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引言

相較傳統(tǒng)儀表，無線儀表在通信靈活性、測量實(shí)時性、使用便捷性等方面都具有優(yōu)勢。 在消費(fèi)領(lǐng)域，具有遠(yuǎn)程抄表功能的無線儀表已走入千家萬戶［１－３］；在業(yè)務(wù)領(lǐng)域，無線儀表的應(yīng)用優(yōu)勢同樣明顯，以壓力變送器為例，現(xiàn)有的油井壓力動態(tài)測量多采用關(guān)井測量［４］、滑架測量［５］ 等方式，不但依賴現(xiàn)場人員和基礎(chǔ)設(shè)施，而且數(shù)據(jù)多為存儲回放，實(shí)時性較差。引入無線壓力變送器和通信網(wǎng)絡(luò)后，可以實(shí)時監(jiān)控油井壓力狀況，快速識別生產(chǎn)問題，從而降低現(xiàn)場安全風(fēng)險(xiǎn)［６］。

 

作為一款新興產(chǎn)品，無線壓力變送器在結(jié)構(gòu)與工藝上和傳統(tǒng)有線變送器有一定差異，因此，生產(chǎn)測試方法需要相應(yīng)變化。 此產(chǎn)品起初是大型企業(yè)用戶的定制產(chǎn)品，其生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)均是定制化的，需要投入較多人力成本和時間成本；如今，產(chǎn)品在石油、電力、水利等行業(yè)的應(yīng)用范圍不斷增加，市場規(guī)模逐年擴(kuò)大，要同時兼顧產(chǎn)能和良率，實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)線上的測試效率，整理了相關(guān)預(yù)備知識，shou先搭建了產(chǎn)品測試環(huán)節(jié)需要的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后對傳統(tǒng)的視圖模型軟件架構(gòu)進(jìn)行改良，形成了一套基于多視圖模型（Ｍｕｌｔｉ－Ｖｉｅｗ－Ｍｏｄｅｌ）的快速開發(fā)模式，#后采用該模式開發(fā)了一套生產(chǎn)測試系統(tǒng)，進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，證明了測試系統(tǒng)的便捷性、可用性和高效性。

 

１ 系統(tǒng)概述

生產(chǎn)測試系統(tǒng)是一個包含用戶驗(yàn)證、遠(yuǎn)程監(jiān)控、現(xiàn)場調(diào)試、自動測試等子功能的多功能軟件，對管理人員、研發(fā)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(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，下面對系統(tǒng)研究對象、架構(gòu)方法、環(huán)境依賴三個方面進(jìn)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(shè)備，在傳統(tǒng)壓力變送器的基礎(chǔ)上添加了無線通信模塊，采用電池供電，從而保證用戶現(xiàn)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(fù)合傳感器和多參數(shù)補(bǔ)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(wǎng)方案［８］。

 

１. ２ 視圖模型架構(gòu)

視圖模型（ＭＶＶＭ，Ｍｏｄｅｌ－Ｖｉｅｗ－ＶｉｅｗＭｏｄｅｌ） 是一種先金的軟件構(gòu)建模式，#早由 Ｊｏｈｎ Ｇｏｓｓｍａｎ 提出［９］。 與 ＭＶＣ架構(gòu)［１０］和 ＭＶＰ 架構(gòu)［１１］ 相比，ＭＶＶＭ 架構(gòu)在軟件功能的前后端分離上更具優(yōu)勢（見圖 １），因此，在業(yè)界已有較為廣泛的框架應(yīng)用研究與框架變體研究，如 ＷＰＦ 桌面應(yīng)用開發(fā)，Ｓｉｌｖｅｒｌｉｇｈｔ 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)，以及基于 ＭＶＶＭ 模式的架構(gòu)變體ＺＫ、Ｖｕｅ 和 Ｋｎｏｃｋｏｕｔ 等［１２］。

從圖 １ 不難看出，三種架構(gòu)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(gòu) Ｂｒｉｄｇｅ 的迭代，可進(jìn)一步明確 ＭＶＶＭ 的優(yōu)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(fā)，避免了 Ｖｉｅｗ 對 Ｍｏｄｅｌ的直接操作；

（２）數(shù)據(jù)解耦：與 ＭＶＰ 相較，ＭＶＶＭ 引入了數(shù)據(jù)綁定器（Ｄａｔａ Ｂｉｎｄｅｒ）來分離 ＧＵＩ 代碼，使得軟件前端完全由數(shù)據(jù)驅(qū)動，減少了接口開發(fā)工作；

（３）開發(fā)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(shí)現(xiàn)多人協(xié)作、分層開發(fā)。

 

由于 ＭＶＶＭ 架構(gòu)多用于單個軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)由一到多、由點(diǎn)到面、由軟件到系統(tǒng)的改進(jìn)，提出了一種基于 ＭＶＶＭ 架構(gòu)的架構(gòu)變體———多視圖模型（Ｍｕｌｔｉ－Ｖｉｅｗ－Ｍｏｄｅｌ），并將此變體運(yùn)用到生產(chǎn)測試系統(tǒng)開發(fā)中。

 

１. ３ 無線智慧車間

在數(shù)字化車間的基礎(chǔ)上，智慧車間加強(qiáng)了對生產(chǎn)線上流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的利用，不僅能通過 ＭＥＳ 系統(tǒng)、ＥＲＰ 系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的自動化、數(shù)字化，還能通過工控網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息化、智能化，構(gòu)建面向生產(chǎn)的智慧系統(tǒng)［１３］。

 

依托重慶四聯(lián)測控技術(shù)有限公司智能壓力變送器制造數(shù)字化車間［１４］，以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)備為父節(jié)點(diǎn)、以智能產(chǎn)品為子節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無線智慧網(wǎng)絡(luò)，并同時支持 ＺｉｇＢｅｅ、ＬｏＲａ 等無線組網(wǎng)方案，從而兼顧經(jīng)濟(jì)性和效率性，與傳統(tǒng)生產(chǎn)線無縫兼容。

 

２ 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的搭建目的是在不同 Ｗｉｎｄｏｗｓ 系統(tǒng)版本的測試、調(diào)試和監(jiān)控終端上實(shí)現(xiàn)對應(yīng)功能，集成系統(tǒng)授權(quán)與用戶管理，主要包含如下實(shí)現(xiàn)步驟。

２. １ 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

測試系統(tǒng)的功能網(wǎng)絡(luò)依托壓力變送器標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線，通常包含工控機(jī)、氣體壓力控制器、數(shù)字萬用表等設(shè)備，并配備有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與操作人員。

 

通過對標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線進(jìn)行少量的軟硬件擴(kuò)充，即可以較低成本構(gòu)建適用于無線壓力變送器的生產(chǎn)測試網(wǎng)絡(luò)。為保證通信安全性和儀表響應(yīng)速度，在軟件上，本系統(tǒng)采用 Ｃ／ Ｓ 架構(gòu)，開發(fā)環(huán)境為 Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２０１７，框架為．ＮＥＴＦｒａｍｅｗｏｒｋ ４．ｘ，從而實(shí)現(xiàn)在 Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ ／ ７ ／ １０ 操作系統(tǒng)上原生運(yùn)行。

 

在硬件上，本系統(tǒng)采用無線通信板卡（ＺｉｇＢｅｅ、ＬｏＲａ 等）與 ＧＰＩＢ 板卡作為工控機(jī)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(shí)現(xiàn)軟件與不同協(xié)議儀表通信功能的變更（圖 ２）。

通過生產(chǎn)測試網(wǎng)絡(luò)，智慧車間的測試數(shù)據(jù)可以經(jīng)由無線通信中繼節(jié)點(diǎn)或移動基站上載到服務(wù)器和監(jiān)控設(shè)備，從而幫助決策人員實(shí)現(xiàn)對整個生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)的監(jiān)控與管理。

 

２. ２ 框架設(shè)計(jì)

ＷＰＦ 和 ＷｉｎＦｏｒｍｓ 是兩種由微軟提供、基于．ＮＥＴ 框架的桌面程序開發(fā)框架，是目前工控機(jī)桌面開發(fā)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(shè)計(jì)模式的原生支持，本系統(tǒng)選用 ＷＰＦ 作為軟件開發(fā)的主要框架。

 

如 １. ２ 所述，ＭＶＶＭ 設(shè)計(jì)模式采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，ＷＰＦ框架每部分主要功能和實(shí)現(xiàn)內(nèi)容如下：

（１）Ｍｏｄｅｌ 層：采用 Ｃ＃進(jìn)行面向?qū)ο蟮牡讓咏�模，包含模型類、屬性與方法，是 ＶｉｅｗＭｏｄｅｌ 層的數(shù)據(jù)源；

（２） Ｖｉｅｗ 層：采用 ＸＡＭＬ 描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含窗口、頁面、控件等，并聲明了前臺所需數(shù)據(jù)和需執(zhí)行的命令，不包含實(shí)際數(shù)據(jù)和命令實(shí)現(xiàn)；

（３）ＶｉｅｗＭｏｄｅｌ 層：采用 Ｃ＃編寫綁定器（ Ｂｉｎｄｅｒ），其中包含模型對象的實(shí)例化、模型屬性與方法整理、屬性與方法的綁定，是 Ｖｉｅｗ 層的數(shù)據(jù)源。

 

為便于軟件開發(fā)，本系統(tǒng)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(fēng)格（Ｓｔｙｌｅ）；

（２）數(shù)值轉(zhuǎn)換器（Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）：采用 Ｃ＃編寫的后臺綁定數(shù)據(jù)到前臺的轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn) ＩＶａｌｕｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒ 接口，從而保證數(shù)據(jù)傳遞的方向正確與可用；

（３）設(shè)置文件（ Ｓｅｔｔｉｎｇ）：采用 ＸＭＬ 語言存儲的程序運(yùn)行時可能讀取的配置信息，包含應(yīng)用程序設(shè)置和用戶設(shè)置；

（４）其他（Ｏｔｈｅｒ）：引用集（Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ＮｕＧｅｔ 包、采用的圖片、圖標(biāo)、字體等其他外部資源。

 

總的來看，ＭＶＶＭ 設(shè)計(jì)模式結(jié)構(gòu)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(fā)，也適用于團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

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(yīng)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(shí)行 ＭＶＶＭ 模式會復(fù)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(tǒng)中存在多個軟件，針對每個軟件單好實(shí)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(guī)避上述劣勢，本系統(tǒng)引入了多視圖模型（Ｍｕｌｔｉ－Ｖｉｅｗ－Ｍｏｄｅｌ）的架構(gòu)變體，綜合考慮了測試系統(tǒng)所需軟件的各項(xiàng)依賴，并針對性地制定了構(gòu)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(zhuǎn)換器，以求盡可能多地減少軟件之間的重復(fù)代碼（圖 ４）。

 

（２）框架精簡：對于小型可復(fù)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(shí)現(xiàn) ＤａｔａＣｏｎｔｅｘｔ 功能和 ＩＮｏｔｉｆｙＰｒｏｐｅｒ⁃ｔｙＣｈａｎｇｅｄ 接口，減少文件數(shù)和代碼量。

（３）交叉復(fù)用：建立 Ｖｉｅｗ 與 ＶｉｅｗＭｏｄｅｌ 層之間的多對多關(guān)系（圖 ５），實(shí)現(xiàn)多視圖模型變體，包括：

①單個 Ｖｉｅｗ 層對應(yīng)兩套并列的 ＶｉｅｗＭｏｄｅｌ 層，其中一套用于前端調(diào)試（ＶｉｅｗＳｕｐｐｏｒｔ），另一套用于后端調(diào)試和實(shí)際運(yùn)行（ＭｏｄｅｌＩｎｔｅｒｆａｃｅ），從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目前后端開發(fā)完全隔離，方便多人分組開發(fā)；

②單個 ＶｉｅｗＭｏｄｅｌ 層對應(yīng)多個 Ｖｉｅｗ 層，同時對多個界面提供后臺數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對不同應(yīng)用場景或不同用戶提供展示不同數(shù)據(jù)的軟件界面。

 

上述構(gòu)建方法提高了應(yīng)用程序的構(gòu)建效率，進(jìn)而幫助實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)軟件的快速開發(fā)與拓展。

 

２. ３軟件開發(fā)

 

在無線壓力變送器研發(fā)、調(diào)試和生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)中，軟件是操作人員實(shí)現(xiàn)壓力變送器遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程操作的主要媒介。 本項(xiàng)目圍繞建立生產(chǎn)測試系統(tǒng)的目的，進(jìn)行了如下配套軟件的開發(fā)：

（１）監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件（ＷＴ Ｍｏｎｉｔｏｒ）主要用于壓力變送器上線入網(wǎng)后的設(shè)備信息監(jiān)控與可視化，能幫助用戶快速獲取儀表運(yùn)行狀態(tài)與壓力信息，既可以部署在本地（內(nèi)網(wǎng)環(huán)境），又可以運(yùn)行在遠(yuǎn)程服務(wù)器（公網(wǎng)環(huán)境）。

 

為實(shí)現(xiàn)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(fā)，采用異步模型，從而更好地實(shí)現(xiàn) ＮＢ－ＩｏＴ、５Ｇ、ＺｉｇＢｅｅ、ＬｏＲａ 等無線儀表的多路并發(fā)要求。

（２）調(diào)試／ 標(biāo)定軟件

調(diào)試／ 標(biāo)定軟件（ＷＴ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）主要用于幫助研發(fā)人員在調(diào)試過程中對單臺無線壓力變送器進(jìn)行功能檢查，集成了參數(shù)解析、儀表描述標(biāo)定、儀表參數(shù)標(biāo)定等功能。由于變送器的調(diào)試與標(biāo)定依賴模型一致，但有不同環(huán)境的使用需求，因此，借助交叉復(fù)用方法，構(gòu)建了兩種不同的前臺界面（圖 ７）：

 

①調(diào)試軟件：主要用于研發(fā)環(huán)境，提供標(biāo)定命令構(gòu)建、自定義命令發(fā)送、儀表信息導(dǎo)入導(dǎo)出等功能，移除了對外部數(shù)據(jù)庫的依賴；

②標(biāo)定軟件：主要用于生產(chǎn)環(huán)境，提供儀表數(shù)據(jù)可視化、參數(shù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)庫連接等功能，可以實(shí)現(xiàn)儀表的手動標(biāo)定或手動加壓測試，移除了部分不適用于生產(chǎn)環(huán)境的功能。盡管在調(diào)試／ 標(biāo)定軟件中可以實(shí)現(xiàn)儀表加壓測試，但依賴手動操作，而且只能進(jìn)行單臺儀表調(diào)試／ 標(biāo)定，因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)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(jī)測試的工控機(jī)軟件，同時也具備儀表標(biāo)定、數(shù)據(jù)庫檢索等功能，實(shí)現(xiàn)了壓力變送器與壓力控制器、服務(wù)器和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的協(xié)同工作。無線壓力變送器的整機(jī)測試主要包含如圖 ８ 所示步驟：

①軟件初始化：檢查外部設(shè)備工作是否正常，嘗試在工控機(jī)與壓力控制器、服務(wù)器和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(jī)建立連接，并進(jìn)入標(biāo)定狀態(tài)。

③自動測試：從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫讀取有關(guān)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(jìn)行逐量程多點(diǎn)位施壓、卸壓操作，確保每個點(diǎn)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(jī)的通信，更改通信間隔時間，隨后斷電；

⑤結(jié)果記錄：將全流程的測試信息與測試結(jié)果進(jìn)行記錄，并寫入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。

 

如圖 ９ 所示，ＷＴ Ｔｅｓｔ 基于．ＮＥＴ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ４. ０ 開發(fā)，并采用標(biāo)準(zhǔn) Ｉ／ Ｏ 函數(shù)庫（ＶＩＳＡ）進(jìn)行讀寫，從而在 Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ ／ ７ ／１０ 等系統(tǒng)上取得一致的用戶體驗(yàn)。

 

２. ４系統(tǒng)集成

 

項(xiàng)目采用配備好立授權(quán)軟件（ＷＴ Ｌｏｇｉｎ）來實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)授權(quán)管理，只實(shí)現(xiàn) Ｗｅｂ ＡＰＩ 驗(yàn)證功能，實(shí)際軟件在用戶驗(yàn)證通過后再實(shí)例化，用戶信息和配置文件將作為啟動參數(shù)傳遞給軟件模型。

 

目前授權(quán)軟件僅作為測試系統(tǒng)的集成入口實(shí)現(xiàn)用戶驗(yàn)證，后續(xù)可匯總不同軟件在工控機(jī)上的使用信息，實(shí)現(xiàn)完整的后臺管理系統(tǒng)。

３ 系統(tǒng)驗(yàn)證

３. １ 環(huán)境配置

下面嘗試將測試系統(tǒng)部署于數(shù)字化車間中，對系統(tǒng)進(jìn)行全功能驗(yàn)證，主要環(huán)境硬件配置如下間配備的基本外部支持

３. ２生產(chǎn)驗(yàn)證

 

無線壓力變送器在定制產(chǎn)品生產(chǎn)的整機(jī)手動測試過程中，需要人工手動操作壓力控制器逐點(diǎn)計(jì)數(shù)，單表測試時長在 １５ 分鐘以上。

 

本項(xiàng)目的生產(chǎn)測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信息錄入、自動測試和結(jié)果記錄的流程自動化。 經(jīng)車間驗(yàn)證，在采用自動測試軟件（圖 １０）后，從儀表連接到測試結(jié)束，總時長為 ５ ～ １０ 分鐘，減時增效達(dá) ３３％ ～６６％，全程wuxu人工干預(yù)，有效避免了人工可能出現(xiàn)的誤操作情況。

 

４ 總結(jié)

構(gòu)建了無線壓力變送器生產(chǎn)測試系統(tǒng)，驗(yàn)證了多視圖模型在軟件開發(fā)上的好特優(yōu)勢，提升了車間生產(chǎn)力，為新產(chǎn)品的快速標(biāo)準(zhǔn)化提供了幫助。