火车站智能上水栓系统研制

卜志东，吴新开，文 丽，谢 聪

（湖南科技大学信息与电气工程学院，湖南湘潭 411201）

1 引言

随着我国铁路覆盖网络的不断加大以及铁路运输系统的连续提速，对火车站上水系统的性能要求也越来越高。目前火车站使用较多的列车上水系统多半以手动控制和点对点的控制方法为主，以上两种方式技术落后，自动化程度不高且对人力资源的浪费较大，不利于车站的管理与监控。这种落后的上水系统已不能满足现代智能化管理、高速上水的要求。因此开发出一套自动化程度高、控制灵活、便于管理与监控的智能上水栓显得尤为重要。本文开发的基于PLC的火车站智能上水栓，该上水栓控制方便、反应速度快、能与上位机可靠通信、方便管理，大大提高了列车上水的自动化水平，能满足现代化程度不断提高的列车上水的要求。

2 系统的基本构架及硬件组成

根据火车站要求，上水系统必须能实现监测各上水栓的状态、统计每个股道每次上水的上水量、监控股道左右侧水压，并通过遥控器控制各个上水栓动作等功能。该上水系统是一套比较复杂的自动化控制系统，根据火车站规模的不同，每个上水系统可由若干个股道、一个监控室构成，每个股道又由一台股道管理机、一个遥控接收板、30个上水栓、股道左右侧流量计、压力表以及若干个遥控器组成。

2.1 股道管理机的选型及其特点

每个股道中股道管理机是实现智能控制的核心，其控制指令多、处理的数据量大。根据火车站要求各从站与股道管理机之间的通信需遵循MODBUS-RTU协议并通过RS485总线传输信号，每个股道中要接入30个上水栓。因此，为了既能满足通信协议的要求又保证处理速度，本设计通过EM277将S7-300（型号为CPU315-2PN/DP）与S7-200（型号为CPU 226CN）连接起来构成股道管理机。CPU315-2PN/DP拥有一定规模的存储器容量与程序框架，对二进制数运算和浮点数运算的处理能力比较强［1］。用S7-300作为DP主站，通过其DP口与EM277连接以交换S7-300和S7-200的数据，通过PROFINET口下载程序并通过以太网连接到监控电脑，再由监控电脑通过组态王软件对上水系统的状态进行实时监控，两个端口的最快响应速度都可以达到12Mbps，S7-300的快速处理能力能够满足对股道众多从站快速控制的要求，不足之处是S7-300不支持MODBUS-RTU协议。而S7-200支持MODBUS-RTU协议且带两路485接口，当某一个接口出现故障时另一个接口可以备用，也可以同时接两路485总线，S7-200的缺点是应对总线上较多的从站时其控制会有较大的延时。因此，用S7-200来采集各个从站的数据（包括发送控制命令、扫描各个从站的状态量），并将所采集的数据通过EM277模块交给S7-300进行处理，S7-300处理完的数据再由S7-200经RS485总线完成对各个从站的控制。这样的设计方案充分利用了S7-300与S7-200各自的优势，节约了整个设计的成本，便于现场维护且达到了车站的要求，整个股道的硬件拓扑结构如图1所示。

2.2 上水栓功能及主要芯片选型

每个股道中上水栓作为从站，其作用是执行股道机发出的上水指令、收管指令、防止收管电机因堵转而损坏、维持上水栓内部温度在冰点以上、向股道机返回从站的状态信息（上水状态、收管状态、温度是否异常等）。

本设计中采用S7-300与S7-200相结合组成股道管理机，从站采用新一代STC11系列的STC11F08XE芯片作为从站控制器，而非传统的远程I/O模块，这样既满足了控制的要求又大大节约了整个系统的成本。STC11F08XE单片机是增强型8051内核单片机，相对于传统的8051内核单片机，它在片内资源、性能以及工作速度上都有很大的改进，尤其采用了基于Flash的在线系统编程（ISP）技术，使得单片机应用系统的开发变得更加简单，无需仿真器或专用编程器就可进行单片机应用系统的开发。

STC11F08XE是STC11系列单片机的典型产品，集成了以下资源：增强型8051CPU、8KB Flash程序存储器、1280B字节RAM、32KB数据Flash(EEPROM)、两个16位定时器/计数器、全双工异步串行口（UART）、最多40根I/O口线、MAX810专用复位电路和硬件看门狗。

图1 单个股道硬件结构图

图2 单片机与485芯片连接电路

上水栓与股道管理机之间通过一块485芯片进行信号转换，其型号为ADM2587E，该芯片能将485信号转换成单片机能识别的TTL电平，集成度高，自带隔离电路，能防止单片机受到总线的信号干扰［2］。其外围电路只需8个匹配电容和2个匹配电阻即可。ADM2587E芯片与单片机的连接如图2所示。

3 上水栓与股道管理机的通信设计

每个股道上有30个上水栓、一个遥控器接收板、两个流量计、两个水压表，总计有35个从站。股道管理机放置于股道的一端，遥控器接收板放置于15号上水栓的箱体内，股道左右侧的流量计及压力表与两端的上水栓放在一起，每两个上水栓之间的直线距离为25米，所以上水栓与股道机之间的最远通信距离为725米。

考虑到每个股道的从站数量较多、通讯距离较远，因此本设计中股道管理机与上水栓之间采用RS485总线通信，并遵循MODBUS-RTU通信协议。RS485标准是由EIA（电子工业协会）和TIA（通讯工业协会）共同制订和开发，已有多年历史，其通信简单、可靠、成熟,已成为应用最广泛的通信标准之一［3］。理论上,RS485总线上面最多能够接入128个站点（根据芯片驱动能力的大小有所不同）,其最大传输距离可达1219m，极限通信速率约为10Mbps。股道管理机与上水栓之间的RS485通信线使用平衡双绞线作为传输介质，这种双绞线的信号传输距离与通信速率成反比，当通信速率为20kbps以下时,才能够实现1219m的最大通信距离。而本设计中所使用的通信速率为仅为9600bps，完全能够满足传输距离的要求。

由于485总线是半双工通信，每次只能由一个站点来使用总线，为了避免各个从站在通过485总线传输信号的过程中总线数据出现冲突，本设计将股道管理机作为主站来管理485总线，上水栓及其他设备作为从站。正常工作时股道管理机24小时不间断对各个从站进行扫描以检测从站的工作状态（如温度是否异常等），股道管理机每扫描一个上水栓就扫描一次遥控器接收板，扫描一个从站所需时间约为500ms，被扫描的从站及时将各自状态信息返回给股道机。当股道机扫描到遥控器接收板的数据区有遥控指令时，股道机将立即中断扫描并将遥控指令以广播的形式下发给总线上的每个从站，地址相匹配的从站将执行遥控指令。这种扫描方式的优点是任意时刻按下遥控器，都能确保指令及时传给对应的上水栓，保证了指令的执行速度。

在MODBUS-RTU该协议下主站对从站的指令主要分两种［4］：一种是扫描指令即读指令，用来查询上水栓的工作状态，上水栓收到与其地址匹配的读指令后将及时向股道机返回当前状态值；另一种是写指令，用来控制上水栓执行遥控器命令，上水栓收到对其操作的写指令后执行相应动作并及时向股道机返回动作执行情况。股道管理机发给上水栓两种指令的数据格式分别如表1、2所示。上水栓响应股道机的读写指令后返回数据的格式分别如表3、4所示。

表1 股道机对上水栓的读指令格式

表2 股道机对上水栓的写指令格式

表3 读指令后上水栓返回给股道机的数据格式

表4 写指令后上水栓返回给股道机的数据格式

4 上水栓软件流程图

上水栓在完成程序初始化后，主程序先调用手动命令子程序，这样处理的优点是当上位机由于故障不能对上水栓进行控制时仍可以通过手动按钮进行控制。单片机通过检测手动按钮被按下时所产生的脉冲跳变来判断是否有手动操作指令，并且设计通过软件延时的方法对手动按钮进行了消抖处理。上水栓每隔5秒会通过温度传感器读一次温度以检测上水栓内温度是否在设定范围内，当温度低于设定温度下限时，单片机将控制加热片进行调温。每次接收到485总线上的指令（股道管理机查询指令、写指令）后，单片机将判断该指令是否为本从站指令，并进行相应处理。需要指出的是每当单片机执行动作后都会将指令执行情况存储于特定的数据区，方便股道管理机再次查询该从站时将从站状态反馈给监控室。上水栓的程序流程如图3所示。

图3 上水栓软件流程图

5 测试结果及分析

根据设计方案，每个股道中分别接入不同数目的上水栓并与遥控器、股道管理机在某火车站进行联机调试，测试结果如表5所示。

表5 测试结果统计表

每组经过200组测试误动作次数都为0，控制非常可靠，平均动作时间控制在2秒内，保证了指令执行的实时性。在测试过程中指令执行有快慢之分主要是因为部分从站未接入，股道管理机在扫描空从站时会连续扫描3次，这样延长了整个扫描时间。当股道机在扫描遥控接收板且接收板刚好有遥控指令时，指令执行速度就快。从测试结果来看，股道中空站点越多指令执行的平均速度越慢，验证了上述分析。测试中发生了丢包现象，有指令未能执行，通过串口调试软件对485总线上的数据监测发现丢包主要是遥控器无线数据未能传到股道管理机。总的来说该控制方案没有误动作，反应速度快，能够满足控制要求。本文所设计的上水栓控制板与股道管理机实物连接图如图4所示。

图4 上水栓控制板与股道管理机实物图

6 结束语

本文设计了一套基于S7-300的火车站智能上水栓，该上水栓采用单片机作为主控芯片，大大节约了成本，通过一根485总线与股道管理机通信，减少了布线、便于维护，克服了传统上水栓控制不便、不利于车站统计等缺点，它具有通信可靠、反应速度快、控制方便等优点。该智能上水栓已在某火车站投入使用，从使用效果来看，达到了预定目标，完全能满足现代火车站对上水系统的要求。

［1］李金文，王春艳.基于S7-300的多叠网流浆箱控制系统设计［J］.制造业自动化，2012，34（3）：144-146.

［2］ADI.ADM2587E Useres Guide［Z］.2009.

［3］邰 鸣，李双田.基于RS485通信方式的多单片机控制系统［J］.微计算机应用，2008，28（7）：109-112.

［4］程雪婷，王海峰.解析Modbus-RTU协议关键内容及其在智能电器中的应用［J］.低压电器，2010，（1）：23-25，62.