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冶金仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信論文
一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由于冶金測控儀表的數(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)化的冶金測控儀表數(shù)據(jù)通信仿真系統(tǒng)。冶金測控儀表數(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)主要對冶金測控儀表總實時運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)庫中。數(shù)據(jù)收集的內(nèi)容有冶金測控儀表數(shù)據(jù)、自動存儲運行數(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)主要通過二次設(shè)備自動化轉(zhuǎn)置的傳感器采集得到。冶金測控儀表的子站通信模塊，該模塊具有重要的價值，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報文通信機制完成上下層數(shù)據(jù)通信。分析模塊是數(shù)據(jù)通信的核心運算模塊，通過基于微粒群優(yōu)化的數(shù)據(jù)通信同NRF算法，實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)中故障進(jìn)行準(zhǔn)確報警，通過優(yōu)化模型獲取冶金測控儀表現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
二、硬件設(shè)計
1.測控儀表硬件結(jié)構(gòu)
由于每個檢測儀表特別是處于工控機的里層檢測儀表信息儲存量和信息傳輸量較高，并且需要無線通信功能模塊，因此本文系統(tǒng)中的測控儀表是以功能強大的新型單片機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，控制芯片通過這些模擬前端實現(xiàn)桶NRF401無線收發(fā)器間的數(shù)據(jù)通信，并且通過P1啟動報警驅(qū)動，完成系統(tǒng)的報警功能，采用P2啟動鍵盤矩陣，完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。
2.儀表顯示接口設(shè)計
系統(tǒng)的顯示接口采用AT89C2051芯片，該芯片通過串口（RXD，TXD）、顯示接口以及RS232c接口實現(xiàn)同模擬量輸入通道、輸入設(shè)置、輸出控制、報警指示的數(shù)據(jù)交互，其中輸出控制以及報警指示電路應(yīng)采用5根I/O線，其余的8根I/O線實現(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
通信控制模塊的底層控制器同上方操作員站通過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輸入端、兩個輸出端以及一個接地端，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GSM網(wǎng)絡(luò)確保故障能夠及時傳輸?shù)较鄳?yīng)的控制終端中。
三、軟件設(shè)計
1.檢測軟件設(shè)計
基于微粒群優(yōu)化的冶金測控儀表數(shù)據(jù)通信仿真系統(tǒng)基于VisualStudio2005和Matlab進(jìn)行開發(fā)。Matlab具有強大的Simulink動態(tài)仿真環(huán)境，可以實現(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)境下對自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。軟件通過分層次的規(guī)劃方法進(jìn)行設(shè)計，上層模塊通過調(diào)用下層模塊中接口函數(shù)實現(xiàn)相應(yīng)的功能。從上到下包括3個層次：
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）檢測功能模塊，對冶金測控儀表的響應(yīng)時間參數(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。
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，實現(xiàn)人機交互，提供人機交互途徑。顯示界面可提供數(shù)據(jù)報表顯示和打印功能，并且將檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)到Excel表格，實現(xiàn)對不同待測儀表、不同檢測條件得到的參數(shù)進(jìn)行對比分析。
2.冶金測控儀表故障的檢測
本文通過微粒群優(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，確保冶金測控儀表的嚴(yán)重故障能夠被及時檢測出，冶金測控儀表中存在故障時通過報警模塊進(jìn)行報警，否則通過評估模型和故障數(shù)據(jù)智能分析模型中的粒子群優(yōu)化函數(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)故障的準(zhǔn)確判斷，系統(tǒng)中的自動化數(shù)據(jù)裝置采集傳感器環(huán)境優(yōu)化的數(shù)據(jù)，如果存在危險信息則通過報警模塊進(jìn)行報警，否則通過故障數(shù)據(jù)智能分析模塊進(jìn)行分析，再通過報警模塊進(jìn)行報警。
四、實驗分析
通過實驗驗證本文系統(tǒng)的有效性，實驗數(shù)據(jù)來自于某冶金測控儀表數(shù)據(jù)庫，采集其中的1000個樣本數(shù)據(jù)，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)對該實驗樣本數(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，說明本文系統(tǒng)具有較強的魯棒性。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，說明相比傳統(tǒng)系統(tǒng)本文系統(tǒng)具有較強的抗干擾性能，能夠確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確通信，具有重要的應(yīng)用價值。隨著檢測樣本數(shù)量的增加，傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)下的冶金測控儀表數(shù)據(jù)通信時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)下的冶金測控儀表數(shù)據(jù)通信指標(biāo)始終優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)確保冶金測控儀表的數(shù)據(jù)通信的高效運行，具有較強的優(yōu)越性。
五、結(jié)束語
本文提出了一種基于微粒群優(yōu)化的冶金測控儀表數(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，基于層次設(shè)計方法將系統(tǒng)軟件劃分成底層數(shù)據(jù)控制模塊、檢測功能模塊以及結(jié)果顯示三個模塊，采用微粒群優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)對冶金測控儀表的損耗、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，及時檢測出冶金測控儀表的嚴(yán)重故障，確保冶金測控儀表數(shù)據(jù)通信的順利運行。實驗結(jié)果表明，該種系統(tǒng)下的冶金測控儀表數(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)用價值。
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