基于LabVIEW和C#的泥泵輸送管道監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州213022；2.疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 常州 213022；3.江蘇省水利機(jī)械制造有限公司，江蘇，揚(yáng)州，225001)

0 引言

絞吸挖泥船進(jìn)行疏浚作業(yè)時，泥漿輸送管道內(nèi)泥漿壓力、流速和濃度影響著管道壽命和淤積狀態(tài)，進(jìn)而影響挖泥船的工作效率，因此管道內(nèi)各參數(shù)的監(jiān)測對絞吸挖泥船正常工作至關(guān)重要，更是挖泥船實(shí)現(xiàn)自動化控制的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)，例如基于組態(tài)軟件、或單片機(jī)、或LabVIEW的監(jiān)測系統(tǒng)，都在單輸入單輸出的傳統(tǒng)PID控制中取得了較好的效果[1-3]。但由于水下地形和土質(zhì)的變化較大，使得管道內(nèi)流態(tài)的波動也很大，故需要引入自適應(yīng)能力更強(qiáng)、魯棒性更好的強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制算法[4]。

本文搭建監(jiān)測系統(tǒng)，為強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制算法提供研究平臺。為便于強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法建立訓(xùn)練探索模塊，監(jiān)測系統(tǒng)必須提供準(zhǔn)確的狀態(tài)數(shù)據(jù)；為實(shí)時顯示數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)必須有實(shí)時性要求。目前，主要有C++，python，C#和MATLAB可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法。C#編程靈活，LabVIEW在數(shù)據(jù)采集有強(qiáng)大的優(yōu)勢，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，搭建基于LabVIEW和C#的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 泥漿管道輸送監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該監(jiān)測系統(tǒng)采用的實(shí)驗(yàn)平臺是泥泵自主調(diào)速試驗(yàn)臺。泥泵自主調(diào)速試驗(yàn)臺主要由22 kW泥泵機(jī)組、傳感測量系統(tǒng)、循環(huán)管路裝置和驅(qū)動裝置組成。疏浚泥泵自主調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺

本系統(tǒng)采用上下位機(jī)(upper and lower computers)結(jié)構(gòu)，下位機(jī)LabVIEW對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行量程轉(zhuǎn)化，并將其打包成數(shù)組，以JSON格式發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)C#對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、顯示。本監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺監(jiān)控系統(tǒng)框架

下位機(jī)編寫LabVIEW RT程序，在和上位機(jī)通信時采用TCP協(xié)議，以保證從采集數(shù)據(jù)到上位機(jī)接收、顯示數(shù)據(jù)整個過程的實(shí)時性。針對通信時數(shù)據(jù)交換格式保持統(tǒng)一的問題，選擇C#和LabVIEW均支持的JSON數(shù)據(jù)格式?？紤]到軟件界面的多樣性和豐富性，上位機(jī)采用文本框、儀表盤和曲線圖的方式來顯示數(shù)據(jù)。

1.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)包含2個功能模塊：數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊。實(shí)時數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊分別采用1 MHz和1 kHz時鐘cRIO-9035內(nèi)部定時源，采集模塊和通信模塊優(yōu)先級都設(shè)置為100，確保下位機(jī)既可以實(shí)時采集數(shù)據(jù)，又及時將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)[5]。下位機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 下位機(jī)結(jié)構(gòu)

a.數(shù)據(jù)處理模塊。采集模塊主要有2個功能：讀取NI板卡采集到的傳感器信號；對電流、電壓值進(jìn)行量程轉(zhuǎn)化，并封裝成數(shù)組。LabVIEW提供的“讀取變量函數(shù)”以數(shù)組方式訪問NI板卡的I/O通道，并返回一個數(shù)組，如圖3所示。因此，在RT程序的設(shè)計(jì)中，可以通過數(shù)組索引的方式，來讀取指定通道中所有I/O值。用擬合好的傳感器線性函數(shù)把電流、電壓值轉(zhuǎn)化為壓力、流速等監(jiān)測數(shù)據(jù)[6]。由于 LabVIEW進(jìn)行TCP通信時，不支持傳輸簇類型的數(shù)據(jù)，因此，利用“創(chuàng)建數(shù)組”函數(shù)，將出口壓力、進(jìn)口壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速等監(jiān)測數(shù)據(jù)封裝成1個一維數(shù)組。

b.通信模塊。通信模塊將采集模塊處理得到的一維數(shù)組轉(zhuǎn)化為JSON字符串，并通Socket發(fā)送給上位機(jī)。在進(jìn)行Socket傳輸數(shù)據(jù)時，必須要保證數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一。本系統(tǒng)選擇最為常用的JSON格式。

JSON格式是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，任何數(shù)據(jù)類型都可以過JSON來表示。故利用"平化至JSON" 函數(shù)，返回一個編碼格式為UTF-8的JSON字符串。

鑒于該監(jiān)測系統(tǒng)對傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性有一定的要求，故而采用面向連接的Socket。面向連接的Socket操作使用TCP協(xié)議。本系統(tǒng)采用stream Sockets類型，下位機(jī)把字符串寫入字節(jié)流中，上位機(jī)從字節(jié)流中讀取字符串，從而實(shí)現(xiàn)通信[7]。

下位機(jī)通信過程如下：下位機(jī)建立套接字，并偵聽連接請求；上位機(jī)發(fā)送連接請求給下位機(jī)后，下位機(jī)會相應(yīng)地發(fā)送確認(rèn)連接的請求給上位機(jī)，并且建立連接；當(dāng)通信結(jié)束后，斷開連接。

1.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)C#程序主要分為3部分：Socket通信部分、數(shù)據(jù)顯示部分和存儲與導(dǎo)出部分。Socket通信部分主要保證數(shù)據(jù)實(shí)時、可靠、安全地在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)顯示部分主要實(shí)現(xiàn)文本框、儀表盤實(shí)時顯示數(shù)據(jù)、曲線實(shí)時繪制功能。存儲與導(dǎo)出部分主要實(shí)現(xiàn)以Excel作為模板進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲功能。上位機(jī)對應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上位機(jī)結(jié)構(gòu)

由于上位機(jī)程序同時執(zhí)行通信、顯示與存儲任務(wù)，為提高對用戶的響應(yīng)速度[8]，以便幾乎同時完成，可采用多線程技術(shù)。Socket通信單獨(dú)作為一個子線程。DataModel子線程是中間橋梁，負(fù)責(zé)將傳輸給上位機(jī)的數(shù)據(jù)提供給顯示控件，以及提供Excel存儲所需的數(shù)據(jù)。ChartModel子線程每隔10 s對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，并給對應(yīng)圖表賦值。

1.3.1 Socket通信

上位機(jī)Socket通信創(chuàng)建步驟：在上位機(jī)建立Socket，并確保端口號和IP地址與下位機(jī)相同；向下位機(jī)發(fā)送連接請求，經(jīng)下位機(jī)確認(rèn)后，建立連接，交換數(shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)的Socket通信，仍需做以下2方面工作。

a.異步通信的實(shí)現(xiàn)。上下位機(jī)通信時，通信子線程調(diào)用BeginReceive函數(shù)實(shí)現(xiàn)異步通訊，同時采用事件驅(qū)動方式調(diào)度回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時接收等功能[9-10]。選擇異步通信的好處就在于提高了程序的整體響應(yīng)能力，避免出現(xiàn)用戶界面卡頓。

b.反序列化的實(shí)現(xiàn)。在上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，需將字符串反序列化為float類型數(shù)組。具體反序列化的過程是：在上位機(jī)中，將將壓力、流速等監(jiān)測數(shù)據(jù)組成的JSON字符串，利用C#中的分割字符串函數(shù)Split，將JSON字符串變成字符串?dāng)?shù)組。最后利用foreach語句遍歷將字符串?dāng)?shù)組，將其轉(zhuǎn)化成float類型數(shù)組[11]。

1.3.2 數(shù)據(jù)顯示

當(dāng)上位機(jī)將Socket通信得到的壓力、流速等參數(shù)解析完成后，便實(shí)時地將這些參數(shù)顯示在文本框、儀表盤和曲線圖中。數(shù)據(jù)顯示過程中需要不斷的更新界面，更新界面很耗時，需要將訪問該控件的線程設(shè)置在Socket通信子線程，但顯示數(shù)據(jù)的控件是在主線程中創(chuàng)建的，線程會發(fā)生沖突，程序會出現(xiàn)異常。為解決上述問題，調(diào)用C#中的BeginInvoke函數(shù)。該函數(shù)可以在子線程修改主線程創(chuàng)建的對象的屬性，將更新的數(shù)據(jù)返回主線程，最終顯示在文本框和儀表盤上。部分界面更新程序如表1所示。曲線圖需要選擇10 s內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，故而曲線圖的程序編寫相對特殊。在圖表子線程中構(gòu)建圖表的模型，將圖表中原數(shù)據(jù)清空，并獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)前10 s的時間，根據(jù)選擇的時間去Datemodel子線程調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)，最后將圖表子線程中的數(shù)據(jù)綁定到圖表中顯示。

表1 部分界面更新程序

1.3.3 數(shù)據(jù)存儲與導(dǎo)出

數(shù)據(jù)存儲程序設(shè)計(jì)時主要考慮到2個方面的內(nèi)容：需要操作方便，靈活地保存監(jiān)測到的各項(xiàng)參數(shù)；當(dāng)界面開始工作后，能夠根據(jù)需要手動保存相應(yīng)時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。

目前，C#中導(dǎo)成Excel文件的方式最常用的有3種：OLEDB方式、COM組件方式和NPOI庫。鑒于NPOI組件可以很好地支持對Excel文件的讀寫操作，不僅不依賴office環(huán)境，同時開發(fā)效率也很高[12]。本項(xiàng)目選擇NPOI庫導(dǎo)出Excel文件。

2 監(jiān)控系統(tǒng)測試

為檢驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，測試電機(jī)300轉(zhuǎn)時該系統(tǒng)的通信過程。進(jìn)行測試前，需要額外在下位機(jī)編寫控制程序。首先，鑒于開關(guān)量輸出和模擬量輸出模塊的通道分別是32和16，故而設(shè)置32位和16位數(shù)組，并分別初始化。該實(shí)驗(yàn)臺只控制1個變頻器，利用"寫入變量函數(shù)"把電機(jī)啟停和轉(zhuǎn)速信號寫入輸出模塊。下位機(jī)控制程序如圖5所示。

圖5 下位機(jī)控制程序

經(jīng)測試，基于C#和LabVIEW的監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時顯示管道內(nèi)的壓力、流速和濃度等重要參數(shù)。C#和LabVIEW正常通信，響應(yīng)速度快。用戶界面正常更新，無卡頓現(xiàn)象。從Excel表格中看出，數(shù)據(jù)存儲成功并且沒有遺漏。運(yùn)行時該系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)測軟件界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)測軟件界面

3 結(jié)束語

該監(jiān)測系統(tǒng)采用C#設(shè)計(jì)上位機(jī)程序，LabVIEW設(shè)計(jì)下位機(jī)程序，利用TCP協(xié)議進(jìn)行上下位機(jī)通信，保證了實(shí)時性要求。編程過程中，采用多線程技術(shù)解決了響應(yīng)速度慢的問題，利用C#中的BeginInvoke等函數(shù)解決了界面更新等問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示、存儲與更新。以上的工作，為后續(xù)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制算法的引入做好鋪墊，對泥漿管道的研究有參考意義。