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）

針對現(xiàn)有火車站上水系統(tǒng)自動化程度低、管理不便等不足，設(shè)計了一套火車站智能上水栓系統(tǒng)。上水栓的股道管理機（上位機）由西門子S7－300與S7－200構(gòu)成，以STC11F08XE單片機作為主控芯片，上水栓與股道管理機之間通過RS－485總線通信。具有反應(yīng)速度快、控制方便、運行可靠、便于維護(hù)管理、成本低等優(yōu)點。經(jīng)測試驗證能很好的完成各項控制指令，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；單片機；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輸系統(tǒng)的連續(xù)提速，對火車站上水系統(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)多半以手動控制和點對點的控制方法為主，以上兩種方式技術(shù)落后、自動化程度不高且對人力資源的浪費較大，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、能與上位機可靠通信、方便管理，大大提高了列車上水的自動化水平，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)必須能實現(xiàn)監(jiān)測各上水栓的狀態(tài)、統(tǒng)計各股道的上水量、控制各個上水栓動作等功能，是一套比較復(fù)雜自動化控制系統(tǒng)。根據(jù)火車站規(guī)模的不同，每個上水系統(tǒng)可由若干個股道、一個監(jiān)控室構(gòu)成，每個股道又由一臺股道管理機、一個遙控接收板、30個上水栓、股道左右側(cè)流量計、壓力表以及若干個遙控器組成。

1．1 股道管理機的選型及其特點

每個股道中股道管理機是實現(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)計中各從站與股道管理機之間的通信遵循MODBUS－RTU協(xié)議并通過RS485總線傳輸信號，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（型號為CPU315－2PN／DP）與S7－200（型號為CPU 226 CN）連接起來構(gòu)成股道管理機。CPU315－2PN／DP擁有一定規(guī)模的存儲器容量與程序框架，對二進(jìn)制數(shù)運算和浮點數(shù)運算的處理能力比較強［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)王軟件對上水系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，兩個端口的最快響應(yīng)速度都可以達(dá)到12 Mbps，S7－300的以上優(yōu)點能滿足對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能彌補這一不足且?guī)陕?85接口，當(dāng)某一個接口出現(xiàn)故障時另一個接口可以備用，也可以同時接兩路485總線，S7－200的缺點是應(yīng)對總線上較多的從站時其控制會有較大的延時。因此，用S7－200采集各個從站的數(shù)據(jù)（包括發(fā)送控制命令、掃描各個從站的狀態(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總線完成對各個從站的控制。這樣的設(shè)計方案充分利用了S7－300與S7－200各自的優(yōu)勢，節(jié)約了整體成本、便于現(xiàn)場維護(hù)，整個股道的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 單個股道硬件結(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)行股道機發(fā)出的指令（如上水指令、收管指令）、防止收管電機因堵轉(zhuǎn)而損壞、維持上水栓內(nèi)部溫度在冰點以上、向股道機返回從站的狀態(tài)信息等。本設(shè)計中股道管理機由西門子公司的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單片機是深圳宏晶科技公司研發(fā)的增強型8051內(nèi)核單片機，相對于傳統(tǒng)的8051內(nèi)核單片機，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系列單片機的典型產(chǎn)品，集成了以下資源：增強型8051CPU、8KB Flash程序存儲器、1 280 B字節(jié)RAM、32 KB數(shù)據(jù)Flash（EEPROM）、兩個16位定時器／計數(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之間通過一塊485芯片進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，其型號為ADM2587E，該芯片能將485信號轉(zhuǎn)換成單片機能識別的TTL電平，集成度高，自帶隔離電路，能防止單片機受到總線的信號干擾［4］，其外圍電路只需8個匹配電容2個匹配電阻即可，ADM2587E芯片與單片機的連接如圖2所示。

圖2 單片機與485芯片連接電路

2 上水栓與股道管理機的通信設(shè)計

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

考慮到每個股道的從站數(shù)量多、通訊距離遠(yuǎn)，設(shè)計中股道管理機與上水栓之間采用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個站點（根據(jù)芯片驅(qū)動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)，這種雙絞線的信號傳輸距離與通信速率成反比，當(dāng)通信速率為20 Kbps以下時才能夠?qū)崿F(xiàn)1 219m的最大通信距離，而本設(shè)計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，每次只能由一個站點來使用總線，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。正常工作時股道管理機24小時不間斷對各個從站進(jìn)行掃描以檢測從站的工作狀態(tài)（如溫度是否異常等），股道管理機每掃描一個上水栓就掃描一次遙控器接收板，掃描一個從站所需時間約為500ms，被掃描的從站及時將各自狀態(tài)信息返回給股道機。當(dāng)股道機掃描到遙控器接收板的數(shù)據(jù)區(qū)有遙控指令時，股道機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)點是任意時刻按下遙控器，都能確保指令及時傳給對應(yīng)的上水栓，保證了指令的執(zhí)行速度。

表1 股道機對上水栓的讀指令格式

表2 股道機對上水栓的寫指令格式

在MODBUS－RTU協(xié)議下主站對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向股道機返回當(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，上水栓收到對其操作的寫指令后執(zhí)行相應(yīng)動作并及時向股道機返回動作執(zhí)行情況。股道管理機發(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)股道機的讀寫指令后返回數(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的數(shù)據(jù)格式

表4 寫指令后上水栓返回給股道機的數(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)用手動命令子程序，這樣處理的優(yōu)點是當(dāng)上位機由于故障不能對上水栓進(jìn)行控制時仍可以通過手動按鈕進(jìn)行控制。單片機通過檢測手動按鈕被按下時所產(chǎn)生的脈沖跳變來判斷是否有手動操作指令，并且設(shè)計通過軟件延時的方法對手動按鈕進(jìn)行了消抖處理。上水栓每隔5秒會通過溫度傳感器讀一次溫度以檢測上水栓內(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，單片機將控制加熱片進(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)單片機執(zhí)行動作后都會將指令執(zhí)行情況存儲于特定的數(shù)據(jù)區(qū)，方便股道管理機查詢從站狀態(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 測試結(jié)果及分析

根據(jù)以上設(shè)計方案，每個股道中分別接入不同數(shù)目的上水栓并與遙控器、股道管理機在廣西某火車站進(jìn)行了聯(lián)機調(diào)試，測試結(jié)果如表5所示。每組經(jīng)過200組測試誤動作次數(shù)都為0，控制非?？煽浚骄鶆幼鲿r間控制在2秒內(nèi)，保證了指令執(zhí)行的實時性。在測試過程中指令執(zhí)行有快慢之分主要是因為部分從站未接入，股道管理機在掃描空從站時會連續(xù)掃描3次，這樣延長了整個掃描時間。當(dāng)股道機在掃描遙控接收板且接收板剛好有遙控指令時，指令執(zhí)行速度就快。從測試結(jié)果來看，股道中空站點越多指令執(zhí)行的平均速度越慢，驗證了前面的分析。測試中發(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485總線上的數(shù)據(jù)監(jiān)測，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?？偟膩碚f該控制方案沒有誤動作，反應(yīng)速度快，能夠滿足控制要求。本文所設(shè)計的上水栓控制板與股道管理機實物連接圖如圖4所示。

表5 測試結(jié)果統(tǒng)計表

圖4 上水栓控制板與股道管理機實物圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于西門子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)計等缺點，它具有通信可靠、反應(yīng)速度快、控制方便等優(yōu)點。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．［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．［J］．制造業(yè)自動化，2012，34（3）：144－146．

［3］丁向榮．STC系列增強型8051單片機．［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控制系統(tǒng)．［J］．微計算機應(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，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，綠色能源和無損檢測技術(shù)。

定稿日期：2013－10－23