數字自動化儀表的防干擾控制系統設計

瞿 照

（湖南百利工程科技股份有限公司，湖南 岳陽 414000）

0 引 言

對于整個工業生產來說，合理使用數字自動化儀表控制系統是非常重要的。為了提高工業生產的經濟效益，需要充分發揮數字自動化儀表控制系統在不同工業生產過程中的優勢，結合工業企業的實際發展，幫助企業實現效益的最大化[1]。但是在數字自控設備的抗干擾方面，傳統系統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進行優化設計。

1 硬件設計

本文設計的控制系統結構如圖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硬件區域的重要器件，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硬件區域的制動核心，只有芯片的性能達到極限，才可以制動硬件區域的其他設備，使系統穩定運行。為了實現本文的研究目的和系統運行效果，系統硬件區域的芯片采用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硬件區域重要器件之一，處理器的工作是實時監控并維護系統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，可以根據系統的運行狀態自動觸發散熱功能，支持硬件系統其他器件的協作和網絡通用協議。干擾數據采集終端控制系統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，哈希函數的優勢是具有權衡計算，避免系統內硬件區域和軟件區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。

哈希函數計算系統在完成采集干擾數據任務過程中，硬件區域和軟件區域發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、系統硬件區域各個器件功能的分析和設計以及系統工作網絡協議的設計，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對需要采集的干擾數據向ZIGBEE網絡發送請求，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，驅動系統硬件區域的處理器與數據采集器協同工作，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，將信息上傳至系統硬件區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運行過程中，一旦系統出現黑屏、斷開連接、短路等運行問題時，系統立即調用處理器快速檢測硬件區域內的設備斷開前的工作狀態，同時觸發脈沖器，恢復系統的運行，向系統管理員發生預警通知。

3 實 驗

3.1 實驗準備

為了驗證本文設計的控制系統具有一定的有效性，本節模擬開發出一個傳統類型的控制系統J2EE，利用腳本將二者在相同測試環境下進行對比測試，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，在模擬系統和本文系統中分別導入5萬、50萬、500萬條電池數據統計效率；在測試查詢性能過程中，模擬系統使用Mysql數據庫，本文系統使用分布式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訪問，并統計查詢時間。最終對測試的結果進行分析和統計。

3.2 實驗結果統計與分析

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，本文系統的插入時間明顯低于模擬系統，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，因此本文系統在插入性能更優。由表2可知，雖然傳統系統數據庫的索引進行了優化，但在查詢性能方面仍與本文系統存在一定差距。綜上所述，本文設計的系統性能明顯優于傳統的數據控制系統。

表2 干擾數據訪問對比表

4 結 論

本文在分析了傳統數字自動化儀表的防干擾控制系統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，重新優化了硬件和軟件配置，期望設計的系統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化本文系統在數據計算和精度方面的性能，使系統真正適用。