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基于多視圖模型的無線壓力變送器測試系統
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基于多視圖模型的無線壓力變送器測試系統

時間:2023-10-07 08:59:27

 摘 要:無線壓力變送器是一種基于無線通信協議的智能儀表設備,可實現壓力信號無線遠傳,方便用戶監控調試。 從用戶定制到產業升級,通信方式的創新促成了產品測試方式的迭代,在多模無線通信充分覆蓋的智慧車間生產環境下,引入多協議融合、多終端監控、多用戶協同的新型測試方案勢在必行。 shou先提出了一種測試系統的構建模式———多視圖模型,然后設計了監控、調試和測試軟件,進行了系統集成,#后在實際生產中驗證了系統的效率優勢。gcm壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
引言
相較傳統儀表,無線儀表在通信靈活性、測量實時性、使用便捷性等方面都具有優勢。 在消費領域,具有遠程抄表功能的無線儀表已走入千家萬戶[1-3];在業務領域,無線儀表的應用優勢同樣明顯,以壓力變送器為例,現有的油井壓力動態測量多采用關井測量[4]、滑架測量[5] 等方式,不但依賴現場人員和基礎設施,而且數據多為存儲回放,實時性較差。引入無線壓力變送器和通信網絡后,可以實時監控油井壓力狀況,快速識別生產問題,從而降低現場安全風險[6]。
 
作為一款新興產品,無線壓力變送器在結構與工藝上和傳統有線變送器有一定差異,因此,生產測試方法需要相應變化。 此產品起初是大型企業用戶的定制產品,其生產測試環節均是定制化的,需要投入較多人力成本和時間成本;如今,產品在石油、電力、水利等行業的應用范圍不斷增加,市場規模逐年擴大,要同時兼顧產能和良率,實行標準化、集群化、并行化的測試方式必不可少[7]。
 
為提升無線壓力變送器在車間生產線上的測試效率,整理了相關預備知識,shou先搭建了產品測試環節需要的通信拓撲結構,然后對傳統的視圖模型軟件架構進行改良,形成了一套基于多視圖模型(Multi-View-Model)的快速開發模式,#后采用該模式開發了一套生產測試系統,進行了應用驗證,證明了測試系統的便捷性、可用性和高效性。
 
1 系統概述
生產測試系統是一個包含用戶驗證、遠程監控、現場調試、自動測試等子功能的多功能軟件,對管理人員、研發人員和操作人員提供了不同的軟件支持,有助于簡化工作流程,助力無線壓力變送器的標準化生產,下面對系統研究對象、架構方法、環境依賴三個方面進行介紹。
 
1. 1 無線壓力變送器
無線壓力變送器是一種智能儀表設備,在傳統壓力變送器的基礎上添加了無線通信模塊,采用電池供電,從而保證用戶現場的長期使用。
 
研究對象為SC-G08系列高精度無線智能變送器(0. 05%FS),是一種高性能無線壓力變送器,使用高靈敏度單晶硅復合傳感器和多參數補償算法,可選擇 ZigBee、LoRa、NB-IoT、WirelessHART 和 WIA-PA 等通信方式,支持星型、樹型和 Mesh 等組網方案[8]。
 
1. 2 視圖模型架構
視圖模型(MVVM,Model-View-ViewModel) 是一種先金的軟件構建模式,#早由 John Gossman 提出[9]。 與 MVC架構[10]和 MVP 架構[11] 相比,MVVM 架構在軟件功能的前后端分離上更具優勢(見圖 1),因此,在業界已有較為廣泛的框架應用研究與框架變體研究,如 WPF 桌面應用開發,Silverlight 網絡應用開發,以及基于 MVVM 模式的架構變體ZK、Vue 和 Knockout 等[12]。
MVC、MVP 和 MVVM 架構示意圖
從圖 1 不難看出,三種架構可概括為 MVB,即模型(Model)、 視 圖 ( View ) 以 及 視 圖 與 模 型 間 的 橋 接 器(Bridge)。 觀察從 MVC 到 MVVM 架構 Bridge 的迭代,可進一步明確 MVVM 的優勢:
(1)操作解耦:與 MVC 相較,MVVM 引入了命令綁定器(Command Binder)來替代事件觸發,避免了 View 對 Model的直接操作;
(2)數據解耦:與 MVP 相較,MVVM 引入了數據綁定器(Data Binder)來分離 GUI 代碼,使得軟件前端完全由數據驅動,減少了接口開發工作;
(3)開發解耦:與 MVC、MVP 相較,MVVM 模式中上層元件對下層元件不可見,ViewModel 層對 View 層、Model 層對 ViewModel 層的引用不是必須的,因此,可實現多人協作、分層開發。
 
由于 MVVM 架構多用于單個軟件的設計實現,為實現由一到多、由點到面、由軟件到系統的改進,提出了一種基于 MVVM 架構的架構變體———多視圖模型(Multi-View-Model),并將此變體運用到生產測試系統開發中。
 
1. 3 無線智慧車間
在數字化車間的基礎上,智慧車間加強了對生產線上流轉數據的利用,不僅能通過 MES 系統、ERP 系統及數據庫系統實現生產流程的自動化、數字化,還能通過工控網絡和通信技術實現信息化、智能化,構建面向生產的智慧系統[13]。
 
依托重慶四聯測控技術有限公司智能壓力變送器制造數字化車間[14],以傳統計算機設備為父節點、以智能產品為子節點構建無線智慧網絡,并同時支持 ZigBee、LoRa 等無線組網方案,從而兼顧經濟性和效率性,與傳統生產線無縫兼容。
 
2 系統實現
本系統的搭建目的是在不同 Windows 系統版本的測試、調試和監控終端上實現對應功能,集成系統授權與用戶管理,主要包含如下實現步驟。
2. 1 網絡構建
測試系統的功能網絡依托壓力變送器標準生產線,通常包含工控機、氣體壓力控制器、數字萬用表等設備,并配備有網絡環境與操作人員。
 
通過對標準生產線進行少量的軟硬件擴充,即可以較低成本構建適用于無線壓力變送器的生產測試網絡。為保證通信安全性和儀表響應速度,在軟件上,本系統采用 C/ S 架構,開發環境為 Visual Studio 2017,框架為.NETFramework 4.x,從而實現在 Windows XP / 7 / 10 操作系統上原生運行。
 
在硬件上,本系統采用無線通信板卡(ZigBee、LoRa 等)與 GPIB 板卡作為工控機的外部通信拓展,分別通過 USB/RS232 板卡與儀表建立無線通信、通過 GPIB 板卡與壓力控制器建立有線通信,通過增加/ 減少拓展接口即可實現軟件與不同協議儀表通信功能的變更(圖 2)。
車間生產測試網絡拓撲
通過生產測試網絡,智慧車間的測試數據可以經由無線通信中繼節點或移動基站上載到服務器和監控設備,從而幫助決策人員實現對整個生產測試環節的監控與管理。
 
2. 2 框架設計
WPF 和 WinForms 是兩種由微軟提供、基于.NET 框架的桌面程序開發框架,是目前工控機桌面開發的主流框架,由于 WPF 提供高解析(HDPI)、觸控( Touch)等先金特性,以及對 MVVM 設計模式的原生支持,本系統選用 WPF 作為軟件開發的主要框架。
 
如 1. 2 所述,MVVM 設計模式采用三層結構設計,WPF框架每部分主要功能和實現內容如下:
(1)Model 層:采用 C#進行面向對象的底層建模,包含模型類、屬性與方法,是 ViewModel 層的數據源;
(2) View 層:采用 XAML 描述語言進行設計,包含窗口、頁面、控件等,并聲明了前臺所需數據和需執行的命令,不包含實際數據和命令實現;
(3)ViewModel 層:采用 C#編寫綁定器( Binder),其中包含模型對象的實例化、模型屬性與方法整理、屬性與方法的綁定,是 View 層的數據源。
 
為便于軟件開發,本系統中還添加一系列資源文件作為 MVVM 模式外部支持,包含:
(1)資源字典(Dictionary):采用 XAML 描述語言編寫的前臺資源,包含前臺窗口、頁面、控件使用的模板( Tem⁃plate)和主題風格(Style);
(2)數值轉換器(Converter):采用 C#編寫的后臺綁定數據到前臺的轉換器,實現 IValueConverter 接口,從而保證數據傳遞的方向正確與可用;
(3)設置文件( Setting):采用 XML 語言存儲的程序運行時可能讀取的配置信息,包含應用程序設置和用戶設置;
(4)其他(Other):引用集(Assembly)、NuGet 包、采用的圖片、圖標、字體等其他外部資源。
 
總的來看,MVVM 設計模式結構簡潔(圖 3),各模塊之間邊界清晰可見、分工明確,既適合個人開發,也適用于團隊協作。
基于MVVM的WPF應用程序構建
然而,由于在 MVVM 模式中,每一個界面都同時包含Model、View、ViewModel 以及相應的 Converter,因此,在如下情形下存在劣勢:
(1)跨界面情形:如果單個軟件中存在多個界面,針對每個界面單好實行 MVVM 模式會復用大量代碼,增加不必要的工作時間;
(2)跨軟件情形:如果單個系統中存在多個軟件,針對每個軟件單好實行 MVVM 模式不但涉及代碼重用,而且可能引起程序集或 NuGet 包管理版本混亂。
 
為保持 MVVM 框架并規避上述劣勢,本系統引入了多視圖模型(Multi-View-Model)的架構變體,綜合考慮了測試系統所需軟件的各項依賴,并針對性地制定了構建方案:
(1)資源整合:參照測試工藝流程,提取并編寫跨解決方案的資源字典、公共模型和轉換器,以求盡可能多地減少軟件之間的重復代碼(圖 4)。
 
(2)框架精簡:對于小型可復用界面(彈窗、對話框等)和自定義控件,直接將 Model 和 ViewModel 層放置在 View層后臺代碼中,同時實現 DataContext 功能和 INotifyProper⁃tyChanged 接口,減少文件數和代碼量。
(3)交叉復用:建立 View 與 ViewModel 層之間的多對多關系(圖 5),實現多視圖模型變體,包括:
①單個 View 層對應兩套并列的 ViewModel 層,其中一套用于前端調試(ViewSupport),另一套用于后端調試和實際運行(ModelInterface),從而實現項目前后端開發完全隔離,方便多人分組開發;
②單個 ViewModel 層對應多個 View 層,同時對多個界面提供后臺數據,實現對不同應用場景或不同用戶提供展示不同數據的軟件界面。
 
上述構建方法提高了應用程序的構建效率,進而幫助實現測試系統軟件的快速開發與拓展。
 
2. 3軟件開發
 
在無線壓力變送器研發、調試和生產測試環節中,軟件是操作人員實現壓力變送器遠程配置、遠程操作的主要媒介。 本項目圍繞建立生產測試系統的目的,進行了如下配套軟件的開發:
(1)監控軟件
監控軟件(WT Monitor)主要用于壓力變送器上線入網后的設備信息監控與可視化,能幫助用戶快速獲取儀表運行狀態與壓力信息,既可以部署在本地(內網環境),又可以運行在遠程服務器(公網環境)。
 
為實現更好的軟件性能并能提供屏幕觸控功能,WT Mo-nitor基于.NET Framework 4. 7. 2 開發,采用異步模型,從而更好地實現 NB-IoT、5G、ZigBee、LoRa 等無線儀表的多路并發要求。
(2)調試/ 標定軟件
調試/ 標定軟件(WT Calibration)主要用于幫助研發人員在調試過程中對單臺無線壓力變送器進行功能檢查,集成了參數解析、儀表描述標定、儀表參數標定等功能。由于變送器的調試與標定依賴模型一致,但有不同環境的使用需求,因此,借助交叉復用方法,構建了兩種不同的前臺界面(圖 7):
 
①調試軟件:主要用于研發環境,提供標定命令構建、自定義命令發送、儀表信息導入導出等功能,移除了對外部數據庫的依賴;
②標定軟件:主要用于生產環境,提供儀表數據可視化、參數標定、數據庫連接等功能,可以實現儀表的手動標定或手動加壓測試,移除了部分不適用于生產環境的功能。盡管在調試/ 標定軟件中可以實現儀表加壓測試,但依賴手動操作,而且只能進行單臺儀表調試/ 標定,因此,在此基礎上進一步開發了自動測試軟件。
(3)自動測試軟件
自動測試軟件(WT Test)是適用于無線壓力變送器整機測試的工控機軟件,同時也具備儀表標定、數據庫檢索等功能,實現了壓力變送器與壓力控制器、服務器和遠程數據庫的協同工作。無線壓力變送器的整機測試主要包含如圖 8 所示步驟:
①軟件初始化:檢查外部設備工作是否正常,嘗試在工控機與壓力控制器、服務器和遠程數據庫之間建立通信連接;
②連接儀表:正確安裝無線壓力變送器,并嘗試與工控機建立連接,并進入標定狀態。
③自動測試:從遠程數據庫讀取有關信息,并將量程、單位等出廠信息寫入儀表,隨后依照工藝流程,對壓力控制器進行逐量程多點位施壓、卸壓操作,確保每個點位誤差、回差均滿足精度要求;
④開儀表:測試合格后,切斷儀表與工控機的通信,更改通信間隔時間,隨后斷電;
⑤結果記錄:將全流程的測試信息與測試結果進行記錄,并寫入遠程數據庫。
 
如圖 9 所示,WT Test 基于.NET Framework 4. 0 開發,并采用標準 I/ O 函數庫(VISA)進行讀寫,從而在 Windows XP / 7 /10 等系統上取得一致的用戶體驗。
 
2. 4系統集成
 
項目采用配備好立授權軟件(WT Login)來實現內網授權管理,只實現 Web API 驗證功能,實際軟件在用戶驗證通過后再實例化,用戶信息和配置文件將作為啟動參數傳遞給軟件模型。
 
目前授權軟件僅作為測試系統的集成入口實現用戶驗證,后續可匯總不同軟件在工控機上的使用信息,實現完整的后臺管理系統。
3 系統驗證
3. 1 環境配置
下面嘗試將測試系統部署于數字化車間中,對系統進行全功能驗證,主要環境硬件配置如下間配備的基本外部支持
3. 2生產驗證
 
無線壓力變送器在定制產品生產的整機手動測試過程中,需要人工手動操作壓力控制器逐點計數,單表測試時長在 15 分鐘以上。
 
本項目的生產測試系統實現了信息錄入、自動測試和結果記錄的流程自動化。 經車間驗證,在采用自動測試軟件(圖 10)后,從儀表連接到測試結束,總時長為 5 ~ 10 分鐘,減時增效達 33% ~66%,全程wuxu人工干預,有效避免了人工可能出現的誤操作情況。
 
4 總結
構建了無線壓力變送器生產測試系統,驗證了多視圖模型在軟件開發上的好特優勢,提升了車間生產力,為新產品的快速標準化提供了幫助。
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