制和Windows NT类似，采用用户组和用户的概念来进行操作权限的控制。

4结束语

水环境生态修复监控系统,采用了西门子公司的PROFIBUS-DP现场总线技术,简化了现场布线,提高了数据传输速率;使用了组态软件MCGS实现系统的控制与监测,系统功能进一步完善,扩展灵活,便于维护,提高了系统运行的稳定性和可靠性。本文的创新点是将国产组态软件MCGS与SIMATIC S7-300 PLC相结合，成功应用到水环境生态修复监控系统的设计中，使用OPC技术实现MCGS与SIMATIC S7-300 PLC的数据交互，采用MCGS设计良好的人机交互画面、系统实时参数的监控、数据的报警、实时记录、历史数据保存和调用。

参考文献

[1]吴捷,杨俊华.绿色能源与生态环境控制[J].控制理论与应用,2004,21(6): 864- 869.

[2]肖金球，黄伟军，高丽燕.工控组态软件MCGS在调和油生产系统中的应用[J].微计算机信息,2006,22(2):94-96.

[3] MCGS工控组态软件用户指南.北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.2005.

[4] MCGS工控组态软件参考手册.北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.2005.