卜志東，吳新開，文麗，謝聰

（湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，湖南湘潭 411201）

火車站智能上水栓系統(tǒng)研制

卜志東，吳新開，文麗，謝聰

（湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，湖南湘潭 411201）

針對(duì)現(xiàn)有火車站上水系統(tǒng)自動(dòng)化程度低、管理不便等不足，設(shè)計(jì)了一套火車站智能上水栓系統(tǒng)。上水栓的股道管理機(jī)（上位機(jī)）由西門子S7－300與S7－200構(gòu)成，以STC11F08XE單片機(jī)作為主控芯片，上水栓與股道管理機(jī)之間通過RS－485總線通信。具有反應(yīng)速度快、控制方便、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)管理、成本低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證能很好的完成各項(xiàng)控制指令，滿足了現(xiàn)代火車站智能上水的要求。

火車站；上水栓；股道管理機(jī)；單片機(jī)；RS－485總線；智能上水

0 引 言

隨著我國鐵路覆蓋網(wǎng)絡(luò)的不斷加大以及鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的連續(xù)提速，對(duì)火車站上水系統(tǒng)的性能要求也越來越高。目前火車站使用較多的列車上水系統(tǒng)多半以手動(dòng)控制和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制方法為主，以上兩種方式技術(shù)落后、自動(dòng)化程度不高且對(duì)人力資源的浪費(fèi)較大，不利于車站的管理與監(jiān)控［1］。這種落后的上水系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代智能化管理、高速上水的要求。因此開發(fā)出一套自動(dòng)化程度高、控制靈活、便于管理與監(jiān)控的智能上水栓顯得尤為重要。本文開發(fā)的基于西門子PLC的火車站智能上水栓，控制方便、反應(yīng)速度快、能與上位機(jī)可靠通信、方便管理，大大提高了列車上水的自動(dòng)化水平，能滿足現(xiàn)代化程度不斷提高的列車上水的要求。

1 系統(tǒng)的基本構(gòu)架及硬件組成

根據(jù)火車站要求，上水系統(tǒng)必須能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)各上水栓的狀態(tài)、統(tǒng)計(jì)各股道的上水量、控制各個(gè)上水栓動(dòng)作等功能，是一套比較復(fù)雜自動(dòng)化控制系統(tǒng)。根據(jù)火車站規(guī)模的不同，每個(gè)上水系統(tǒng)可由若干個(gè)股道、一個(gè)監(jiān)控室構(gòu)成，每個(gè)股道又由一臺(tái)股道管理機(jī)、一個(gè)遙控接收板、30個(gè)上水栓、股道左右側(cè)流量計(jì)、壓力表以及若干個(gè)遙控器組成。

1．1 股道管理機(jī)的選型及其特點(diǎn)

每個(gè)股道中股道管理機(jī)是實(shí)現(xiàn)智能控制的核心，其控制指令多、處理的數(shù)據(jù)量大。本設(shè)計(jì)中各從站與股道管理機(jī)之間的通信遵循MODBUS－RTU協(xié)議并通過RS485總線傳輸信號(hào)，考慮到各股道中從站數(shù)較多，為了既滿足通信協(xié)議的要求又保證處理速度，采用西門子EM277模塊將S7－300（型號(hào)為CPU315－2PN／DP）與S7－200（型號(hào)為CPU 226 CN）連接起來構(gòu)成股道管理機(jī)。CPU315－2PN／DP擁有一定規(guī)模的存儲(chǔ)器容量與程序框架，對(duì)二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的處理能力比較強(qiáng)［2］。用S7－300作為DP主站，通過其DP口與EM277連接以交換S7－300和S7－200的數(shù)據(jù)，通過PROFINET口下載程序并通過以太網(wǎng)連接到監(jiān)控電腦，再由監(jiān)控電腦通過組態(tài)王軟件對(duì)上水系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，兩個(gè)端口的最快響應(yīng)速度都可以達(dá)到12 Mbps，S7－300的以上優(yōu)點(diǎn)能滿足對(duì)多從站快速控制的要求，不足之處是S7－300不支持MODBUS－RTU協(xié)議。而S7－200能彌補(bǔ)這一不足且?guī)陕?85接口，當(dāng)某一個(gè)接口出現(xiàn)故障時(shí)另一個(gè)接口可以備用，也可以同時(shí)接兩路485總線，S7－200的缺點(diǎn)是應(yīng)對(duì)總線上較多的從站時(shí)其控制會(huì)有較大的延時(shí)。因此，用S7－200采集各個(gè)從站的數(shù)據(jù)（包括發(fā)送控制命令、掃描各個(gè)從站的狀態(tài)量），并將所采集的數(shù)據(jù)通過EM277模塊交給S7－300進(jìn)行處理，S7－300處理完的數(shù)據(jù)再由S7－200經(jīng)RS485總線完成對(duì)各個(gè)從站的控制。這樣的設(shè)計(jì)方案充分利用了S7－300與S7－200各自的優(yōu)勢(shì)，節(jié)約了整體成本、便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，整個(gè)股道的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 單個(gè)股道硬件結(jié)構(gòu)圖

1．2 上水栓功能及主要芯片選型

上水栓作為從站，其作用是執(zhí)行股道機(jī)發(fā)出的指令（如上水指令、收管指令）、防止收管電機(jī)因堵轉(zhuǎn)而損壞、維持上水栓內(nèi)部溫度在冰點(diǎn)以上、向股道機(jī)返回從站的狀態(tài)信息等。本設(shè)計(jì)中股道管理機(jī)由西門子公司的S7－300與S7－200PLC構(gòu)成，從站采用新一代STC11系列的STC11F08XE芯片作為控制器，而非價(jià)格較貴的西門子遠(yuǎn)程I／O模塊，這樣既滿足了控制要求又節(jié)約了成本。STC11F08XE單片機(jī)是深圳宏晶科技公司研發(fā)的增強(qiáng)型8051內(nèi)核單片機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)的8051內(nèi)核單片機(jī)，它在片內(nèi)資源、性能以及工作速度上都有很大的改進(jìn)。該芯片是STC11系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，集成了以下資源：增強(qiáng)型8051CPU、8KB Flash程序存儲(chǔ)器、1 280 B字節(jié)RAM、32 KB數(shù)據(jù)Flash（EEPROM）、兩個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、全雙工異步串行口（UART）、最多40根I／O口線、MAX810專用復(fù)位電路和硬件看門狗［3］。

上水栓與股道管理機(jī)之間通過一塊485芯片進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，其型號(hào)為ADM2587E，該芯片能將485信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的TTL電平，集成度高，自帶隔離電路，能防止單片機(jī)受到總線的信號(hào)干擾［4］，其外圍電路只需8個(gè)匹配電容2個(gè)匹配電阻即可，ADM2587E芯片與單片機(jī)的連接如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與485芯片連接電路

2 上水栓與股道管理機(jī)的通信設(shè)計(jì)

每個(gè)股道上有30個(gè)上水栓、一個(gè)遙控器接收板、兩個(gè)流量計(jì)、兩個(gè)水壓表，總計(jì)有35個(gè)從站。股道管理機(jī)放置于股道的一端，遙控器接收板放置于15號(hào)上水栓的箱體內(nèi)，股道左右側(cè)的流量計(jì)及壓力表與兩端的上水栓放在一起，每兩個(gè)上水栓之間的直線距離為25 m，所以上水栓與股道機(jī)之間的最遠(yuǎn)通信距離為725m。

考慮到每個(gè)股道的從站數(shù)量多、通訊距離遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)中股道管理機(jī)與上水栓之間采用RS485總線通信，并遵循MODBUS－RTU通信協(xié)議。理論上，RS485總線上面最多能夠接入128個(gè)站點(diǎn)（根據(jù)芯片驅(qū)動(dòng)能力的大小有所不同），其最大傳輸距離可達(dá)1 219m，極限通信速率約為10Mbps［5］。股道管理機(jī)與上水栓之間的RS485通信線使用平衡雙絞線作為傳輸介質(zhì)，這種雙絞線的信號(hào)傳輸距離與通信速率成反比，當(dāng)通信速率為20 Kbps以下時(shí)才能夠?qū)崿F(xiàn)1 219m的最大通信距離，而本設(shè)計(jì)中所使用的通信速率為僅為9 600 bps，完全能夠滿足傳輸距離的要求。

485總線是半雙工通信，每次只能由一個(gè)站點(diǎn)來使用總線，為避免各從站在工作過程中出現(xiàn)總線使用沖突，將股道管理機(jī)作為主站來管理485總線，上水栓及其他設(shè)備作為從站。正常工作時(shí)股道管理機(jī)24小時(shí)不間斷對(duì)各個(gè)從站進(jìn)行掃描以檢測(cè)從站的工作狀態(tài)（如溫度是否異常等），股道管理機(jī)每掃描一個(gè)上水栓就掃描一次遙控器接收板，掃描一個(gè)從站所需時(shí)間約為500ms，被掃描的從站及時(shí)將各自狀態(tài)信息返回給股道機(jī)。當(dāng)股道機(jī)掃描到遙控器接收板的數(shù)據(jù)區(qū)有遙控指令時(shí)，股道機(jī)將立即中斷掃描并將遙控指令以廣播的形式下發(fā)給總線上的每個(gè)從站，地址相匹配的從站將執(zhí)行遙控指令。這種掃描方式的優(yōu)點(diǎn)是任意時(shí)刻按下遙控器，都能確保指令及時(shí)傳給對(duì)應(yīng)的上水栓，保證了指令的執(zhí)行速度。

表1 股道機(jī)對(duì)上水栓的讀指令格式

表2 股道機(jī)對(duì)上水栓的寫指令格式

在MODBUS－RTU協(xié)議下主站對(duì)從站的指令主要分兩種［6］：一種是掃描指令即讀指令，用來查詢上水栓的工作狀態(tài)，上水栓收到與其地址匹配的讀指令后將及時(shí)向股道機(jī)返回當(dāng)前狀態(tài)值；另一種是寫指令，用來控制上水栓執(zhí)行遙控器命令，上水栓收到對(duì)其操作的寫指令后執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作并及時(shí)向股道機(jī)返回動(dòng)作執(zhí)行情況。股道管理機(jī)發(fā)給上水栓兩種指令的數(shù)據(jù)格式分別如表1、表2所示。上水栓響應(yīng)股道機(jī)的讀寫指令后返回?cái)?shù)據(jù)的格式分別如表3、4所示。

表3 讀指令后上水栓返回給股道機(jī)的數(shù)據(jù)格式

表4 寫指令后上水栓返回給股道機(jī)的數(shù)據(jù)格式

3 上水栓軟件流程圖

上水栓在完成程序初始化后，主程序先調(diào)用手動(dòng)命令子程序，這樣處理的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)上位機(jī)由于故障不能對(duì)上水栓進(jìn)行控制時(shí)仍可以通過手動(dòng)按鈕進(jìn)行控制。單片機(jī)通過檢測(cè)手動(dòng)按鈕被按下時(shí)所產(chǎn)生的脈沖跳變來判斷是否有手動(dòng)操作指令，并且設(shè)計(jì)通過軟件延時(shí)的方法對(duì)手動(dòng)按鈕進(jìn)行了消抖處理。上水栓每隔5秒會(huì)通過溫度傳感器讀一次溫度以檢測(cè)上水栓內(nèi)溫度是否在設(shè)定范圍內(nèi)，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)，單片機(jī)將控制加熱片進(jìn)行調(diào)溫。每次接收到485總線上的指令后，單片機(jī)將判斷該指令是否為本從站指令，并進(jìn)行相應(yīng)處理。需要指出的是每當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行動(dòng)作后都會(huì)將指令執(zhí)行情況存儲(chǔ)于特定的數(shù)據(jù)區(qū)，方便股道管理機(jī)查詢從站狀態(tài)，上水栓的程序流程圖如圖3所示。

圖3 上水栓軟件流程圖

4 測(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，每個(gè)股道中分別接入不同數(shù)目的上水栓并與遙控器、股道管理機(jī)在廣西某火車站進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試，測(cè)試結(jié)果如表5所示。每組經(jīng)過200組測(cè)試誤動(dòng)作次數(shù)都為0，控制非?？煽?，平均動(dòng)作時(shí)間控制在2秒內(nèi)，保證了指令執(zhí)行的實(shí)時(shí)性。在測(cè)試過程中指令執(zhí)行有快慢之分主要是因?yàn)椴糠謴恼疚唇尤耄傻拦芾頇C(jī)在掃描空從站時(shí)會(huì)連續(xù)掃描3次，這樣延長了整個(gè)掃描時(shí)間。當(dāng)股道機(jī)在掃描遙控接收板且接收板剛好有遙控指令時(shí)，指令執(zhí)行速度就快。從測(cè)試結(jié)果來看，股道中空站點(diǎn)越多指令執(zhí)行的平均速度越慢，驗(yàn)證了前面的分析。測(cè)試中發(fā)生了丟包現(xiàn)象，有指令未能執(zhí)行，通過串口調(diào)試軟件對(duì)485總線上的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)丟包主要是遙控器無線數(shù)據(jù)未能傳到股道管理機(jī)?？偟膩碚f該控制方案沒有誤動(dòng)作，反應(yīng)速度快，能夠滿足控制要求。本文所設(shè)計(jì)的上水栓控制板與股道管理機(jī)實(shí)物連接圖如圖4所示。

表5 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖4 上水栓控制板與股道管理機(jī)實(shí)物圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套基于西門子S7－300的火車站智能上水栓，該上水栓采用單片機(jī)作為主控芯片，大大節(jié)約了成本，通過一根485總線與股道管理機(jī)通信減少了布線、便于維護(hù)，克服了傳統(tǒng)上水栓控制不便、不利于車站統(tǒng)計(jì)等缺點(diǎn)，它具有通信可靠、反應(yīng)速度快、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。該智能上水栓已在廣西某火車站投入使用，從使用效果來看，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，完全能滿足現(xiàn)代火車站對(duì)上水系統(tǒng)的要求。

［1］黎敏．高速鐵路客車上水系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)．［J］．上海鐵道科技，2012，34（1）：40－42．

［2］李金文，王春艷．基于S7－300的多疊網(wǎng)流漿箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)．［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（3）：144－146．

［3］丁向榮．STC系列增強(qiáng)型8051單片機(jī)．［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2011．35－36．

［4］程鯤，李震．RS－422／485隔離技術(shù)及應(yīng)用討論．［J］山西電子技術(shù)，2012，40（2）：50－51．

［5］邰鳴，李雙田．基于RS485通信方式的多單片機(jī)控制系統(tǒng)．［J］．微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008，28（7）：109－112．

［6］程雪婷，王海峰．解析Modbus－RTU協(xié)議關(guān)鍵內(nèi)容及其在智能電器中的應(yīng)用．［J］．低壓電器，2010，52（1）：23－25，62．

Development of an IntelligentWater Hydrant System for Railway Stations

BU Zhi-dong，WU Xin-kai，WEN Li，XIE Cong
（College of Information＆Electrical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

In view of low degree automation and inconvenientmanagementof existing railway station water hydrant system，this paper designs an intelligentwater hydrant system at railway stations．The track supervisor of the hydrant（upper computer）is composed of Siemens S7－300 and S7－200．STC11F08XEmicrocontroller is used asmaster chip and the water supply hydrant communicateswith the track supervisor through RS－485 bus．The system has such advantages as quick response，convenient control，reliable operation，easy maintenance and low cost．It has been verified through the test that this system can implement all control commands very well and meet the requirements ofmodern intelligentwater supply at railway stations．

train station；water supply hydrant；track supervisor；upper computer；microcontroller；RS－485 bus；intelligentwater supply

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．032

TP272／278

A

1000－3886（2014）04－0093－03

卜志東（1989－），男，湖南益陽人，研究生，研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。 吳新開（1956－），男，湖南婁底人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)，綠色能源和無損檢測(cè)技術(shù)。

定稿日期：2013－10－23