崔海全，張春梅，趙志誠(chéng)

(1.太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原030024;2.新疆69028部隊(duì)，烏魯木齊830006)

液位控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類常見問題，液位過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠很好地模擬工業(yè)生產(chǎn)中液位過程具有的非線性、時(shí)滯和時(shí)變等復(fù)雜特性。此外，液位過程測(cè)控平臺(tái)的搭建和控制策略的研究，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)施液位過程控制具有重要的指導(dǎo)作用[1]。

利用工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件可以快速搭建起較復(fù)雜的測(cè)控平臺(tái)。組態(tài)軟件除去了測(cè)控軟件實(shí)現(xiàn)過程中的大量編程工作，使測(cè)控平臺(tái)的開發(fā)效率獲得了極大的提高，同時(shí)保證了測(cè)控平臺(tái)的工作性能和測(cè)控質(zhì)量[2]。然而，由于組態(tài)軟件重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)通用性，在使用過程中使得系統(tǒng)體積龐大，造成了資源的很大浪費(fèi)，同時(shí)又難以滿足個(gè)性化要求，價(jià)格昂貴，不適合大多數(shù)中小型企業(yè)。因此，開發(fā)人員更多地利用VC++、VB等具有強(qiáng)大功能的編程環(huán)境開發(fā)符合企業(yè)要求的測(cè)控軟件[3-4]。雖然利用這些編程語言可以自由地對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行控制，但是很容易造成內(nèi)存泄漏而影響軟件運(yùn)行和控制質(zhì)量。同時(shí)，用于這些編程環(huán)境的COM(Component Object Model)組件往往難以掌控和使用。

C#是微軟提出的一種基于.NET框架且面向?qū)ο蟮母呒?jí)編程語言。C#由C和C++派生并擁有其強(qiáng)大的性能，同時(shí)擁有類似VB的快速開發(fā)能力[5]。基于C#開發(fā)的液位過程測(cè)控軟件可以很好地實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的要求，利用.NET程序集、MSIL(Microsoft Intermediate Language)和JIT(Just In Time)編譯器完成對(duì)組件的充分利用，并且通過垃圾回收機(jī)制回收軟件運(yùn)行時(shí)不再使用的內(nèi)存資源，避免了內(nèi)存泄露等缺陷。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

選用的液位過程控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、采集模塊和工控機(jī)5部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，被控對(duì)象由上水箱、中水箱和下水箱組成，其中上、中水箱的直徑為25 cm，高度為20 cm.下水箱的直徑為35 cm，高度為20 cm.檢測(cè)裝置為安裝于水箱底部的擴(kuò)散硅壓力傳感器和變送器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的測(cè)量，其輸出信號(hào)為4 mA～20 mA DC.執(zhí)行機(jī)構(gòu)為智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其輸入的控制信號(hào)為4 mA～20 mA DC或1 V～5 V DC，輸出為4 mA～20 mA DC的閥位信號(hào)。檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過臺(tái)灣鴻格ICP7000系列智能采集模塊與工控機(jī)進(jìn)行通信，其中I-7017是8路模擬量輸入模塊，I-7027是4路模擬量輸出模塊。工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位過程的監(jiān)督和控制作用。

系統(tǒng)工作時(shí)，壓力傳感器和變送器將液位高度轉(zhuǎn)化為4 mA～20 mA DC模擬信號(hào)，經(jīng)泓格I-7017采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入工控機(jī)。測(cè)控軟件調(diào)用適當(dāng)?shù)目刂扑惴ńo出控制量，通過I-7024模塊將控制量轉(zhuǎn)化為4 mA～20 mA DC模擬信號(hào)傳送到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制閥門開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位過程的控制。

圖1 液位過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the level-process control system

2 測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能需求和性能要求

為實(shí)現(xiàn)對(duì)液位過程的控制，測(cè)控軟件應(yīng)具備的功能主要包括:與采集和控制設(shè)備通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;動(dòng)態(tài)添加、設(shè)置并加載控制算法;實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)報(bào)警;繪制實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線;存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)并支持對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢等。

對(duì)測(cè)控軟件的性能要求主要包括:實(shí)時(shí)性，在有限時(shí)間內(nèi)對(duì)各種事件作出反應(yīng)，并給出控制作用;多任務(wù)性，使多個(gè)任務(wù)在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上并發(fā)執(zhí)行;高可靠性，在計(jì)算機(jī)、輸入輸出設(shè)備、被控過程等正常工作條件下，要求軟件運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

2.2 軟件設(shè)計(jì)思想和流程框架

采用人性化的HMI(Human Machine Interface)。設(shè)計(jì)用戶界面有以下幾個(gè)主要規(guī)則:用戶的熟悉程度;一致性;可復(fù)原性;用戶的多樣性等。

測(cè)控軟件的設(shè)計(jì)方法采用面向?qū)ο缶幊?Object-oriented Programming，OOP)技術(shù)。OOP作為一種程序設(shè)計(jì)泛型將對(duì)象作為程序的基本單元，將數(shù)據(jù)和程序封裝在對(duì)象中，提高了程序的重用性、靈活性和可擴(kuò)展性[6]。

利用.NET程序集編寫控制算法。在組件技術(shù)的基礎(chǔ)上，.NET程序集提出了一種全新的建立和展開組件的方法[7]。其允許不同版本的組件無需在系統(tǒng)注冊(cè)表中注冊(cè)組件信息即可安全地在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上共存[8]。

應(yīng)用多線程技術(shù)，使計(jì)算機(jī)并行處理多個(gè)任務(wù)，提升系統(tǒng)的運(yùn)行能力。此外，由于多核處理器近年來的快速發(fā)展，將并行的多任務(wù)線程交給不同的核心分別處理，使采用線程級(jí)并行編程的軟件運(yùn)行速度得到進(jìn)一步地提升。

設(shè)計(jì)測(cè)控軟件的基本流程框架如圖2所示。

圖2 軟件基本流程框架Fig.2 Basic framework of the software process

3 測(cè)控軟件的實(shí)現(xiàn)

選用Visual Studio 2005(VS2005)進(jìn)行所有.NET程序的開發(fā)。VS2005擁有軟件生命周期所需的大部分工具，同時(shí)C#是微軟專為.NET平臺(tái)而創(chuàng)建的編程語言，能夠使用.NET Framework代碼庫提供的每一種功能[9]。數(shù)據(jù)庫選用SQL Server 2005.下面介紹軟件實(shí)現(xiàn)的一些關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 創(chuàng)建用戶控件

VS2005中缺乏監(jiān)控界面需要的一些特殊控件，因此，根據(jù)VS2005工具箱中的控件并利用.NET程序集創(chuàng)建需要的用戶控件。通過將幾個(gè)已有控件組合并且將其功能和界面封裝在一起，實(shí)現(xiàn)顯示和控制的功能。通過這種方法創(chuàng)建的用戶控件所有屬性均可在軟件運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整并保存到配置文件中。

曲線信息控件CanCurveShow，如圖3(a)所示。通過組合checkBox和pictureBox控件，用以解決實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線描繪時(shí)，某一曲線是否顯示和顯示該曲線的名稱、顏色、畫筆寬度、畫筆樣式等屬性。其中，將更新顯示方法放在屬性中，當(dāng)屬性改變時(shí)可及時(shí)更新顯示。定義CanCurveShow控件的CheckedChanged事件，以響應(yīng)是否顯示該曲線。

圖3 用戶控件Fig.3 User controls

采用類似方法創(chuàng)建的其他用戶控件包括:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示控件UCMonitor，用以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，如圖3(b)所示;閥門控件Valve，用以顯示電動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋回測(cè)控軟件的模擬信號(hào)，如圖3(c)所示;管道控件Pipe，用于顯示水流的位置和方向，如圖3(d)所示。

3.2 串口通信

利用ActiveX Control(OCX)for ICP7000系列組件，通過串口實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與模擬量輸入模塊I-7017和模擬量輸出模塊I-7024之間的通信。在程序添加該OCX組件時(shí)，自動(dòng)將組件中的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為.NET數(shù)據(jù)類型，并為其創(chuàng)建一個(gè)Wrapper assembly(包裝器程序集)，該程序集在.NET運(yùn)行中自我說明，避免了在系統(tǒng)注冊(cè)表中注冊(cè)信息，可供C#直接調(diào)用。通過該組件可以完成串口、輸入輸出模塊地址、通信參數(shù)、輸入輸出通道等信息的設(shè)置以及對(duì)串口的控制。

通過程序集中的方法可完成數(shù)據(jù)的采集和輸出。獲取模擬量輸入數(shù)據(jù)的函數(shù)原型為:float AnologIn(short iChannelNum);輸出控制數(shù)據(jù)的函數(shù)原型為:void AnalogOut(short iChannelNum，float fOutValue);獲取控制輸出反饋數(shù)據(jù)的函數(shù)原型為:float AnalogOutReadBack(short iChannelNum)。

3.3 控制算法參數(shù)的配置以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

軟件能夠?qū)攵喾N控制算法，不同控制算法所需監(jiān)控的參數(shù)各不相同，需要在加載算法時(shí)能夠進(jìn)行詳細(xì)地配置。此外，從數(shù)據(jù)庫中讀取的相關(guān)數(shù)據(jù)的維數(shù)也隨著控制算法的不同而不同。本文利用.NET泛型類Dircionary＜K，V＞ 和List＜T＞類完成對(duì)參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的讀取。泛型類是以實(shí)例化過程中提供的類型或類為基礎(chǔ)建立的，創(chuàng)建過程非常簡(jiǎn)便，可完成對(duì)集合動(dòng)態(tài)地增加、刪除、插入或排序等多種功能。在添加控制算法程序集時(shí)，通過對(duì)控制算法參數(shù)個(gè)數(shù)的設(shè)定，動(dòng)態(tài)生成標(biāo)號(hào)從0開始的文本控件，將標(biāo)號(hào)與輸入的參數(shù)名稱對(duì)增加到Dircionary＜K，V＞類的實(shí)例中，達(dá)到對(duì)參數(shù)的配置。數(shù)據(jù)采集時(shí)，將一周期采集到的多個(gè)數(shù)據(jù)順序添加到List＜T＞類實(shí)例中，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同維數(shù)數(shù)據(jù)的讀取。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)分為兩步，首先軟件運(yùn)行過程中將采集到的數(shù)據(jù)及采集時(shí)刻的時(shí)間信息利用文件流保存到本地磁盤，然后在控制結(jié)束后，將本地磁盤的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。這樣既保證了軟件運(yùn)行時(shí)過少地訪問數(shù)據(jù)庫，也保留了文本形式的數(shù)據(jù)備份，提高軟件運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和可靠性。

3.4 實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的繪制

本文中實(shí)時(shí)曲線實(shí)現(xiàn)為兩種顯示方式:背景隨曲線同步移動(dòng);背景固定，曲線移動(dòng)。歷史曲線顯示內(nèi)容分為:當(dāng)前控制過程的歷史曲線;數(shù)據(jù)庫中歷史數(shù)據(jù)的歷史曲線。曲線圖形的Y坐標(biāo)為數(shù)值大小，X坐標(biāo)為相對(duì)于第一次采樣時(shí)間的時(shí)間間隔。實(shí)現(xiàn)增加某一數(shù)據(jù)newValues[i]在曲線圖形控件的Y坐標(biāo)語句如下。

tmpNoteMessage.Y.Add(picHeight-coordinateY-

(((float)newValues[i]-yMinValue)/(yMaxValue

yMinValue))*(picHeight-coordinateY));

其中，picHeight為曲線圖形控件的高度，coordinateY為曲線圖形控件的Y軸偏移量，用以顯示在X軸方向的時(shí)間坐標(biāo)信息，newValues[i]為某一組數(shù)據(jù)中的一個(gè)數(shù)據(jù)，yMinValue為Y軸顯示的數(shù)據(jù)最小值，yMaxValue為Y軸顯示的數(shù)值最大值。

當(dāng)前控制過程的歷史曲線利用文件操作的輸入流將數(shù)據(jù)讀取到程序中并顯示。數(shù)據(jù)庫歷史曲線利用以關(guān)系型的、面向表的格式訪問數(shù)據(jù)的ADO.NET將數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)讀取到程序中并顯示。與實(shí)時(shí)曲線不同的是，歷史曲線采用兩個(gè)泛型類實(shí)例存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，分別為全部的歷史數(shù)據(jù)和供顯示的歷史數(shù)據(jù)，通過按比例減少供顯示使用的泛型類實(shí)例的數(shù)據(jù)量實(shí)現(xiàn)曲線的放大、縮小功能，同時(shí)不影響曲線的質(zhì)量。此外，在顯示曲線圖形控件上，通過MouseMove事件響應(yīng)鼠標(biāo)在曲線圖形控件上的移動(dòng)動(dòng)作，根據(jù)鼠標(biāo)的位置，判斷鼠標(biāo)是否劃過曲線，將鼠標(biāo)處的曲線數(shù)據(jù)及采集時(shí)刻信息跟隨鼠標(biāo)顯示。

3.5 多線程實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的線程包括:人機(jī)交互線程(主線程)，數(shù)據(jù)采集、控制算法運(yùn)算線程，數(shù)據(jù)采樣線程等。為避免多個(gè)線程同時(shí)訪問同一塊內(nèi)存，采用兩種線程同步技術(shù)。對(duì)于標(biāo)志位采用Interlocked類為多個(gè)線程共享的變量提供原子操作。對(duì)于數(shù)據(jù)更新代碼塊的同步定義了一個(gè)線程鎖，利用lock關(guān)鍵字保證代碼塊的安全運(yùn)行。

3.6 控制算法程序集的實(shí)現(xiàn)與加載

本文將控制算法實(shí)現(xiàn)為.NET程序集，通過更改控制算法程序集實(shí)例中的字段和屬性改變控制算法參數(shù)，輸出為運(yùn)算過程中需要監(jiān)控的參數(shù)數(shù)組。程序中利用.NET反射技術(shù)編寫LoadDllFrom-Resource類，該類用以動(dòng)態(tài)處理控制算法程序集。將程序集內(nèi)容讀取到字符數(shù)組中，通過Assembly類實(shí)例裝載字符數(shù)組，實(shí)例化程序集內(nèi)容。Assembly是System.Reflection.Emit命名空間的類，能夠在運(yùn)行時(shí)構(gòu)造類型。關(guān)鍵代碼如下:

FileMode.Open);

//定義字符數(shù)組，用以存儲(chǔ)程序集內(nèi)容

byte[]buffer=new byte[(int)Fs.Length];

//讀取程序集內(nèi)容到字符數(shù)組中

Fs.Read(buffer，0，buffer.Length);

//利用Assembly類裝載程序集

Assembly myAssembly=Assembly.Load(buffer);

//獲取程序集中定義的類型

Type[]type=myAssembly.GetTypes();

//判斷程序集是否與配置時(shí)相匹配，namespace為控制算法的命名空間，className為控制算法的類名稱

foreach(Type t in type)

{if(t.Namespace==namespace ＆＆ t.Name==

className)

{//獲取程序集中方法，m獲取運(yùn)算過程方法，fm獲取更新參數(shù)方法，lpProcName為運(yùn)算過程方法名稱，lpFreshName為更新參數(shù)方法名稱

MethodInfo m=t.GetMethod(lpProcName);

MethodInfo fm=t.GetMethod(lpFreshName);

if(m!=null＆＆ fm!=null)

{//實(shí)例化與配置項(xiàng)匹配的類型

object o=Activator.CreateInstance(t);

return;

}}}

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

//定義文件流用于讀寫文件，lpFileName表示程序集路徑，F(xiàn)ileMode.Open表示打開現(xiàn)有文件

FileStream Fs=new FileStream(lpFileName，

以下水箱為被控對(duì)象，編寫PID控制算法程序集進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。軟件運(yùn)行界面如圖4所示，界面分為三個(gè)面板，分別為虛擬液位過程面板、參數(shù)監(jiān)控面板和實(shí)時(shí)曲線面板。

圖4 人機(jī)交互界面Fig.4 Human-machine interactive interface

根據(jù)采樣定理及現(xiàn)場(chǎng)要求，設(shè)定采樣周期為500 ms.采用經(jīng)驗(yàn)試湊法確定PID控制器參數(shù)，其中比例系數(shù)kp=10，積分系數(shù)kI=0.11，微分系數(shù)kD=0.07.初始液位為1 cm，待液位穩(wěn)定后，設(shè)定液位值為6 cm，控制效果如圖5所示。其中，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間為264 s，上升時(shí)間為183 s，超調(diào)量近似為0.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于.NET程序集開發(fā)的PID算法能夠很好地實(shí)現(xiàn)液位控制，并且運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)語

基于C#設(shè)計(jì)的測(cè)控軟件，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)液位數(shù)據(jù)的采集和處理、數(shù)據(jù)異常報(bào)警和報(bào)警日志記錄、動(dòng)態(tài)加載控制算法、實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的繪制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢等功能。在.NET框架基礎(chǔ)上運(yùn)用了面向?qū)ο缶幊獭?NET程序集、多線程等技術(shù)，簡(jiǎn)化了控制算法加載和配置方法，節(jié)省了運(yùn)行時(shí)間，保證了運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)資源的合理利用，使軟件具有很好的可靠性和實(shí)時(shí)性。

圖5 液位響應(yīng)曲線Fig.5 Response curve of the liquid level

[1]王志新，谷云東，李洪興.三水箱多變量液位控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(1):32-36.

[2]王朝陽，王學(xué)選.時(shí)滯液位過程模糊-PI控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(2):98-102.

[3]李子彬，趙志誠(chéng)，張井崗.基于VC++6.0的PC機(jī)與PLC串口通信的實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(3):192-195.

[4]李曉鹿.基于C#上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].濟(jì)南:濟(jì)南大學(xué)，2010.

[5]ANDREW KENNEDY.Securing the.NET programming model[J].Theoretical Computer Science，2006，364(3):311-317.

[6]韓欣欣.面向?qū)ο蟮能浖y(cè)試方法研究[J].信息化研究，2010，36(10):32-36.

[7]黃海濤，譚瑛，周小波.基于構(gòu)件的動(dòng)態(tài)配置應(yīng)用框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(4):271-275.

[8]孫玉鈺.基于.NET組件技術(shù)的插件式框架的研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2009，26(6):143-145.

[9]KARLI WATSON，CHRISTIAN NAGEL.Beginning Visual C#2005[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.