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）

1 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(diǎn)對點(diǎn)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(fèi)較大，不利于車站的管理與監(jiān)控。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PLC的火車站智能上水栓，該上水栓控制方便、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化水平，能滿足現(xiàn)代化程度不斷提高的列車上水的要求。

2 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)測各上水栓的狀態(tài)、統(tǒng)計(jì)每個股道每次上水的上水量、監(jiān)控股道左右側(cè)水壓，并通過遙控器控制各個上水栓動作等功能。該上水系統(tǒng)是一套比較復(fù)雜的自動化控制系統(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(jī)、一個遙控接收板、30個上水栓、股道左右側(cè)流量計(jì)、壓力表以及若干個遙控器組成。

2.1 股道管理機(jī)的選型及其特點(diǎn)

每個股道中股道管理機(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。根據(jù)火車站要求各從站與股道管理機(jī)之間的通信需遵循MODBUS-RTU協(xié)議并通過RS485總線傳輸信號，每個股道中要接入30個上水栓。因此，為了既能滿足通信協(xié)議的要求又保證處理速度，本設(shè)計(jì)通過EM277將S7-300（型號為CPU315-2PN/DP）與S7-200（型號為CPU 226CN）連接起來構(gòu)成股道管理機(jī)。CPU315-2PN/DP擁有一定規(guī)模的存儲器容量與程序框架，對二進(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)［1］。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(shí)時監(jiān)控，兩個端口的最快響應(yīng)速度都可以達(dá)到12Mbps，S7-300的快速處理能力能夠滿足對股道眾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支持MODBUS-RTU協(xié)議且?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(diǎn)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來采集各個從站的數(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(jì)方案充分利用了S7-300與S7-200各自的優(yōu)勢，節(jié)約了整個設(shè)計(jì)的成本，便于現(xiàn)場維護(hù)且達(dá)到了車站的要求，整個股道的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 上水栓功能及主要芯片選型

每個股道中上水栓作為從站，其作用是執(zhí)行股道機(jī)發(fā)出的上水指令、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（上水狀態(tài)、收管狀態(tài)、溫度是否異常等）。

本設(shè)計(jì)中采用S7-300與S7-200相結(jié)合組成股道管理機(jī)，從站采用新一代STC11系列的STC11F08XE芯片作為從站控制器，而非傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程I/O模塊，這樣既滿足了控制的要求又大大節(jié)約了整個系統(tǒng)的成本。STC11F08XE單片機(jī)是增強(qiáng)型8051內(nèi)核單片機(jī)，相對于傳統(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)，尤其采用了基于Flash的在線系統(tǒng)編程（ISP）技術(shù)，使得單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)變得更加簡單，無需仿真器或?qū)Ｓ镁幊唐骶涂蛇M(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

STC11F08XE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程序存儲器、1280B字節(jié)RAM、32KB數(shù)據(jù)Flash(EEPROM)、兩個16位定時器/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。

圖1 單個股道硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 單片機(jī)與485芯片連接電路

上水栓與股道管理機(jī)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(jī)能識別的TTL電平，集成度高，自帶隔離電路，能防止單片機(jī)受到總線的信號干擾［2］。其外圍電路只需8個匹配電容和2個匹配電阻即可。ADM2587E芯片與單片機(jī)的連接如圖2所示。

3 上水栓與股道管理機(jī)的通信設(shè)計(jì)

每個股道上有30個上水栓、一個遙控器接收板、兩個流量計(jì)、兩個水壓表，總計(jì)有35個從站。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，每兩個上水栓之間的直線距離為25米，所以上水栓與股道機(jī)之間的最遠(yuǎn)通信距離為725米。

考慮到每個股道的從站數(shù)量較多、通訊距離較遠(yuǎn)，因此本設(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。RS485標(biāo)準(zhǔn)是由EIA（電子工業(yè)協(xié)會）和TIA（通訊工業(yè)協(xié)會）共同制訂和開發(fā)，已有多年歷史，其通信簡單、可靠、成熟,已成為應(yīng)用最廣泛的通信標(biāo)準(zhǔn)之一［3］。理論上,RS485總線上面最多能夠接入128個站點(diǎn)（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)1219m，極限通信速率約為10Mbps。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)，這種雙絞線的信號傳輸距離與通信速率成反比，當(dāng)通信速率為20kbps以下時,才能夠?qū)崿F(xiàn)1219m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9600bps，完全能夠滿足傳輸距離的要求。

由于485總線是半雙工通信，每次只能由一個站點(diǎn)來使用總線，為了避免各個從站在通過485總線傳輸信號的過程中總線數(shù)據(jù)出現(xiàn)沖突，本設(shè)計(jì)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。正常工作時股道管理機(jī)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(jī)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(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，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。

在MODBUS-RTU該協(xié)議下主站對從站的指令主要分兩種［4］：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(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，上水栓收到對其操作的寫指令后執(zhí)行相應(yīng)動作并及時向股道機(jī)返回動作執(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、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1 股道機(jī)對上水栓的讀指令格式

表2 股道機(jī)對上水栓的寫指令格式

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

4 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(diǎn)是當(dāng)上位機(jī)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(jī)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(jì)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(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（股道管理機(jī)查詢指令、寫指令）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(jī)再次查詢該從站時將從站狀態(tài)反饋給監(jiān)控室。上水栓的程序流程如圖3所示。

圖3 上水栓軟件流程圖

5 測試結(jié)果及分析

根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)在某火車站進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，測試結(jié)果如表5所示。

表5 測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

每組經(jīng)過200組測試誤動作次數(shù)都為0，控制非?？煽?，平均動作時間控制在2秒內(nèi)，保證了指令執(zhí)行的實(shí)時性。在測試過程中指令執(zhí)行有快慢之分主要是因?yàn)椴糠謴恼疚唇尤?，股道管理機(jī)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(jī)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(diǎn)越多指令執(zhí)行的平均速度越慢，驗(yàn)證了上述分析。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(jī)?？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(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。

圖4 上水栓控制板與股道管理機(jī)實(shí)物圖

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套基于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］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)自動化，2012，34（3）：144-146.

［2］ADI.ADM2587E Useres Guide［Z］.2009.

［3］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.

［4］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，（1）：23-25，62.