數(shù)字自動(dòng)化儀表的防干擾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

瞿 照

（湖南百利工程科技股份有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000）

0 引 言

對(duì)于整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，合理使用數(shù)字自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)是非常重要的。為了提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，需要充分發(fā)揮數(shù)字自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)在不同工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合工業(yè)企業(yè)的實(shí)際發(fā)展，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)效益的最大化[1]。但是在數(shù)字自控設(shè)備的抗干擾方面，傳統(tǒng)系統(tǒng)由于硬件資源的限制，不能有效防止外界干擾，因此，需要對(duì)數(shù)字自動(dòng)化儀表的防干擾控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 設(shè)計(jì)干擾數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是基于哈希函數(shù)的干擾數(shù)據(jù)采集終端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的重要器件，采用RTU78系列的采集器，主要由儀表、設(shè)備接口、存儲(chǔ)模塊以及采集終端模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

設(shè)備的接口分別為RS485接口、無(wú)線接口、串行通信接口、type-c接口以及光纖接口。每種類型的設(shè)備接口的數(shù)據(jù)傳輸速度都至少可以達(dá)到256 Mb/s，端口的波特率為9 600 b/s，并且遵循RS232C標(biāo)準(zhǔn)。存儲(chǔ)模塊是短暫地存儲(chǔ)某一部分的干擾數(shù)據(jù)，當(dāng)一段干擾數(shù)據(jù)全部采集后，硬件區(qū)域的處理器再將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)模塊中整體調(diào)出，此存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)空間為64G。

采集芯片是一個(gè)系統(tǒng)硬件區(qū)域的制動(dòng)核心，只有芯片的性能達(dá)到極限，才可以制動(dòng)硬件區(qū)域的其他設(shè)備，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)本文的研究目的和系統(tǒng)運(yùn)行效果，系統(tǒng)硬件區(qū)域的芯片采用ARM9架構(gòu)的AT9lSAM9260高性能芯片。芯片采用8通道的設(shè)計(jì)模式，并且預(yù)留出兩個(gè)通道備用，每個(gè)通信通道支持并配備8個(gè)測(cè)量表，以實(shí)現(xiàn)用電狀態(tài)的評(píng)估。芯片的內(nèi)置存儲(chǔ)空間為128G，數(shù)據(jù)的有效保存時(shí)間為3年，AT9lSAM9260芯片的通信方式為RS485，具有限流功能。芯片內(nèi)安裝了NAND flash轉(zhuǎn)接板、PIC單片機(jī)以及AVR單片機(jī)。

1.2 處理器

處理器是干擾數(shù)據(jù)采集終端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域重要器件之一，處理器的工作是實(shí)時(shí)監(jiān)控并維護(hù)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)器件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本文采用Cortex - M3 系列的STM32F107內(nèi)核處理器，處理器的熱功耗為65 W，高速緩存為12 MB，保證數(shù)據(jù)采集的全面性及通訊的可靠性。

處理器電路圖如圖3所示。

主板采用Z490系列的主板，可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)觸發(fā)散熱功能，支持硬件系統(tǒng)其他器件的協(xié)作和網(wǎng)絡(luò)通用協(xié)議。干擾數(shù)據(jù)采集終端控制系統(tǒng)的運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)不同于其他網(wǎng)絡(luò)，所以需要特殊的設(shè)計(jì)，本文采用ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同的干擾數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)都具有訪問(wèn)權(quán)限，在一定程度上簡(jiǎn)化了采集的工作流程。

2 軟件設(shè)計(jì)

哈希函數(shù)是一種普通的線性函數(shù)，根據(jù)固定的哈希表計(jì)算某兩個(gè)變量之間的關(guān)系，哈希函數(shù)的優(yōu)勢(shì)是具有權(quán)衡計(jì)算，避免系統(tǒng)內(nèi)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域之間運(yùn)行出現(xiàn)碰撞。哈希表的計(jì)算原理是將數(shù)據(jù)代入哈希函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，對(duì)于本文的哈希函數(shù)的干擾數(shù)據(jù)采集終端控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，用戶的干擾數(shù)據(jù)為哈希函數(shù)的自變量，通過(guò)哈希函數(shù)計(jì)算出需要采集干擾數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址，提高干擾數(shù)據(jù)采集的可靠性。哈希函數(shù)中的平衡度的計(jì)算公式為：

式中，r表示自變量值域中原像的數(shù)量；d表示干擾數(shù)據(jù)集合的大小。

哈希函數(shù)計(jì)算系統(tǒng)在完成采集干擾數(shù)據(jù)任務(wù)過(guò)程中，硬件區(qū)域和軟件區(qū)域發(fā)生沖突的概率計(jì)算公式為：

式中，c(F,N)表示沖突的概率；N表示哈希函數(shù)計(jì)算的次數(shù)；μ表示數(shù)據(jù)采集沖突平衡系數(shù)。

在計(jì)算哈希函數(shù)的平衡度和任務(wù)沖突率的基礎(chǔ)上，本文最后通過(guò)映射法則構(gòu)建哈希函數(shù)，哈希函數(shù)的表達(dá)式為：

式中，K表示哈希表的檢索值；a，b表示常數(shù)。

通過(guò)以上對(duì)哈希函數(shù)、系統(tǒng)硬件區(qū)域各個(gè)器件功能的分析和設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)工作網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)，本文總結(jié)出基于哈希函數(shù)的干擾數(shù)據(jù)采集終端控制系統(tǒng)的工作流程，具體步驟如圖4所示。

干擾數(shù)據(jù)采集終端控制系統(tǒng)對(duì)需要采集的干擾數(shù)據(jù)向ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請(qǐng)求，建立一個(gè)合法的數(shù)據(jù)采集終端ip地址。采集權(quán)限獲取成功后，根據(jù)干擾數(shù)據(jù)采集的種類執(zhí)行不同的脈沖信號(hào)識(shí)別器，調(diào)用哈希函數(shù)，檢索干擾數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件區(qū)域的處理器與數(shù)據(jù)采集器協(xié)同工作，為采集干擾數(shù)據(jù)提供依據(jù)。在干擾數(shù)據(jù)采集過(guò)程中存在一個(gè)信息驗(yàn)證，用于對(duì)照系統(tǒng)采集信息的準(zhǔn)確度，如果驗(yàn)證錯(cuò)誤，則重新調(diào)用哈希函數(shù)，完成用戶信息地址的重新檢索，重復(fù)驗(yàn)證步驟，直到驗(yàn)證通過(guò)；干擾數(shù)據(jù)采集完成后，將信息上傳至系統(tǒng)硬件區(qū)域的存儲(chǔ)器和芯片內(nèi)，完成干擾數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和備份；在干擾數(shù)據(jù)采集終端控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)黑屏、斷開連接、短路等運(yùn)行問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)立即調(diào)用處理器快速檢測(cè)硬件區(qū)域內(nèi)的設(shè)備斷開前的工作狀態(tài)，同時(shí)觸發(fā)脈沖器，恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行，向系統(tǒng)管理員發(fā)生預(yù)警通知。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有一定的有效性，本節(jié)模擬開發(fā)出一個(gè)傳統(tǒng)類型的控制系統(tǒng)J2EE，利用腳本將二者在相同測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，選擇插入性能和查詢性能以保證測(cè)試的全面性。

為了確保數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性，在測(cè)試插入性能過(guò)程中，干擾數(shù)據(jù)輸入被設(shè)置為單線程，在模擬系統(tǒng)和本文系統(tǒng)中分別導(dǎo)入5萬(wàn)、50萬(wàn)、500萬(wàn)條電池?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)效率；在測(cè)試查詢性能過(guò)程中，模擬系統(tǒng)使用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，本文系統(tǒng)使用分布式HBase數(shù)據(jù)庫(kù)，在單線程查詢、10個(gè)線程查詢和100個(gè)線程查詢的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置對(duì)干擾數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問(wèn)，并統(tǒng)計(jì)查詢時(shí)間。最終對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

上述實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果如表1，表2所示。

表1 干擾數(shù)據(jù)插入測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表1可知，在干擾數(shù)據(jù)量相同的情況下，本文系統(tǒng)的插入時(shí)間明顯低于模擬系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)量為5萬(wàn)時(shí)，本文的插入時(shí)間僅為1.08 s，而模擬系統(tǒng)為10.74 s，且隨著數(shù)據(jù)量的增加，插入時(shí)間和效率差距明顯增大，因此本文系統(tǒng)在插入性能更優(yōu)。由表2可知，雖然傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的索引進(jìn)行了優(yōu)化，但在查詢性能方面仍與本文系統(tǒng)存在一定差距。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。

表2 干擾數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)比表

4 結(jié) 論

本文在分析了傳統(tǒng)數(shù)字自動(dòng)化儀表的防干擾控制系統(tǒng)存在的一些不足的基礎(chǔ)上，主要從數(shù)據(jù)處理、計(jì)算等方法入手，重新優(yōu)化了硬件和軟件配置，期望設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠具有較高的數(shù)據(jù)處理效率，對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以有效提高數(shù)據(jù)處理效率。但是在此次實(shí)驗(yàn)中，未對(duì)本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理精準(zhǔn)度進(jìn)行深入研究，下一步的研究將進(jìn)一步完善和優(yōu)化本文系統(tǒng)在數(shù)據(jù)計(jì)算和精度方面的性能，使系統(tǒng)真正適用。