卜志東，吳新開，文 麗，謝 聰

（湖南科技大學信息與電氣工程學院，湖南湘潭 411201）

1 引言

隨著我國鐵路覆蓋網絡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。這種落后的上水系統(tǒng)已不能滿足現代智能化管理、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，能滿足現代化程度不斷提高的列車上水的要求。

2 系統(tǒng)的基本構架及硬件組成

根據火車站要求，上水系統(tǒng)必須能實現監(jiān)測各上水栓的狀態(tài)、統(tǒng)計每個股道每次上水的上水量、監(jiān)控股道左右側水壓，并通過遙控器控制各個上水栓動作等功能。該上水系統(tǒng)是一套比較復雜的自動化控制系統(tǒng)，根據火車站規(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、股道左右側流量計、壓力表以及若干個遙控器組成。

2.1 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智能控制的核心，其控制指令多、處理的數據量大。根據火車站要求各從站與股道管理機之間的通信需遵循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，本設計通過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，對二進制數運算和浮點數運算的處理能力比較強［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的數據，通過PROFINET口下載程序并通過以太網連接到監(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)進行實時監(jiān)控，兩個端口的最快響應速度都可以達到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，當某一個接口出現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據（包括發(fā)送控制命令、掃描各個從站的狀態(tài)量），并將所采集的數據通過EM277模塊交給S7-300進行處理，S7-300處理完的數據再由S7-200經RS485總線完成對各個從站的控制。這樣的設計方案充分利用了S7-300與S7-200各自的優(yōu)勢，節(jié)約了整個設計的成本，便于現場維護且達到了車站的要求，整個股道的硬件拓撲結構如圖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)行股道機發(fā)出的上水指令、收管指令、防止收管電機因堵轉而損壞、維持上水栓內部溫度在冰點以上、向股道機返回從站的狀態(tài)信息（上水狀態(tài)、收管狀態(tài)、溫度是否異常等）。

本設計中采用S7-300與S7-200相結合組成股道管理機，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單片機是增強型8051內核單片機，相對于傳統(tǒng)的8051內核單片機，它在片內資源、性能以及工作速度上都有很大的改進，尤其采用了基于Flash的在線系統(tǒng)編程（ISP）技術，使得單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)變得更加簡單，無需仿真器或專用編程器就可進行單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)。

STC11F08XE是STC11系列單片機的典型產品，集成了以下資源：增強型8051CPU、8KB Flash程序存儲器、1280B字節(jié)RAM、32KB數據Flash(EEPROM)、兩個16位定時器/計數器、全雙工異步串行口（UART）、最多40根I/O口線、MAX810專用復位電路和硬件看門狗。

圖1 單個股道硬件結構圖

圖2 單片機與485芯片連接電路

上水栓與股道管理機之間通過一塊485芯片進行信號轉換，其型號為ADM2587E，該芯片能將485信號轉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［2］。其外圍電路只需8個匹配電容和2個匹配電阻即可。ADM2587E芯片與單片機的連接如圖2所示。

3 上水栓與股道管理機的通信設計

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，股道左右側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米，所以上水栓與股道機之間的最遠通信距離為725米。

考慮到每個股道的從站數量較多、通訊距離較遠，因此本設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。RS485標準是由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,已成為應用最廣泛的通信標準之一［3］。理論上,RS485總線上面最多能夠接入128個站點（根據芯片驅動能力的大小有所不同）,其最大傳輸距離可達1219m，極限通信速率約為10Mbps。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，這種雙絞線的信號傳輸距離與通信速率成反比，當通信速率為20kbps以下時,才能夠實現1219m的最大通信距離。而本設計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據出現沖突，本設計將股道管理機作為主站來管理485總線，上水栓及其他設備作為從站。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。當股道機掃描到遙控器接收板的數據區(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返回當前狀態(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據格式分別如表1、2所示。上水栓響應股道機的讀寫指令后返回數據的格式分別如表3、4所示。

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

表3 讀指令后上水栓返回給股道機的數據格式

表4 寫指令后上水栓返回給股道機的數據格式

4 上水栓軟件流程圖

上水栓在完成程序初始化后，主程序先調用手動命令子程序，這樣處理的優(yōu)點是當上位機由于故障不能對上水栓進行控制時仍可以通過手動按鈕進行控制。單片機通過檢測手動按鈕被按下時所產生的脈沖跳變來判斷是否有手動操作指令，并且設計通過軟件延時的方法對手動按鈕進行了消抖處理。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溫度是否在設定范圍內，當溫度低于設定溫度下限時，單片機將控制加熱片進行調溫。每次接收到485總線上的指令（股道管理機查詢指令、寫指令）后，單片機將判斷該指令是否為本從站指令，并進行相應處理。需要指出的是每當單片機執(zhí)行動作后都會將指令執(zhí)行情況存儲于特定的數據區(qū)，方便股道管理機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 測試結果及分析

根據設計方案，每個股道中分別接入不同數目的上水栓并與遙控器、股道管理機在某火車站進行聯(lián)機調試，測試結果如表5所示。

表5 測試結果統(tǒng)計表

每組經過200組測試誤動作次數都為0，控制非?？煽?，平均動作時間控制在2秒內，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，驗證了上述分析。測試中發(fā)生了丟包現象，有指令未能執(zhí)行，通過串口調試軟件對485總線上的數據監(jiān)測發(fā)現丟包主要是遙控器無線數據未能傳到股道管理機?？偟膩碚f該控制方案沒有誤動作，反應速度快，能夠滿足控制要求。本文所設計的上水栓控制板與股道管理機實物連接圖如圖4所示。

圖4 上水栓控制板與股道管理機實物圖

6 結束語

本文設計了一套基于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，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、反應速度快、控制方便等優(yōu)點。該智能上水栓已在某火車站投入使用，從使用效果來看，達到了預定目標，完全能滿足現代火車站對上水系統(tǒng)的要求。

［1］李金文，王春艷.基于S7-300的多疊網流漿箱控制系統(tǒng)設計［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控制系統(tǒng)［J］.微計算機應用，2008，28（7）：109-112.

［4］程雪婷，王海峰.解析Modbus-RTU協(xié)議關鍵內容及其在智能電器中的應用［J］.低壓電器，2010，（1）：23-25，62.