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冶金仿真系統數據通信論文
一、系統結構
由于冶金測控儀表的數據結構復雜，數據屬性較多，維修成本較高，本文基于冶金數據的特征，提出了一種基于微粒群優(yōu)化的冶金測控儀表數據通信仿真系統。冶金測控儀表數據通信仿真系統包括數據收集模塊、子站通信模塊以及主站分析模塊。系統主要對冶金測控儀表總實(shí)時(shí)運行的不同類(lèi)型正常和非正常的數據進(jìn)行收集，統一成固定格式的數據集，保存到相應的大型數據庫中。數據收集的內容有冶金測控儀表數據、自動(dòng)存儲運行數據、相關(guān)傳感器優(yōu)化的不同儀表接口數據，這些數據主要通過(guò)二次設備自動(dòng)化轉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(jià)值，是底層通信設備同上層監控設備的紐帶，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據通信。分析模塊是數據通信的核心運算模塊，通過(guò)基于微粒群優(yōu)化的數據通信同NRF算法，實(shí)現對海量數據中故障進(jìn)行準確報警，通過(guò)優(yōu)化模型獲取冶金測控儀表現場(chǎng)數據。
二、硬件設計
1.測控儀表硬件結構
由于每個(gè)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(wú)線(xiàn)通信功能模塊，因此本文系統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變換器等構成，控制芯片通過(guò)這些模擬前端實(shí)現桶NRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)器間的數據通信，并且通過(guò)P1啟動(dòng)報警驅動(dòng)，完成系統的報警功能，采用P2啟動(dòng)鍵盤(pán)矩陣，完成相關(guān)參數的設置。
2.儀表顯示接口設計
系統的顯示接口采用AT89C2051芯片，該芯片通過(guò)串口（RXD，TXD）、顯示接口以及RS232c接口實(shí)現同模擬量輸入通道、輸入設置、輸出控制、報警指示的數據交互，其中輸出控制以及報警指示電路應采用5根I/O線(xiàn)，其余的8根I/O線(xiàn)實(shí)現數據的顯示、輸入設置和模擬量采入等性能。通過(guò)模擬串口以及串口復用技術(shù)完成數字和光柱顯示的動(dòng)態(tài)掃描，雙64段光柱和8位8段LED數碼管顯示都使用164輸出接口。
3.通信模塊設計
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，故障數據的分析也是采用該種形式傳輸數據，并包含Flash存儲器保存相關(guān)的數據信息，采用天線(xiàn)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)行數據傳遞，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能夠避免出現共模干擾，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )確保故障能夠及時(shí)傳輸到相應的控制終端中。
三、軟件設計
1.檢測軟件設計
基于微粒群優(yōu)化的冶金測控儀表數據通信仿真系統基于VisualStudio2005和Matlab進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Matlab具有強大的Simulink動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境，可以實(shí)現可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數據交換。用戶(hù)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(guò)分層次的規劃方法進(jìn)行設計，上層模塊通過(guò)調用下層模塊中接口函數實(shí)現相應的功能。從上到下包括3個(gè)層次：
1）底層數據控制模塊，該模塊可同不同硬件進(jìn)行數據通信，主要有儀表數據收集、FPGA數據通信以及模擬電壓數據收集等。
2）檢測功能模塊，對冶金測控儀表的響應時(shí)間參數、電流參數、電壓參數等一些附加電參數進(jìn)行檢測。
3）結果顯示界面，用于向用戶(hù)呈現儀表數據通信結果以及完成相關(guān)參數的設置，實(shí)現人機交互，提供人機交互途徑。顯示界面可提供數據報表顯示和打印功能，并且將檢測數據導到Excel表格，實(shí)現對不同待測儀表、不同檢測條件得到的參數進(jìn)行對比分析。
2.冶金測控儀表故障的檢測
本文通過(guò)微粒群優(yōu)化的目標函數全面分析了儀表的損耗、故障次數以及維修次數等因素，確保冶金測控儀表的嚴重故障能夠被及時(shí)檢測出，冶金測控儀表中存在故障時(shí)通過(guò)報警模塊進(jìn)行報警，否則通過(guò)評估模型和故障數據智能分析模型中的粒子群優(yōu)化函數實(shí)現對系統故障的準確判斷，系統中的自動(dòng)化數據裝置采集傳感器環(huán)境優(yōu)化的數據，如果存在危險信息則通過(guò)報警模塊進(jìn)行報警，否則通過(guò)故障數據智能分析模塊進(jìn)行分析，再通過(guò)報警模塊進(jìn)行報警。
四、實(shí)驗分析
通過(guò)實(shí)驗驗證本文系統的有效性，實(shí)驗數據來(lái)自于某冶金測控儀表數據庫，采集其中的1000個(gè)樣本數據，分別采用傳統系統和本文系統對該實(shí)驗樣本數據進(jìn)行分析。本文系統下的儀表數據通信效率高于傳統系統，并且本文系統下的數據通信效率具有平穩性，傳統系統的數據通信效率隨著(zhù)樣本數量的增加出現明顯的波動(dòng)，說(shuō)明本文系統具有較強的魯棒性。在不同干擾環(huán)境下本文系統的數據通信效率優(yōu)于傳統系統，并且在干擾或惡劣的冶金測控儀表數據通信中，本文系統下的數及通信效率呈現顯著(zhù)的優(yōu)越性，說(shuō)明相比傳統系統本文系統具有較強的抗干擾性能，能夠確保數據的準確通信，具有重要的應用價(jià)值。隨著(zhù)檢測樣本數量的增加，傳統系統和本文系統下的冶金測控儀表數據通信時(shí)間和通信誤差都不斷增加，而通信效率逐漸降低，并且本文系統下的冶金測控儀表數據通信指標始終優(yōu)于傳統系統，說(shuō)明本文系統確保冶金測控儀表的數據通信的高效運行，具有較強的優(yōu)越性。
五、結束語(yǔ)
本文提出了一種基于微粒群優(yōu)化的冶金測控儀表數據通信仿真系統，塑造了集中式的仿真系統模型，分析了測控儀表、儀表顯示接口以及數據通信模塊的硬件設計，基于層次設計方法將系統軟件劃分成底層數據控制模塊、檢測功能模塊以及結果顯示三個(gè)模塊，采用微粒群優(yōu)化的目標函數對冶金測控儀表的損耗、故障次數、維修次數等數據故障進(jìn)行準確的判斷，及時(shí)檢測出冶金測控儀表的嚴重故障，確保冶金測控儀表數據通信的順利運行。實(shí)驗結果表明，該種系統下的冶金測控儀表數據通信效率以及抗干擾性能都優(yōu)于傳統系統，具有較高的應用價(jià)值。
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