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

周 巍，陳 帥，侯 丹

（中海廣東天然氣有限責(zé)任公司，珠海 519000）

0 引言

“大數(shù)據(jù)”也叫“巨量資料”，是指存儲(chǔ)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(tái)環(huán)境，可在單一調(diào)度元件的作用下，將信息參量由一個(gè)存儲(chǔ)終端傳輸至另一個(gè)存儲(chǔ)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(duì)于存儲(chǔ)空間的要求較為苛刻，在脫機(jī)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(duì)自由的傳輸形式[1]。儀表設(shè)備能夠反映自動(dòng)化機(jī)械所處的行為狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，儀表轉(zhuǎn)速越快，則表示自動(dòng)化機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)行為越頻繁。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(shí)際轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)超過(guò)其理想轉(zhuǎn)速值，則表示自動(dòng)化機(jī)械的當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)行為過(guò)于頻繁，容易增大機(jī)械元件的損壞幾率。基于上述研究背景，設(shè)計(jì)面向大數(shù)據(jù)環(huán)境的自動(dòng)化機(jī)械儀表控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 RAM主控電路

RAM主控電路能夠決定自動(dòng)化機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)儀表轉(zhuǎn)速水平的實(shí)時(shí)控制。SDRAM芯片作為RAM主控電路的核心搭建結(jié)構(gòu)，可同時(shí)與多個(gè)R電阻保持對(duì)應(yīng)連接關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(duì)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?yàn)榇髷?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(shí)負(fù)載一個(gè)阻電容和多個(gè)電阻元件的連接請(qǐng)求，可在SDRAM芯片的支持下，對(duì)自動(dòng)化機(jī)械的行為狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，并可將控制感應(yīng)信號(hào)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(jī)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(dòng)化機(jī)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(hào)采集模塊

儀表信號(hào)采集模塊是用來(lái)測(cè)量自動(dòng)化機(jī)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(dāng)自動(dòng)化機(jī)械出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)行為時(shí)，RAM主控電路中的電量信號(hào)可直接反饋至儀表信號(hào)采集模塊中，且這種感應(yīng)電量傳輸行為能夠帶動(dòng)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(jī)檢測(cè)的脈沖轉(zhuǎn)速信號(hào)。

一個(gè)完整的儀表信號(hào)采集模塊必須包含至少一個(gè)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(dāng)自動(dòng)化機(jī)械儀表開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電量信號(hào)會(huì)自主進(jìn)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(hào)也會(huì)逐漸增加[3]。此時(shí)，光電碼盤的運(yùn)行能力得到激發(fā)，電量信號(hào)會(huì)在中心軸結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)來(lái)回波動(dòng)的傳輸形式，在此過(guò)程中，任何電量信號(hào)都不會(huì)向外擴(kuò)散。

此外，儀表信號(hào)采集模塊還具備一定的電量整合能力，可對(duì)已記錄的自動(dòng)化機(jī)械儀表轉(zhuǎn)速信息進(jìn)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(jī)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(jì)（基于現(xiàn)場(chǎng)）

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(shí)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(dòng)化機(jī)械儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 CAN大數(shù)據(jù)通信協(xié)議

在自動(dòng)化機(jī)械儀表控制系統(tǒng)中，CAN大數(shù)據(jù)通信協(xié)議同時(shí)作用于RAM主控電路與儀表信號(hào)采集模塊，可更改電量信號(hào)在大數(shù)據(jù)環(huán)境中的傳輸形式，并可在主動(dòng)控制終端、被動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)主機(jī)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(dòng)化機(jī)械儀表一個(gè)行為周期的時(shí)間表現(xiàn)長(zhǎng)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(hào)的輸出量最大值，表示與儀表信號(hào)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(dòng)化機(jī)械儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(rèn)為主機(jī)元件所具備的指令編碼能力越強(qiáng)，儀表信號(hào)采集模塊對(duì)于自動(dòng)化機(jī)械儀表設(shè)備轉(zhuǎn)速水平的控制能力也就越強(qiáng)[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(xiàng)物理指標(biāo)的直接影響。在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，為適應(yīng)主機(jī)元件對(duì)于自動(dòng)化機(jī)械儀表的實(shí)際控制需求，常需要n個(gè)源碼信息的共同配合。規(guī)定g1、g2、...、gn表示n個(gè)不同的大數(shù)據(jù)碼源信息，g1'、g2'、...、gn'分別表示與n個(gè)碼源信息對(duì)應(yīng)的編譯信息，在自動(dòng)化機(jī)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(jī)中自動(dòng)化機(jī)械儀表轉(zhuǎn)速信息的編碼條件，ΔH表示單位時(shí)間內(nèi)的信息編碼量，δ表示一個(gè)隨機(jī)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(dòng)化機(jī)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(hào)采集模塊作為信號(hào)輸入端，在確保自動(dòng)化機(jī)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(jī)能夠準(zhǔn)確識(shí)別自動(dòng)化機(jī)械儀表設(shè)備的當(dāng)前轉(zhuǎn)速數(shù)值，另一方面也可以完成對(duì)待控信號(hào)指標(biāo)的按需采集[5]。設(shè)σ表示控制指令在大數(shù)據(jù)主機(jī)中的傳輸?shù)螖?shù)，ζ表示自動(dòng)化機(jī)械儀表轉(zhuǎn)速的選值條件，rmax表示單位時(shí)間內(nèi)自動(dòng)化機(jī)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(dòng)化機(jī)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(jī)所制定的自動(dòng)化機(jī)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(shí)例分析

選取如圖3所示自動(dòng)化機(jī)械儀表設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別將其與實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組主機(jī)元件相連，其中實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載面向大數(shù)據(jù)環(huán)境的控制系統(tǒng)，對(duì)照組主機(jī)搭載局域網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)。

圖3 自動(dòng)化機(jī)械儀表設(shè)備

自動(dòng)化機(jī)械儀表的實(shí)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(jī)元件對(duì)于儀表設(shè)備的控制能力，一般來(lái)說(shuō)，實(shí)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(jī)元件對(duì)于儀表設(shè)備的控制能力越強(qiáng)，反之則越弱。

圖4反映了自動(dòng)化機(jī)械儀表在理想情況下的轉(zhuǎn)速水平。

圖4 自動(dòng)化機(jī)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(dòng)化機(jī)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(dòng)化機(jī)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(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組自動(dòng)化機(jī)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(shí)驗(yàn)組自動(dòng)化機(jī)械儀表轉(zhuǎn)速在第6個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)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(duì)照組自動(dòng)化機(jī)械儀表轉(zhuǎn)速在1個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)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(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組均值水平。

表1 自動(dòng)化機(jī)械儀表的實(shí)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(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組自動(dòng)化機(jī)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(shí)驗(yàn)組自動(dòng)化機(jī)械儀表轉(zhuǎn)速在第8個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)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(duì)照組自動(dòng)化機(jī)械儀表轉(zhuǎn)速在5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)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(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組均值水平。

表2 自動(dòng)化機(jī)械儀表的實(shí)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(dòng)化機(jī)械儀表的轉(zhuǎn)速水平得到了有效控制，其真實(shí)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速之間的物理數(shù)值差確實(shí)出現(xiàn)了明顯縮小的變化趨勢(shì)，這就表示搭載該類型應(yīng)用系統(tǒng)的主機(jī)元件對(duì)于儀表設(shè)備的控制能力較強(qiáng)，更符合實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)語(yǔ)

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，新型自動(dòng)化機(jī)械儀表控制系統(tǒng)利用RAM主控電路，對(duì)儀表元件的轉(zhuǎn)速指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確選取，又利用CAN通信協(xié)議，實(shí)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(duì)于自動(dòng)化機(jī)械儀表轉(zhuǎn)速水平的控制能力更強(qiáng)，更有助于縮小實(shí)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(jià)值。