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圖1  鐵路遠程自動供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    為了保障鐵路沿線各單位正常供水，本系統(tǒng)應具備以下基本功能：

    (1)  監(jiān)測功能：調(diào)度中心和監(jiān)控站均具有以下監(jiān)測功能：每個水泵電機的三相電壓、三相電流、功率（有功、無功）、電量、運行時間及井水位、管道流量、管道各節(jié)點的壓力等參數(shù)。遠程數(shù)據(jù)通過傳感器、現(xiàn)場智能采集設備（DTE）、無線發(fā)送設備傳送至監(jiān)控站，使值班人員隨時了解掌握整體供水系統(tǒng)運行中的基本情況。
    (2)  保護功能：保護裝置功能主要是對電機的過電流、過壓、欠壓、缺相、相序反接、接地等進行保護，并將電閘事件、電閘報告、自檢報告及時傳送到監(jiān)控和管理系統(tǒng)。
    (3)  控制功能：井群中心控制站可通過無線遙控實現(xiàn)水泵電機的開、停機，深井機房內(nèi)設有水控裝置，實行就地優(yōu)先。井群控制站還可通過微機對水泵電機實行變頻調(diào)節(jié)，以控制主管道內(nèi)的流量和壓力，節(jié)約能耗。
    (4)  管理功能：調(diào)度中心計算機可對接收到的各種數(shù)據(jù)自動形成歷史數(shù)據(jù)文件，對歷史數(shù)據(jù)按多種條件進行查詢、修改。

3  數(shù)據(jù)通信方案設計

    從本系統(tǒng)所完成的任務來看，它要求有較強的實時性和高可靠性。測控通信網(wǎng)通常采用的通信媒質(zhì)主要有電纜、光纜、電話線和無線射頻。下面對通信網(wǎng)絡采用的三種不同通信媒質(zhì)的通信方案作分析和比較[1][2][3]。
    敷設電纜或光纜，通常是在一個范圍相對較小的工廠內(nèi)，而對于一個覆蓋大范圍的地理區(qū)域（達到方圓10km）且待監(jiān)測的設備多，遠程站點多的系統(tǒng)是很不實際的，因為專門敷設電纜，管道太昂貴，且安裝和維護非常費時、費力。
    對測控系統(tǒng)利用公用電話線是一種比較常用的解決方案。利用電話線有兩種方式，租用專線和撥號。顯然為每個遠程站點租用專線還是很昂貴的。對于一些采用相對較長的固定時間間隔（例如幾十分鐘或更長的時間）更新的系統(tǒng)采用電話撥號的方式是很適合的。而對于實時性相對較高的需求或要求站點在線即時通信，撥號方式還是不能滿足要求，并且在有些實際應用環(huán)境電話線還是不可達的，這些情況對使用公用電話網(wǎng)絡是一個限制。
無線組網(wǎng)是解決測控系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N非常重要的方式，這種組網(wǎng)方式以其布局簡單，組網(wǎng)經(jīng)濟、方便、利于靈活變動，并且支持移動訪問等優(yōu)點，在測控領域受到了極大的歡迎。
    無線通信包括微波通信、超短波通信、衛(wèi)星通信線等方式。超短波通信因具有信號傳播穩(wěn)定、通信質(zhì)量較高、技術成熟、設備投資低的特點而被廣泛使用。但其缺點是速率慢，保密性差，沒有通信的單一性，頻道擁擠；更兼之是窄帶通信，既干擾別人，也易受其他電臺或電氣設備的干擾，信號傳輸可靠性差。其優(yōu)勢在于具有一定的繞射能力，在數(shù)據(jù)傳輸兩點間可視性較差、距離適當?shù)那闆r下采用超短波通信在經(jīng)濟上合適。
    微波通信的特點是以微波作為計算機網(wǎng)的通信信道，使用的頻段（2.4GHz）要求通信的兩點彼此可視，因其頻率很高，故可以實現(xiàn)高的數(shù)據(jù)傳輸率，受氣候影響很小。使用微波擴頻方式通信時，特別是直接序列擴頻調(diào)制方法具有以下主要特點：

    (1)  抗干擾性強，對單頻及多頻載波信號的干擾、其它偽隨機調(diào)制信號的干擾及脈沖正弦信號的干擾等都有抑制作用，能提高輸出信號的信噪比；
    (2)  發(fā)射功率小，一般小于1W，設備功耗較低，因此不會對其他通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；
    (3)  可以實現(xiàn)碼分多址，頻帶利用率很高；
    (4)  抗多徑干擾，可以克服惡劣環(huán)境下嚴重的多徑干擾對無線數(shù)據(jù)通信可能造成的影響；
    (5)  無線數(shù)據(jù)傳輸速率高，可高達19200bps 以上，而誤碼率小于10-6具有信息傳輸快且可靠的優(yōu)點。

    隨著通信技術和電子技術的發(fā)展，微波擴頻通信技術逐漸完善，ASIC擴頻芯片的研制和大量生產(chǎn)，極大地促進了微波擴頻技術的應用和推廣。所以微波成為構(gòu)建無線通信局域網(wǎng)最常用的通信媒體。
    衛(wèi)星通信是近年來發(fā)展的新技術，它是利用人造衛(wèi)星作為中繼站發(fā)微波信號，以實現(xiàn)各地之間的通信。其優(yōu)點是技術先進、通道質(zhì)量好、傳輸數(shù)率高、不受距離和地形限制、覆蓋面廣。缺點是設備投資高，運行費用高，適用于地形復雜、流域面積大、技術要求高的系統(tǒng)。
    結(jié)合以上分析并根據(jù)鐵路通信網(wǎng)絡的制定原則和考慮地區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀和經(jīng)濟承受能力，設計采用有線通信和無線通信相結(jié)合的方式，建設覆蓋全線的信息通信網(wǎng)絡。具體設計方案為：

    (1)  調(diào)度中心與監(jiān)控站之間使用無線（無線擴頻）為主，有線（PSTN）為輔的通信方式，滿足數(shù)據(jù)傳輸工作；
    (2)  調(diào)度中心與各遠程終端之間通過監(jiān)控站轉(zhuǎn)發(fā)功能進行數(shù)據(jù)傳輸工作；
    (3)  遠程終端與監(jiān)控站通過微波擴頻進行測控、監(jiān)視數(shù)據(jù)的傳輸控制；
    (4)  在遠程終端與智能傳感儀表之間采用有線通信。其通信點距離一般為幾十米，采用異步串行通信；數(shù)據(jù)傳感設備與智能終端設備之間的接口為RS-485，若有線系統(tǒng)中包括兩個以上的站點，則選擇其中一個為主站，其他站點為從站，進行主從式通信。

4  智能終端的設計[5][6]

    智能終端的設計可以根據(jù)具體的監(jiān)控項目，采用多種方式靈活接入，如單片機系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)以及現(xiàn)場總線系統(tǒng)，只要提供相應的通信接口即可實現(xiàn)與監(jiān)控中心的通信。在設計中，考慮到鐵路各供水站點分布較廣，而每個站點需要監(jiān)控的設備不是很多，故智能終端采用單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機系統(tǒng)的硬件電路設計分為單片機最小系統(tǒng)（包括主CPU、鍵盤和顯示接口電路，如圖2所示）、數(shù)據(jù)采集電路、輸出控制電路和掉電保護電路和通信電路。

圖2  終端機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    (1)  數(shù)據(jù)采集電路和輸出控制電路
    供水系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)分為電量、一般模擬量和開關量三種。需要采集的電量為電機的三相電壓和三相電流。設計中采用多功能智能電表進行電量的數(shù)據(jù)采集，多功能電表采集電量數(shù)據(jù)后，傳遞RS485信號，通過保護電路傳遞到電平轉(zhuǎn)換器MAX485芯片，將智能電表傳送的三相電壓、三相電流、電度量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TTL格式，再以串口通信的方式傳送給CPU進行接收。一般模擬量是指現(xiàn)場的水井水位、水塔水位、泵出口壓力和出口流量等模擬量，需要通過多路復用芯片完成多路數(shù)據(jù)的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，再將采集的數(shù)據(jù)給CPU處理。開關量信號是指電機運行狀態(tài)，站點泵房有無人狀態(tài)等參數(shù)，開關量的采集通過擴展的串行口即8255芯片來實現(xiàn)。
輸出控制電路完成現(xiàn)場多個電機的開、?？刂?，通過8255的PC口經(jīng)ULN2803與外部的繼電器連接，控制電機實現(xiàn)了弱電控制強電。

    (2)  掉電保護電路
    當電源線路出現(xiàn)故障，造成斷電，RAM中的所有數(shù)據(jù)將丟失，包括一些重要數(shù)據(jù)，如井水位、電壓、電流等參數(shù)的上下限值，而這些數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的安全運行相當重要。因此在智能終端設計采用了掉電保護電路，將重要數(shù)據(jù)及時保存在E2PROM中，上電復位后，通過程序?qū)⒅匾獏?shù)讀入RAM中。當系統(tǒng)需要對各模擬量數(shù)據(jù)的上下限參數(shù)進行修改時，也要同時對E2PROM進行修改，設計中選用支持I2C總線傳送協(xié)議的E2PROM芯片24LC32實現(xiàn)。

5  系統(tǒng)軟件設計[4]

5.1  監(jiān)控主機軟件設計

圖3 （監(jiān)控站微機）系統(tǒng)監(jiān)控運行示例

    對于監(jiān)控主機軟件，筆者采用北京亞控公司組態(tài)王進行二次開發(fā)， Kingview 的設備驅(qū)動程序能方便與現(xiàn)場控制設備通訊，Kingview串口類邏輯設備是其內(nèi)嵌的，串口驅(qū)動程序的邏輯名稱，對應著與計算機串口相連的實際設備，以DLL的形式供Kingview調(diào)用。 Kingview通過“設備配置向?qū)А迸渲霉た貦C與終端機（單片機系統(tǒng)）的通訊。該系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有與國際流行機型良好的兼容性，易于擴展和開發(fā)應用。主要模塊和功能有：

    (1)  數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計，數(shù)據(jù)庫的生成及在線修改，它包含所有檢測點的全部特征，在運行中，它不斷用現(xiàn)場數(shù)據(jù)或人工設置，計算并更新數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，同時向報警、顯示、打印報表、歷史趨勢等系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)；
    (2)  圖形編輯，生成各種過程控制或調(diào)度監(jiān)視圖形；
    (3)  數(shù)據(jù)趨勢，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)文件，把過程點隨時間的變化趨勢顯示出來（圖3 為供水系統(tǒng)1#井歷史趨勢界面）；
    (4)  歷史數(shù)據(jù)，凡是在實時數(shù)據(jù)庫中定義保留的過程點，系統(tǒng)將定時把這些點的變化記錄在歷史文件中，保留一定的時間，用戶可以拷貝歷史文件，以便長期保存；
    (5)  報警處理，包括過程點控制站報警，系統(tǒng)報警，各種報警匯總顯示、打印等；
    (6)  過程輸入輸出，管理主機與監(jiān)控站的通信、實現(xiàn)通道掃描、數(shù)據(jù)接受、發(fā)送、出錯校驗及控制等；
    (7)  圖形顯示，系統(tǒng)采用大型彩色CRT 主要顯示實時特征的各個工藝環(huán)節(jié)的流程圖。

5.2  終端機軟件設計
終端機軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4  終端機系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)