，，，

(1.河海大學機電工程學院，江蘇 常州213022；2.疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇 常州 213022；3.江蘇省水利機械制造有限公司，江蘇，揚州，225001)

0 引言

絞吸挖泥船進行疏浚作業(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重要，更是挖泥船實現(xiàn)自動化控制的基礎。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)，例如基于組態(tài)軟件、或單片機、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，故需要引入自適應能力更強、魯棒性更好的強化學習控制算法[4]。

本文搭建監(jiān)測系統(tǒng)，為強化學習控制算法提供研究平臺。為便于強化學習算法建立訓練探索模塊，監(jiān)測系統(tǒng)必須提供準確的狀態(tài)數(shù)據(jù)；為實時顯示數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)必須有實時性要求。目前，主要有C++，python，C#和MATLAB可以實現(xiàn)強化學習算法。C#編程靈活，LabVIEW在數(shù)據(jù)采集有強大的優(yōu)勢，結合兩者優(yōu)點，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)的總體設計

該監(jiān)測系統(tǒng)采用的實驗平臺是泥泵自主調(diào)速試驗臺。泥泵自主調(diào)速試驗臺主要由22 kW泥泵機組、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)速實驗平臺如圖1所示。

圖1 實驗平臺

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

圖2 實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)框架

下位機編寫LabVIEW RT程序，在和上位機通信時采用TCP協(xié)議，以保證從采集數(shù)據(jù)到上位機接收、顯示數(shù)據(jù)整個過程的實時性。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。考慮到軟件界面的多樣性和豐富性，上位機采用文本框、儀表盤和曲線圖的方式來顯示數(shù)據(jù)。

1.2 下位機程序設計

下位機包含2個功能模塊：數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊。實時數(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)先級都設置為100，確保下位機既可以實時采集數(shù)據(jù)，又及時將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機[5]。下位機結構如圖3所示。

圖3 下位機結構

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、電壓值進行量程轉化，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程序的設計中，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、電壓值轉化為壓力、流速等監(jiān)測數(shù)據(jù)[6]。由于 LabVIEW進行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、進口壓力、電機轉矩和電機轉速等監(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)組轉化為JSON字符串，并通Socket發(fā)送給上位機。在進行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)的準確性和實時性有一定的要求，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，下位機把字符串寫入字節(jié)流中，上位機從字節(jié)流中讀取字符串，從而實現(xiàn)通信[7]。

下位機通信過程如下：下位機建立套接字，并偵聽連接請求；上位機發(fā)送連接請求給下位機后，下位機會相應地發(fā)送確認連接的請求給上位機，并且建立連接；當通信結束后，斷開連接。

1.3 上位機程序設計

上位機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出部分。Socket通信部分主要保證數(shù)據(jù)實時、可靠、安全地在網(wǎng)絡中進行傳輸。數(shù)據(jù)顯示部分主要實現(xiàn)文本框、儀表盤實時顯示數(shù)據(jù)、曲線實時繪制功能。存儲與導出部分主要實現(xiàn)以Excel作為模板進行數(shù)據(jù)存儲功能。上位機對應結構如圖4所示。

圖4 上位機結構

由于上位機程序同時執(zhí)行通信、顯示與存儲任務，為提高對用戶的響應速度[8]，以便幾乎同時完成，可采用多線程技術。Socket通信單獨作為一個子線程。DataModel子線程是中間橋梁，負責將傳輸給上位機的數(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)進行篩選，并給對應圖表賦值。

1.3.1 Socket通信

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

為實現(xiàn)下位機和上位機的Socket通信，仍需做以下2方面工作。

a.異步通信的實現(xiàn)。上下位機通信時，通信子線程調(diào)用BeginReceive函數(shù)實現(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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時接收等功能[9-10]。選擇異步通信的好處就在于提高了程序的整體響應能力，避免出現(xiàn)用戶界面卡頓。

b.反序列化的實現(xiàn)。在上位機接收到數(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字符串變成字符串數(shù)組。最后利用foreach語句遍歷將字符串數(shù)組，將其轉化成float類型數(shù)組[11]。

1.3.2 數(shù)據(jù)顯示

當上位機將Socket通信得到的壓力、流速等參數(shù)解析完成后，便實時地將這些參數(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。在圖表子線程中構建圖表的模型，將圖表中原數(shù)據(jù)清空，并獲取當前數(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)存儲與導出

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

目前，C#中導成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]。本項目選擇NPOI庫導出Excel文件。

2 監(jiān)控系統(tǒng)測試

為檢驗監(jiān)測系統(tǒng)的準確性和實時性，測試電機300轉時該系統(tǒng)的通信過程。進行測試前，需要額外在下位機編寫控制程序。首先，鑒于開關量輸出和模擬量輸出模塊的通道分別是32和16，故而設置32位和16位數(shù)組，并分別初始化。該實驗臺只控制1個變頻器，利用"寫入變量函數(shù)"把電機啟停和轉速信號寫入輸出模塊。下位機控制程序如圖5所示。

圖5 下位機控制程序

經(jīng)測試，基于C#和LabVIEW的監(jiān)測系統(tǒng)可以實時顯示管道內(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。運行時該系統(tǒng)的上位機監(jiān)測軟件界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)測軟件界面

3 結束語

該監(jiān)測系統(tǒng)采用C#設計上位機程序，LabVIEW設計下位機程序，利用TCP協(xié)議進行上下位機通信，保證了實時性要求。編程過程中，采用多線程技術解決了響應速度慢的問題，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)的強化學習控制算法的引入做好鋪墊，對泥漿管道的研究有參考意義。