火車站智能上水栓系統(tǒng)研制范文

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《電氣傳動(dòng)自動(dòng)化雜志》2014年第三期

1上水栓功能及主要芯片選型

每個(gè)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(gè)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、8KBFlash程序存儲(chǔ)器、1280B字節(jié)RAM、32KB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。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［2］。其外圍電路只需8個(gè)匹配電容和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。

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(gè)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(huì)）和TIA（通訊工業(yè)協(xié)會(huì)）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(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)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(hào)傳輸距離與通信速率成反比，當(dāng)通信速率為20kbps以下時(shí),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(gè)站點(diǎn)來使用總線，為了避免各個(gè)從站在通過485總線傳輸信號(hào)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(shí)股道管理機(jī)24小時(shí)不間斷對各個(gè)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(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：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、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。

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（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)再次查詢該從站時(shí)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。

4測試結(jié)果及分析

根據(jù)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)在某火車站進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，測試結(jié)果如表5所示。每組經(jīng)過200組測試誤動(dòng)作次數(shù)都為0，控制非常可靠，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)。總的來說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。

5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。

作者：卜志東吳新開文麗謝聰單位：湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院