面向大數(shù)據(jù)環(huán)境的自動化機械儀表控制系統(tǒng)設(shè)計

周 巍，陳 帥，侯 丹

（中海廣東天然氣有限責任公司，珠海 519000）

0 引言

“大數(shù)據(jù)”也叫“巨量資料”，是指存儲于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的、規(guī)模巨大的、具有自主傳輸能力的信息流數(shù)據(jù)參量。常見的大數(shù)據(jù)由非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、結(jié)構(gòu)化三種形式共同組成。其中，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍最為廣泛，能夠適應(yīng)多種不同的互聯(lián)網(wǎng)平臺環(huán)境，可在單一調(diào)度元件的作用下，將信息參量由一個存儲終端傳輸至另一個存儲終端；而半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)總是與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)伴隨出現(xiàn)，二者對于存儲空間的要求較為苛刻，在脫機狀態(tài)或只有單一調(diào)度元件連接的情況下，信息參量均不能呈現(xiàn)出絕對自由的傳輸形式[1]。儀表設(shè)備能夠反映自動化機械所處的行為狀態(tài)，一般來說，儀表轉(zhuǎn)速越快，則表示自動化機械的運轉(zhuǎn)行為越頻繁。但在實際應(yīng)用過程中，儀表轉(zhuǎn)速水平也并非越快越好。在特定情況下，若儀表設(shè)備的實際轉(zhuǎn)速遠超過其理想轉(zhuǎn)速值，則表示自動化機械的當前運轉(zhuǎn)行為過于頻繁，容易增大機械元件的損壞幾率。基于上述研究背景，設(shè)計面向大數(shù)據(jù)環(huán)境的自動化機械儀表控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 RAM主控電路

RAM主控電路能夠決定自動化機械儀表控制系統(tǒng)的功能和性能，在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，可同時連接電量輸入端與輸出端，并可以借助SDRAM芯片與FLASH設(shè)備，實現(xiàn)對儀表轉(zhuǎn)速水平的實時控制。SDRAM芯片作為RAM主控電路的核心搭建結(jié)構(gòu)，可同時與多個R電阻保持對應(yīng)連接關(guān)系。在實際應(yīng)用過程中，SDRAM芯片下端直接與電量輸入端相連，由于已輸入感應(yīng)電量的電壓水平相對較高，所以芯片結(jié)構(gòu)自身必須具備一定的壓量轉(zhuǎn)移能力，一方面可將多余傳輸電壓分流至其他系統(tǒng)應(yīng)用元件之中，另一方面也能夠為大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供足量的供應(yīng)電壓[2]。FLASH設(shè)備同時負載一個阻電容和多個電阻元件的連接請求，可在SDRAM芯片的支持下，對自動化機械的行為狀態(tài)進行精準控制，并可將控制感應(yīng)信號以傳輸電壓或傳輸電流的形式，反饋至既定大數(shù)據(jù)應(yīng)用主機之中。具體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 RAM主控電路示意圖

在上述RAM主控電路中，接地線端必須保持完全閉合的連接狀態(tài)，該接口作為主控電路與自動化機械儀表之間的唯一連接通路，可在二者之間建立穩(wěn)定的電量傳輸關(guān)系，這也是儀表轉(zhuǎn)速水平能夠得到較好維持的主要原因。

1.2 儀表信號采集模塊

儀表信號采集模塊是用來測量自動化機械儀表轉(zhuǎn)速水平的物理裝置，在控制系統(tǒng)中，該元件一般安裝在RAM主控電路外部。當自動化機械出現(xiàn)運動行為時，RAM主控電路中的電量信號可直接反饋至儀表信號采集模塊中，且這種感應(yīng)電量傳輸行為能夠帶動儀表轉(zhuǎn)軸的自由旋轉(zhuǎn)，從而輸出大量可供大數(shù)據(jù)主機檢測的脈沖轉(zhuǎn)速信號。

一個完整的儀表信號采集模塊必須包含至少一個中心有軸的光電碼盤結(jié)構(gòu)，且碼盤外緣需刻有環(huán)形的流通線路。當自動化機械儀表開始轉(zhuǎn)動時，電量信號會自主進入環(huán)形流通線路中，隨著轉(zhuǎn)速值的不斷增大，線路內(nèi)流通的電量信號也會逐漸增加[3]。此時，光電碼盤的運行能力得到激發(fā)，電量信號會在中心軸結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)來回波動的傳輸形式，在此過程中，任何電量信號都不會向外擴散。

此外，儀表信號采集模塊還具備一定的電量整合能力，可對已記錄的自動化機械儀表轉(zhuǎn)速信息進行編碼處理，并可將完成編碼的數(shù)據(jù)參量反饋至大數(shù)據(jù)主機之中，以供其制定后續(xù)的控制與執(zhí)行指令。

2 面向大數(shù)據(jù)環(huán)境的軟件程序設(shè)計（基于現(xiàn)場）

在相關(guān)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的支持下，按照CAN通信協(xié)議連接、控制指令編碼、控制參數(shù)設(shè)定的處理流程，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，完成面向大數(shù)據(jù)環(huán)境的自動化機械儀表控制系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 CAN大數(shù)據(jù)通信協(xié)議

在自動化機械儀表控制系統(tǒng)中，CAN大數(shù)據(jù)通信協(xié)議同時作用于RAM主控電路與儀表信號采集模塊，可更改電量信號在大數(shù)據(jù)環(huán)境中的傳輸形式，并可在主動控制終端、被動控制終端之間形成完整的信息連接映射關(guān)系，一方面能夠縮小儀表設(shè)備所面臨的旋轉(zhuǎn)壓力，另一方面也可以實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)主機連通形式的按需規(guī)劃。圖2所示是CAN通信協(xié)議的完整執(zhí)行流程圖。

圖2 CAN通信協(xié)議執(zhí)行流程圖

規(guī)定ΔT表示自動化機械儀表一個行為周期的時間表現(xiàn)長度，其取值結(jié)果通常屬于（0，5）的物理區(qū)間。dmax表示RAM主控電路中儀表管控信號的輸出量最大值，表示與儀表信號采集模塊匹配的控制電流傳輸均值。在上述物理量的支持下，可將CAN通信協(xié)議連接作用能力表示為：

2.2 控制指令編碼

控制指令編碼是自動化機械儀表控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵執(zhí)行環(huán)節(jié)，若以大數(shù)據(jù)環(huán)境作為唯一的應(yīng)用背景，則可認為主機元件所具備的指令編碼能力越強，儀表信號采集模塊對于自動化機械儀表設(shè)備轉(zhuǎn)速水平的控制能力也就越強[4]。在不考慮其他干擾條件的情況下，控制指令編碼結(jié)果只受到源碼信息、譯碼原則、譯碼信息三項物理指標的直接影響。在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，為適應(yīng)主機元件對于自動化機械儀表的實際控制需求，常需要n個源碼信息的共同配合。規(guī)定g1、g2、...、gn表示n個不同的大數(shù)據(jù)碼源信息，g1'、g2'、...、gn'分別表示與n個碼源信息對應(yīng)的編譯信息，在自動化機械儀表轉(zhuǎn)速恒為的情況下，聯(lián)立式(1)，可將基于大數(shù)據(jù)環(huán)境的控制信息譯碼原則定義為：

設(shè)β表示大數(shù)據(jù)主機中自動化機械儀表轉(zhuǎn)速信息的編碼條件，ΔH表示單位時間內(nèi)的信息編碼量，δ表示一個隨機選取的源碼定義系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(2)，可將自動化機械儀表的控制指令編碼結(jié)果表示為：

2.3 控制參數(shù)設(shè)定

控制參數(shù)設(shè)定必須完全遵循已知的指令編碼原則，在CAN大數(shù)據(jù)通信協(xié)議的作用下，將RAM主控電路作為控制指令輸出端、將儀表信號采集模塊作為信號輸入端，在確保自動化機械儀表轉(zhuǎn)速水平始終保持穩(wěn)定的情況下，建立一種映射型信息互通關(guān)系，一方面使得控制主機能夠準確識別自動化機械儀表設(shè)備的當前轉(zhuǎn)速數(shù)值，另一方面也可以完成對待控信號指標的按需采集[5]。設(shè)σ表示控制指令在大數(shù)據(jù)主機中的傳輸?shù)螖?shù)，ζ表示自動化機械儀表轉(zhuǎn)速的選值條件，rmax表示單位時間內(nèi)自動化機械儀表轉(zhuǎn)速的最大表現(xiàn)數(shù)值，rmin表示最小表現(xiàn)數(shù)值，f表示自動化機械儀表設(shè)備的旋轉(zhuǎn)度量值。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(3)，可將面向大數(shù)據(jù)環(huán)境的控制參數(shù)設(shè)定結(jié)果表示為：

在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，系統(tǒng)主機所制定的自動化機械儀表控制指令必須以所設(shè)定控制參數(shù)作為關(guān)鍵參考條件。

3 實例分析

選取如圖3所示自動化機械儀表設(shè)備作為實驗對象，分別將其與實驗組、對照組主機元件相連，其中實驗組主機搭載面向大數(shù)據(jù)環(huán)境的控制系統(tǒng)，對照組主機搭載局域網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)。

圖3 自動化機械儀表設(shè)備

自動化機械儀表的實際轉(zhuǎn)速與其理想轉(zhuǎn)速之間的物理數(shù)值差，能夠反映主機元件對于儀表設(shè)備的控制能力，一般來說，實際轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速之間的物理數(shù)值差越小，則表示主機元件對于儀表設(shè)備的控制能力越強，反之則越弱。

圖4反映了自動化機械儀表在理想情況下的轉(zhuǎn)速水平。

圖4 自動化機械儀表理想轉(zhuǎn)速

分析圖4可知，在考慮外界干擾條件的情況下，自動化機械儀表的理想轉(zhuǎn)速值分別為15.0rad/ms、14.0rad/ms、14.0rad/ms、14.7rad/ms、14.0rad/ms、15.1rad/ms、14.0rad/ms、14.0rad/ms，其平均轉(zhuǎn)速值為14.4 rad/ms。在不考慮外界干擾條件的情況下，自動化機械儀表的理想轉(zhuǎn)速值分別為16.7rad/ms、17.0rad/ms、17.0 rad/ms、17.0rad/ms、16.4rad/ms、17.0rad/ms、16.9 rad/ms、17.0rad/ms，其平均轉(zhuǎn)速值為16.9rad/m。

下表記錄了在考慮外界干擾條件下，實驗組、對照組自動化機械儀表轉(zhuǎn)速的數(shù)值情況。

分析表1可知，在考慮外界干擾條件的情況下，實驗組自動化機械儀表轉(zhuǎn)速在第6個時間節(jié)點處取得最大值14.9 rad/ms，與理想最大轉(zhuǎn)速值15.1rad/ms相比，下降了0.2 rad/ms，整個實驗過程中，實驗組轉(zhuǎn)速均值為14.3rad/ms，與理想轉(zhuǎn)速均值14.4rad/ms相比，下降了0.1rad/ms；對照組自動化機械儀表轉(zhuǎn)速在1個時間節(jié)點處取得最大值16.3rad/ms，與理想最大轉(zhuǎn)速值15.1rad/ms相比，上升了1.2rad/ms，整個實驗過程中，對照組轉(zhuǎn)速均值為15.5rad/ms，與理想轉(zhuǎn)速均值14.4rad/ms相比，上升了1.1rad/ms，更遠高于實驗組均值水平。

表1 自動化機械儀表的實際轉(zhuǎn)速（考慮外界干擾）

下表記錄了在不考慮外界干擾條件下，實驗組、對照組自動化機械儀表轉(zhuǎn)速的數(shù)值情況。

分析表2可知，在不考慮外界干擾條件的情況下，實驗組自動化機械儀表轉(zhuǎn)速在第8個時間節(jié)點處取得最大值16.9rad/ms，與理想最大轉(zhuǎn)速值17.0rad/ms相比，下降了0.1rad/ms，整個實驗過程中，實驗組轉(zhuǎn)速均值為16.7 rad/ms，與理想轉(zhuǎn)速均值16.9rad/m相比，下降了0.2 rad/ms；對照組自動化機械儀表轉(zhuǎn)速在5個時間節(jié)點處取得最大值18.6rad/ms，與理想最大轉(zhuǎn)速值17.0rad/ms相比，上升了1.6rad/ms，整個實驗過程中，對照組轉(zhuǎn)速均值為18.3rad/ms，與理想轉(zhuǎn)速均值16.9rad/m相比，上升了1.4rad/ms，更遠高于實驗組均值水平。

表2 自動化機械儀表的實際轉(zhuǎn)速（不考慮外界干擾）

綜上可知，在面向大數(shù)據(jù)環(huán)境的控制系統(tǒng)的作用下，自動化機械儀表的轉(zhuǎn)速水平得到了有效控制，其真實轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速之間的物理數(shù)值差確實出現(xiàn)了明顯縮小的變化趨勢，這就表示搭載該類型應(yīng)用系統(tǒng)的主機元件對于儀表設(shè)備的控制能力較強，更符合實際應(yīng)用需求。

4 結(jié)語

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，新型自動化機械儀表控制系統(tǒng)利用RAM主控電路，對儀表元件的轉(zhuǎn)速指標進行準確選取，又利用CAN通信協(xié)議，實施控制指令編碼處理，從而獲得最終的控制參數(shù)設(shè)定結(jié)果。與局域網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)相比，這種新型應(yīng)用系統(tǒng)對于自動化機械儀表轉(zhuǎn)速水平的控制能力更強，更有助于縮小實際轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速之間的物理數(shù)值差，能夠較好體現(xiàn)系統(tǒng)自身的應(yīng)用價值。