數字自動化儀表的防干擾控制系統(tǒng)設計

瞿 照

（湖南百利工程科技股份有限公司，湖南 岳陽 414000）

0 引 言

對于整個工業(yè)生產來說，合理使用數字自動化儀表控制系統(tǒng)是非常重要的。為了提高工業(yè)生產的經濟效益，需要充分發(fā)揮數字自動化儀表控制系統(tǒng)在不同工業(yè)生產過程中的優(yōu)勢，結合工業(yè)企業(yè)的實際發(fā)展，幫助企業(yè)實現效益的最大化[1]。但是在數字自控設備的抗干擾方面，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，需要對數字自動化儀表的防干擾控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。

1 硬件設計

本文設計的控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

1.1 設計干擾數據采集器

數據采集器是基于哈希函數的干擾數據采集終端控制系統(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、設備接口、存儲模塊以及采集終端模塊構成。數據采集器結構如圖2所示。

設備的接口分別為RS485接口、無線接口、串行通信接口、type-c接口以及光纖接口。每種類型的設備接口的數據傳輸速度都至少可以達到256 Mb/s，端口的波特率為9 600 b/s，并且遵循RS232C標準。存儲模塊是短暫地存儲某一部分的干擾數據，當一段干擾數據全部采集后，硬件區(qū)域的處理器再將數據從存儲模塊中整體調出，此存儲模塊的存儲空間為64G。

采集芯片是一個系統(tǒng)硬件區(qū)域的制動核心，只有芯片的性能達到極限，才可以制動硬件區(qū)域的其他設備，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。為了實現本文的研究目的和系統(tǒng)運行效果，系統(tǒng)硬件區(qū)域的芯片采用ARM9架構的AT9lSAM9260高性能芯片。芯片采用8通道的設計模式，并且預留出兩個通道備用，每個通信通道支持并配備8個測量表，以實現用電狀態(tài)的評估。芯片的內置存儲空間為128G，數據的有效保存時間為3年，AT9lSAM9260芯片的通信方式為RS485，具有限流功能。芯片內安裝了NAND flash轉接板、PIC單片機以及AVR單片機。

1.2 處理器

處理器是干擾數據采集終端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域重要器件之一，處理器的工作是實時監(jiān)控并維護系統(tǒng)內各個器件的正常運轉，本文采用Cortex - M3 系列的STM32F107內核處理器，處理器的熱功耗為65 W，高速緩存為12 MB，保證數據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，可以根據系統(tǒng)的運行狀態(tài)自動觸發(fā)散熱功能，支持硬件系統(tǒng)其他器件的協(xié)作和網絡通用協(xié)議。干擾數據采集終端控制系統(tǒng)的運行網絡不同于其他網絡，所以需要特殊的設計，本文采用ZIGBEE網絡提供服務，網絡對不同的干擾數據存儲庫都具有訪問權限，在一定程度上簡化了采集的工作流程。

2 軟件設計

哈希函數是一種普通的線性函數，根據固定的哈希表計算某兩個變量之間的關系，哈希函數的優(yōu)勢是具有權衡計算，避免系統(tǒng)內硬件區(qū)域和軟件區(qū)域之間運行出現碰撞。哈希表的計算原理是將數據代入哈希函數，實現數據的采集和存儲，對于本文的哈希函數的干擾數據采集終端控制系統(tǒng)來說，用戶的干擾數據為哈希函數的自變量，通過哈希函數計算出需要采集干擾數據的存儲地址，提高干擾數據采集的可靠性。哈希函數中的平衡度的計算公式為：

式中，r表示自變量值域中原像的數量；d表示干擾數據集合的大小。

哈希函數計算系統(tǒng)在完成采集干擾數據任務過程中，硬件區(qū)域和軟件區(qū)域發(fā)生沖突的概率計算公式為：

式中，c(F,N)表示沖突的概率；N表示哈希函數計算的次數；μ表示數據采集沖突平衡系數。

在計算哈希函數的平衡度和任務沖突率的基礎上，本文最后通過映射法則構建哈希函數，哈希函數的表達式為：

式中，K表示哈希表的檢索值；a，b表示常數。

通過以上對哈希函數、系統(tǒng)硬件區(qū)域各個器件功能的分析和設計以及系統(tǒng)工作網絡協(xié)議的設計，本文總結出基于哈希函數的干擾數據采集終端控制系統(tǒng)的工作流程，具體步驟如圖4所示。

干擾數據采集終端控制系統(tǒng)對需要采集的干擾數據向ZIGBEE網絡發(fā)送請求，建立一個合法的數據采集終端ip地址。采集權限獲取成功后，根據干擾數據采集的種類執(zhí)行不同的脈沖信號識別器，調用哈希函數，檢索干擾數據的存儲地址，驅動系統(tǒng)硬件區(qū)域的處理器與數據采集器協(xié)同工作，為采集干擾數據提供依據。在干擾數據采集過程中存在一個信息驗證，用于對照系統(tǒng)采集信息的準確度，如果驗證錯誤，則重新調用哈希函數，完成用戶信息地址的重新檢索，重復驗證步驟，直到驗證通過；干擾數據采集完成后，將信息上傳至系統(tǒng)硬件區(qū)域的存儲器和芯片內，完成干擾數據的存儲和備份；在干擾數據采集終端控制系統(tǒng)運行過程中，一旦系統(tǒng)出現黑屏、斷開連接、短路等運行問題時，系統(tǒng)立即調用處理器快速檢測硬件區(qū)域內的設備斷開前的工作狀態(tài)，同時觸發(fā)脈沖器，恢復系統(tǒng)的運行，向系統(tǒng)管理員發(fā)生預警通知。

3 實 驗

3.1 實驗準備

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

為了確保數據庫的一致性，在測試插入性能過程中，干擾數據輸入被設置為單線程，在模擬系統(tǒng)和本文系統(tǒng)中分別導入5萬、50萬、500萬條電池數據統(tǒng)計效率；在測試查詢性能過程中，模擬系統(tǒng)使用Mysql數據庫，本文系統(tǒng)使用分布式HBase數據庫，在單線程查詢、10個線程查詢和100個線程查詢的基礎上，分別設置對干擾數據的并發(fā)訪問，并統(tǒng)計查詢時間。最終對測試的結果進行分析和統(tǒng)計。

3.2 實驗結果統(tǒng)計與分析

上述實驗的測試結果如表1，表2所示。

表1 干擾數據插入測試結果對比

由表1可知，在干擾數據量相同的情況下，本文系統(tǒng)的插入時間明顯低于模擬系統(tǒng)，在數據量為5萬時，本文的插入時間僅為1.08 s，而模擬系統(tǒng)為10.74 s，且隨著數據量的增加，插入時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)數據庫的索引進行了優(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，本文設計的系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的數據控制系統(tǒng)。

表2 干擾數據訪問對比表

4 結 論

本文在分析了傳統(tǒng)數字自動化儀表的防干擾控制系統(tǒng)存在的一些不足的基礎上，主要從數據處理、計算等方法入手，重新優(yōu)化了硬件和軟件配置，期望設計的系統(tǒng)能夠具有較高的數據處理效率，對比實驗驗證了本文設計的系統(tǒng)可以有效提高數據處理效率。但是在此次實驗中，未對本文系統(tǒng)的數據處理精準度進行深入研究，下一步的研究將進一步完善和優(yōu)化本文系統(tǒng)在數據計算和精度方面的性能，使系統(tǒng)真正適用。