冶金仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信論文

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一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于冶金測(cè)控儀表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)屬性較多，維修成本較高，本文基于冶金數(shù)據(jù)的特征，提出了一種基于微粒群優(yōu)化的冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)通信仿真系統(tǒng)。冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)通信仿真系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)收集模塊、子站通信模塊以及主站分析模塊。系統(tǒng)主要對(duì)冶金測(cè)控儀表總實(shí)時(shí)運(yùn)行的不同類型正常和非正常的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，統(tǒng)一成固定格式的數(shù)據(jù)集，保存到相應(yīng)的大型數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)收集的內(nèi)容有冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)、自動(dòng)存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)、相關(guān)傳感器優(yōu)化的不同儀表接口數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要通過(guò)二次設(shè)備自動(dòng)化轉(zhuǎn)置的傳感器采集得到。冶金測(cè)控儀表的子站通信模塊，該模塊具有重要的價(jià)值，是底層通信設(shè)備同上層監(jiān)控設(shè)備的紐帶，具有服務(wù)器性能，該模塊基于UDP/TCP報(bào)文通信機(jī)制完成上下層數(shù)據(jù)通信。分析模塊是數(shù)據(jù)通信的核心運(yùn)算模塊，通過(guò)基于微粒群優(yōu)化的數(shù)據(jù)通信同NRF算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)中故障進(jìn)行準(zhǔn)確報(bào)警，通過(guò)優(yōu)化模型獲取冶金測(cè)控儀表現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

二、硬件設(shè)計(jì)

1.測(cè)控儀表硬件結(jié)構(gòu)

由于每個(gè)檢測(cè)儀表特別是處于工控機(jī)的里層檢測(cè)儀表信息儲(chǔ)存量和信息傳輸量較高，并且需要無(wú)線通信功能模塊，因此本文系統(tǒng)中的測(cè)控儀表是以功能強(qiáng)大的新型單片機(jī)C8051F005作為控制核芯片。該芯片的模擬前端采用8通道模擬多路器、可編程的增益放大器、12位A－D變換器等構(gòu)成，控制芯片通過(guò)這些模擬前端實(shí)現(xiàn)桶NRF401無(wú)線收發(fā)器間的數(shù)據(jù)通信，并且通過(guò)P1啟動(dòng)報(bào)警驅(qū)動(dòng)，完成系統(tǒng)的報(bào)警功能，采用P2啟動(dòng)鍵盤(pán)矩陣，完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

2.儀表顯示接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的顯示接口采用AT89C2051芯片，該芯片通過(guò)串口（RXD，TXD）、顯示接口以及RS232c接口實(shí)現(xiàn)同模擬量輸入通道、輸入設(shè)置、輸出控制、報(bào)警指示的數(shù)據(jù)交互，其中輸出控制以及報(bào)警指示電路應(yīng)采用5根I/O線，其余的8根I/O線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、輸入設(shè)置和模擬量采入等性能。通過(guò)模擬串口以及串口復(fù)用技術(shù)完成數(shù)字和光柱顯示的動(dòng)態(tài)掃描，雙64段光柱和8位8段LED數(shù)碼管顯示都使用164輸出接口。

3.通信模塊設(shè)計(jì)

通信控制模塊的底層控制器同上方操作員站通過(guò)40芯的ZIF連接器交換信息，故障數(shù)據(jù)的分析也是采用該種形式傳輸數(shù)據(jù)，并包含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器保存相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，采用天線插口獲取的外部環(huán)境信息可通過(guò)GSM射頻部分傳遞到GSM基帶處理器中的復(fù)合式EMI濾波器消除電磁干擾，再通過(guò)40芯的ZIF連接器同上層控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，電源ASIC為GSM基帶處理器提供電源。GSM基帶處理器中包含兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端以及一個(gè)接地端，濾波電容C1～C4同共模電感L能夠避免出現(xiàn)共模干擾，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)確保故障能夠及時(shí)傳輸?shù)较鄳?yīng)的控制終端中。

三、軟件設(shè)計(jì)

1.檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

基于微粒群優(yōu)化的冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)通信仿真系統(tǒng)基于VisualStudio2005和Matlab進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Matlab具有強(qiáng)大的Simulink動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。用戶可以在Matlab和Simulink兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。軟件通過(guò)分層次的規(guī)劃方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，上層模塊通過(guò)調(diào)用下層模塊中接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。從上到下包括3個(gè)層次：

1）底層數(shù)據(jù)控制模塊，該模塊可同不同硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主要有儀表數(shù)據(jù)收集、FPGA數(shù)據(jù)通信以及模擬電壓數(shù)據(jù)收集等。

2）檢測(cè)功能模塊，對(duì)冶金測(cè)控儀表的響應(yīng)時(shí)間參數(shù)、電流參數(shù)、電壓參數(shù)等一些附加電參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

3）結(jié)果顯示界面，用于向用戶呈現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)通信結(jié)果以及完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提供人機(jī)交互途徑。顯示界面可提供數(shù)據(jù)報(bào)表顯示和打印功能，并且將檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)到Excel表格，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同待測(cè)儀表、不同檢測(cè)條件得到的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.冶金測(cè)控儀表故障的檢測(cè)

本文通過(guò)微粒群優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)全面分析了儀表的損耗、故障次數(shù)以及維修次數(shù)等因素，確保冶金測(cè)控儀表的嚴(yán)重故障能夠被及時(shí)檢測(cè)出，冶金測(cè)控儀表中存在故障時(shí)通過(guò)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，否則通過(guò)評(píng)估模型和故障數(shù)據(jù)智能分析模型中的粒子群優(yōu)化函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的準(zhǔn)確判斷，系統(tǒng)中的自動(dòng)化數(shù)據(jù)裝置采集傳感器環(huán)境優(yōu)化的數(shù)據(jù)，如果存在危險(xiǎn)信息則通過(guò)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，否則通過(guò)故障數(shù)據(jù)智能分析模塊進(jìn)行分析，再通過(guò)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警。

四、實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于某冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)庫(kù)，采集其中的1000個(gè)樣本數(shù)據(jù)，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)對(duì)該實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文系統(tǒng)下的儀表數(shù)據(jù)通信效率高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，并且本文系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)通信效率具有平穩(wěn)性，傳統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信效率隨著樣本數(shù)量的增加出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，說(shuō)明本文系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。在不同干擾環(huán)境下本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信效率優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，并且在干擾或惡劣的冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)通信中，本文系統(tǒng)下的數(shù)及通信效率呈現(xiàn)顯著的優(yōu)越性，說(shuō)明相比傳統(tǒng)系統(tǒng)本文系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能，能夠確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確通信，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著檢測(cè)樣本數(shù)量的增加，傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)下的冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)通信時(shí)間和通信誤差都不斷增加，而通信效率逐漸降低，并且本文系統(tǒng)下的冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)通信指標(biāo)始終優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，說(shuō)明本文系統(tǒng)確保冶金測(cè)控儀表的數(shù)據(jù)通信的高效運(yùn)行，具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于微粒群優(yōu)化的冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)通信仿真系統(tǒng)，塑造了集中式的仿真系統(tǒng)模型，分析了測(cè)控儀表、儀表顯示接口以及數(shù)據(jù)通信模塊的硬件設(shè)計(jì)，基于層次設(shè)計(jì)方法將系統(tǒng)軟件劃分成底層數(shù)據(jù)控制模塊、檢測(cè)功能模塊以及結(jié)果顯示三個(gè)模塊，采用微粒群優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)對(duì)冶金測(cè)控儀表的損耗、故障次數(shù)、維修次數(shù)等數(shù)據(jù)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，及時(shí)檢測(cè)出冶金測(cè)控儀表的嚴(yán)重故障，確保冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)通信的順利運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種系統(tǒng)下的冶金測(cè)控儀表數(shù)據(jù)通信效率以及抗干擾性能都優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

作者：朱珠 單位：貴州理工學(xué)院電氣工程學(xué)院