基于WPF的水槽控制及數據采集系統設計與實現

周 琦, 江春波, 陳正兵

(1. 清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室, 北京 100084; 2. 長江勘測規劃設計研究有限責任公司, 湖北 武漢 430010)

工業化的程序設計大致可分成兩類,一類為傳統非模塊化設計語言,如Basic、C、C++、C#、圖形化編程語言LabView等[1-4]；另一類為高度模塊化的組態軟件,如三維力控、MCGS、世紀星等[5-6]。傳統非模塊化設計語言,自由度高,可根據用戶需求完成任何設計內容,但需要設計人員熟練掌握編程語言,同時當設備更新需要修改源程序時帶來不便。模塊化的組態軟件則可以以靈活多變的組態方式為用戶提供程序界面及邏輯控制的開發,組態軟件具有很強的通用性和封閉擴展性,并支持各種主流通信協議實現實時控制、監控、數據采集的功能,但組態軟件設計的程序一般較臃腫,同時這類軟件主要應用于工業實時監控中,往往難以滿足科研試驗中高頻數據采集的要求。

在水力模型試驗中需要監測水流的水深、流速、流量等數據,眾多采集設備和系統應運而生。楊寧等[7]基于LabView應用分布式網絡開發了一套應用于風浪流水槽的高頻數據采集與分析系統。馬凱等[8]將可編程控制器和RS485串口通信總線結合,研發出一套多數字傳感器數據采集系統,并成功將其應用于溪洛渡水電站左岸廠房的皮帶及連接盤水平傾角監測中。馬志敏等[1]使用MFC框架,開發了一套應用于他們自制的水位流速儀中,該系統支持31路信號,以實現河港模型試驗中斷面流速分布的測量。

本數據采集軟件擬基于WPF技術,實現水槽試驗中水深和流量的同步監測、保存和處理分析。此外,實現自動化標定水槽下游水深流量關系,可根據實驗需要設定來流流量大小,并可生成固定變化幅度的周期性來流,并可對采集的數據進行異常數據剔除,統計計算等功能。

1 WPF技術簡介

WPF(windows presentation foundation),基于.Net托管技術,以C#或VB為后臺邏輯控制語言,有大量開源組件、控制庫,程序設計人員只需找到合適的庫文件即可直接調用。2007年微軟推出Windows Vista時WPF技術正式進入人們的視野,Vista系統絢麗震撼的效果就是基于WPF技術開發的。相比傳統的GDI和GDI+繪圖系統,WPF具有得天獨厚的優勢:WPF以DirectX為引擎,可方便快捷高效地將用戶要呈現的內容顯示到設備中,同時支持硬件加速、浮點坐標及動畫實現等技術[9]。此外,WPF是以數據為驅動的,用戶只需在后臺邏輯中定義對應的屬性變量,即可將其與界面控制關聯起來,并實現需要的數據顯示、編輯和更新。這樣界面設計和邏輯控制則是分離的。WPF程序的UI界面使用XAML標記語言,界面設計既可以在Visual Studio中編寫,也可以使用專為WPF界面設計而生的Blend工具繪制,用戶可使用Blend方便快捷地設計出美觀絢麗的圖形、圖標、動畫等界面元素。WPF技術已在眾多領域得到了廣泛應用。

2 系統硬件組成

水槽試驗系統是水力科研究和教學中常用的試驗裝置,其控制采集系統見圖1。

控制采集系統中變頻器2個,一個用于控制水泵(SAJ8000B),另一個用于控制尾門(ABB AC510-01)。超聲水位計6個(Global Water WL705-003),量程0～90 cm,分辨率0.2 mm,輸出4～20 mA標準電流信號；每個水位計均使用移動支架安裝于水槽滑軌上，其中2個水位計設置在水槽上游斜坡段的固定位置,2個設置于水槽下游靠近尾門緩流段,另外2個則安裝于中間測試段以測量不同位置水深,進而得到水面沿程分布曲線。電磁流量計(DN200)內徑20 cm,量程0～800 m3/h,輸出標準4～20 mA電流信號,安裝在來流管路中間位置。萬能輸入信號采集器3個,一個用于采集水位數據,一個用于流量數據,另一個用于采集尾門位移傳感器,以確定尾門的開度，使用標準Modbus RTU通信協議(RS485接口)。6通道萬能輸入測量模塊,支持4～20 mA信號,0～10 V電壓信號或-5～+5 V電壓信號AD精度16位。

位移傳感器用于確定尾門開度大小。檢測距離為0～350 mm,精度為0.05%,供電為5 V DC,輸出信號為0～20 mA。

尾門由電機和交流接觸器共同控制。

表1為各數據采集器及變頻器的配置信息。

圖2為平坡水槽示意圖,水槽主要包括主體水槽(18 m)、首部穩流箱、流量計、水位計、離心水泵、變頻器,水槽首部設置兩道穩流柵,槽尾安裝有電機驅動的尾門,測試段前部安裝長8 m、3%坡度底板,以形成急流流態。

圖2 試驗水槽立面圖

3 數據采集系統功能設計

控制采集系統應滿足以下設計要求:設備配置主要包括串口號、波特率、奇偶校驗方式、數據位數,通信地址,水位傳感器初始化,主界面可實時數據采集顯示、數據存儲、結果分析整理,采集參數設置,水位槽底設置,水泵開啟關閉和尾門控制；界面程序使用WPF標記語言編寫,調用Grid、Button、GroupBox、CheckBox、TextBlock、Label、DynamicDataDisplay等控件。為實現數據監控的功能,軟件主要包括設置模塊、水泵控制模塊、尾門控制模塊、率定模塊、水深處理模塊,功能設計見圖3。

圖3 控制系統功能設計

界面程序為主線程,用于實時設置采集參數、實時數據顯示等功能。開啟2個后臺子線程，分別用于流量和水位數據的采集及處理,并將采集的數據以異步的方式反饋給主界面程序。采用多線程技術使數據顯示與采集傳輸分析分離,可有效避免單線程程序中因高速數據采集導致的界面假死和線程阻塞現象。本軟件有2種類型的線程:用戶界面線程和后臺處理線程。用戶界面線程是本軟件的主線程,用于參數設置及數據顯示,同時可以響應系統設備(如鍵盤、鼠標等)的輸入輸出。后臺處理線程則用于處理后臺任務,獨立于界面線程,同時可以將處理結果實時地在界面線程中顯示。采用多線程技術可實現同時對多個數據采集器同步采集,并實時快速數據顯示以及文件存儲。

因數據采集器有6個信號通道,若長時間采集容易造成系統性能降低,因此應為每個數據采集器使用獨立線程,以提高數據采集的可靠性,并減少采集的循環等待時間。各數據采集器通過RS485串行總線及串口轉USB轉換器與PC上位機連接,2個串口可同時工作,數據傳輸協議遵循Modbus RTU協議,傳送數據中包含各通道數據以及CRC校驗值。

nModbus動態鏈接庫對各標準的Modbus協議進行了統一封裝,用戶可直接調用類庫中相應的成員函數進行數據的發送和接收,而不必考慮報文幀的具體實現細節,簡化了編程過程,提高了編程效率。

圖4為本采集系統的程序主界面。圖5為數據采集的流程圖,采集開始前應設置對應采集器的通信設置,只有正確設置采集器的串口號和波特率才能成功地對數據進行監測。若要采集水位數據，則應先設置槽底值(即當水槽無水狀態下超聲水位計的基準值),實際水位為槽底值減去實測值,水深大小與超聲水位計輸出電流信號值成負線性關系。

圖4 程序主界面

圖5 數據采集流程圖

4 數據分析模塊設計

因超聲水位計發射的超聲波在傳播過程中容易受到背景噪音(如水槽振動,水流氣泡、水面變化等)的影響,致使數據出現異常值,在數據后處理中應剔除異常值。圖6為水泵啟動時未經處理的水位的實時數據曲線(圖中WL1、WL2、WL5、WL6分別表示1#水位計、2#水位計、5#水位計、6#水位計),從圖中可看到在不同時刻各水位計均有異常值出現。異常數據檢測和剔除算法主要有域值法、拉依達法、肖維勒法、一階差分法、數據跳躍法等[10-14]。本數據處理模塊針對水位數據特點采用修改的拉依達算法進行異常數據的檢測和剔除。拉依達檢測法基本原理:若數據樣本測量值與平均值之差大于標準差的3倍,則該數據點判定為異常值。導入水深數據后,對數據系列進行中值過濾(過濾區間取64個數據點),再計算過濾后的標準差s,然后逐點對原始數據和對應中值點進行對比,若原始值與中值過濾值的偏差大于3倍標準差,則判定該點為異常點,并用中值過濾后的值替換原始值,即完成異常值的檢測和替換。算法流程見圖7。

圖6 水泵啟動水位過程線(原始值)

圖7 異常數據值檢測算法

圖8為水泵啟動時異常值剔除后的水位過程線,數據曲線的毛刺現象(數據異常值)基本消失。1#、2#水位計布置在斜坡急流段,水深較小,5#、6#水位計布置在下游平坡靠近尾門緩流段,水深較大。

圖8 水泵啟動水位過程線(異常數據剔除后)

5 測試結果與分析

5.1 水深流量率定結果

圖 9和圖 10分別為使用本數據采集系統自動率定的流量-頻率關系，以及對應的流量-水深關系。在進行水力數據分析時,為便于參數的無量綱化,常將水深作為控制變量進行分析,而水深-流量關系可用于水深和流量之間的相互轉換,對同一試驗水槽和同一尾門開度,流量-頻率和流量-水深關系是固定不變的。

通過擬合頻率和流量數據可得出:

y=-0.675 2x2+52.699x-714.99

式中：x為頻率，Hz；y為流量，m3/h。

圖9 變頻器頻率與來流流量關系

圖10 水深與流量關系

由圖10可看出,平坡緩流段的5#、6#水位計水深與流量關系基本一致,呈二次關系；而急流斜坡段的1#(變坡點上游5 m處)和2#水位計(變坡點上游2 m處),水深與流量呈線性關系,但兩水位計的關系有所差別。

5.2 周期來流

在水力試驗中,有時需要上游來流按一定幅度變化的周期性流動。由率定的變頻器頻率和流量關系可知,若要生成周期性的來流量,只需通過頻率-流量關系計算出頻率過程變化曲線,再將頻率值實時地設定變頻器的頻率即可。圖 11為平均流量為85 m3/h、變化幅度為±25 m3/h、周期為90 s時的周期性流量和對應頻率過程線。圖 12為相應的各水位計水深過程線,由圖可看出,水深也呈周期性變化,且變化周期基本與來流流量周期一致,只是相位有所差別。

圖11 周期來流流量實時曲線

圖12 周期性來流水位實時曲線

6 結語

將自動化技術應用于水力試驗水槽控制及數據采集系統中,以WPF界面開發語言結合多線程技術,設計PC上位機流量控制及數據采集和顯示軟件,實現水位流量的同步采集,對水位數據應用修改的拉依達算法進行異常數據剔除,水位數據處理結果合理。通過本采集系統,對水槽頻率-流量關系進行率定,并得到對應的水深-流量關系。此外,應用所得變頻器頻率和來流流量關系式成功實現來流流量的周期性控制。整個開發過程簡單,整套系統可移植于類似的試驗水槽中。

References)

[1] 馬志敏, 蘇姍, 胡文斌. 多路水深流速自動采集系統設計與應用[J]. 長江科學院院報, 2014,31(5):97-101.

[2] 王雪梅. VC 環境下高速實時數據采集的實現[J]. 信息技術, 2006,30(5):147-149.

[3] 閆紀紅, 楊偉成. 基于 PXI 和 LabVIEW 的雙板卡遠程數據采集系統設計[J]. 實驗技術與管理, 2013,30(7):80-82.

[4] 李巧真, 李剛, 徐天室. 傳感器實驗裝置計算機控制系統[J]. 實驗技術與管理, 2011,28(6):57-60.

[5] 王晗, 王輝, 徐秀賢. 基于工業組態軟件的污水處理工程監控系統的設計[J]. 自動化應用, 2015(2):47-48.

[6] 袁小平, 婁承芝, 田浩, 等. 新能源利用綜合演示實驗平臺研制[J]. 實驗技術與管理, 2017，34(1):98-103.

[7] 楊寧, 朱曉陽, 齊連明, 等. 風浪流水槽分布式數據采集與分析系統設計[J]. 電子測量技術, 2013(5):105-110.

[8] 馬凱, 楊峰. 高速多通道數據采集系統的設計[J]. 中國測試, 2013,39(6):85-88.

[9] 王德權, 鄧云霓. WPF 在發動機生產線監控系統中的應用[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2013(4):83-85.

[10] 黃謨濤, 翟國君. 海洋測量異常數據的檢測[J]. 測繪學報, 1999,28(3):269-277.

[11] 童麗, 周海銀. 異常數據剔除的一種改進計算方法[J]. 中國空間科學技術, 2001,21(4):11-16.

[12] 邵婷婷, 張水利, 張永波. 兩種剔除異常數據的方法比較[J]. 現代電子技術, 2008,31(24):148-150.

[13] 毛亞純, 王恩德, 修春華. 剔除變形監測粗差數據的新方法:數據跳躍法[J]. 東北大學學報(自然科學版), 2011,32(7):1020-1023.

[14] 趙鍵, 張慧莉. 大壩自動監測數據異常值識別的改進數據跳躍法[J]. 中國農村水利水電, 2014(2):85-87.