鐵路以太網遠程供水測控系統(tǒng)

引言

        鐵路供水對于保障鐵路系統(tǒng)的正常運作意義重大，而鐵路沿線供水的水井、水塔等設施分布比較分散，以往鐵路供水系統(tǒng)的監(jiān)控是依靠電話同現場的操作人員取得聯系進行判斷現場供水情況，為了提高鐵路沿線供水設備管理的實時性，改善鐵路供水水質，降低成本 需要一種更加高效、可靠的系統(tǒng)進行代替，為此，設計的遠程供水測控終端集數據采集與處理 現場控制和遠程通信于一體 分布在現場的測控終端通過RS485/以太網轉換模塊，充分地利用現有的以太網資源 實現遠程測控終端與監(jiān)控中心的通信功能，從而可以實現高可靠性，低成本的實時監(jiān)控達到系統(tǒng)安全運行目的。

系統(tǒng)總體設計

        本系統(tǒng)設計的遠程測控終端是根據新鄉(xiāng)水電段提供的給水集中遠程監(jiān)控系統(tǒng)，技術要求而完成的。

        遠程測控系統(tǒng)由監(jiān)控中心，分布在各個監(jiān)控點上的遠程測控終端和通信介質3部分組成 。

        系統(tǒng)主要功能：

        一、測控終端現場采集并顯示水位高低，泵出口壓力，泵出口流量等參數;

        二、測控終端現場采集并顯示電機三相電壓，三相電流，電度量數據;

        三、測控終端現場采集并用LED 指示電機運行狀態(tài)，泵房有無人狀態(tài)等;

        四、向監(jiān)控中心上傳水位高低，泵出口壓力，泵出口流量等參數;

        五、向監(jiān)控中心上傳電機三相電壓，三相電流，電度量數據;

        六、向監(jiān)控中心上傳電機運行狀態(tài)，自動/ 手動切換狀態(tài)，泵房有無人狀態(tài);;

        七、向監(jiān)控中心上傳安全監(jiān)控上下限參數，如：井塔水位、電壓、電流等參數的上下限值;

        八、監(jiān)控中心遠程控制電機的開停;

        九、監(jiān)控中心遠程修改安全監(jiān)控上下限參數。

系統(tǒng)總體結構

        如圖1 所示遠程監(jiān)控系統(tǒng)的上層是監(jiān)控PC機中間層是由RS485/以太網轉換器以及線路組成的通信鏈路層，下層是具有RS485 總線接口的測控終端，測控終端由單片機系統(tǒng)組成，分布在各井房和水塔現場，負責采集現場數據，并在上位PC機發(fā)出請求時將數據傳送給上位機 RS485/以太網轉換器完成數據鏈路層，網絡層的協(xié)議轉換，數據交換任務。

        測控終端硬件設備

        遠程供水監(jiān)控系統(tǒng)中的終端監(jiān)測設備選用北京聚英電子的以太網Mosbus RTU。

        遠程測控終端硬件電路

        設備型號為JY-RTU6640-M

        測控終端的內部結構框圖如圖2 所示

功能特點

        ◆ 提供設備狀態(tài)指示燈，方便設備維護;

        ◆ 寬電壓供電范圍：7V-30V;

        ◆ 帶RS232、RS485(232也轉為485的情況下，可以有兩路485);

        ◆ 內置大容量SPI-flash(容量可選1Mbit-64Mbit)，實現數據的長時間本機保存(需定制);

        ◆ 6路AD仿真量輸入(12位)，輸入電壓為0-30V，也可以測量4-20mA工業(yè)電流信號;

        ◆ 6路繼電器輸出控制、4路光耦輸入輸出控制(輸入和輸出的位數自選);

        ◆ 內置RTC，掉電可自動計時，定時定點喚醒，需定制;

        ◆ 高效的電源管理設計，在對功耗要求嚴格的場合，實現低功耗節(jié)能，延長工作時間，需定制;

        ◆ 傳輸支持多種協(xié)議，我公司自定協(xié)議和Modbus協(xié)議(ASCII、RTU、Modbus TCP)完美支持;

        ◆ Modbus從機工作模式：標準從機、從機主動回傳;

        ◆ Modbus主機工作模式：標準主機、主機不巡檢;

        ◆ 數據遠程傳輸支持GPRS、以太網等;

        ◆ 數據傳輸采用以太網模塊可實現功能：

        支持10Mbps/100Mbps兩種方式接入Internet，數據傳輸速度加快，適合大數據量傳輸;

        支持TCP、UDP、PPP、ICMP、DNS、FTP等協(xié)議;

        支持的節(jié)點數，只要服務器資源允許，理論上為無數個;

        根據服務器的需要，協(xié)議可以支持更加豐富;

        支持網絡數據喚醒功能;

        ◆ 支持專用軟件進行本地和遠程參數配置及維護;

        ◆ 支持本地和遠程固件升級;

        數據采集電路設計

        系統(tǒng)的數據采集電路包含3 個部分，水位，泵出口壓力等模擬量，非電量，采集，電機運行狀態(tài)手動/ 自動開關等各開關量采集，電機三相電壓，三相電流，電度量等電量參數采集，模擬量，非電量，的采集是指現場的井液位塔液位，泵出口壓力和出口流量4 個量的采集W77E58 的P0口通過74LS373 將地址和使能信號送給多路復用芯片CD4067 選通所要采集的數據通道依次采集井液位，塔液位，泵出口壓力和流量 A/D轉換器AD574 的轉換結果送給W77E58 處理，開關輸入量包括接觸器狀態(tài)，紅外開關信號儲液箱液位信號 手動/ 自動控制切換信號等 8255接口芯片與光電隔離芯片TLP521 共同實現開關量的采集 W77E58 單片機讀取8255 PA 口的前7 位的狀態(tài)就得到了經過光電隔離后的開關量狀態(tài)信號PA0 PA6 表示的開關量狀態(tài)依次為，泵運行狀態(tài)自動/ 手動切換狀態(tài) 泵房有無人狀態(tài)等。

        電量參數采集是指電機的三相電壓，三相電流和電度量等的采集，系統(tǒng)使用多功能智能電表進行電量的數據采集，多功能電表采集電量數據后，經過RS485 通信接口，再送給W77E58 的串口， 實現與多功能電度表通訊接口，實時地讀取水泵電機三相電流、三相電壓 有功功率及消耗的電度量，動態(tài)監(jiān)視水泵電機的運轉狀況。

        開關量輸出控制電路設計

        在供水系統(tǒng)中的水塔中水位的控制由水泵的開停決定，而水泵電機的開停由開關量控制 開關量輸出還包括注液控制信號，報警燈控制信號以及報警鈴控制信號等，在開關量輸出電路的設計中，和開關量采集電路一樣，通過同一片8255 開關量的輸出使用的是PC口 PC口經ULN2803 與外部的繼電器等連接，控制電機，報警裝置等，信接口電路設計，遠程測控終端采用以太測控網關，網絡通一種RS485/以太網轉換器，作為測控終端與遠程監(jiān)控中心的通信接口，網絡通是一種廉價小巧的測控以太網接口模塊是遠程測控終端的通信。

系統(tǒng)軟件

        上位機軟件設計

        上位機軟件包括前臺的管理模塊和后臺的與以太網通信模塊組成，前臺的管理模塊包括工藝流程圖，監(jiān)控總體圖泵站控制操作圖，打印報表處理，歷史紀錄，測控算法程序等，后臺通信模塊功能是PC機通過以太網網絡通和測控終端通信，完成與測控終端串行通信任務。

        下位機軟件設計

        下位機軟件設計包括，管理程序，測控程序和通訊，管理程序有鍵盤及顯示子程序掉電讀寫子程序，時鐘管理子程序，報警處理子程序等，實現測控終端測控參量的實時顯示，上下限值的設定，超限及故障診斷與報警處理功能，測控程序有數據采集及濾波處理子程序 定點數/ 浮點數轉換子程序，開關量輸入子程序，控制輸出子程序等，實現液位，流量，壓力類參量以及水泵電機運行狀態(tài)等開關類輸入量的采集處理，水泵電機，二氧化氯消毒設備等的輸出控制，通訊程序有多功能電度表RS485 通信接口子程序，實現電壓，電流電度等電參量的數據采集 RS485/以太網通信接口量 控制和遠程調度的功能。

        發(fā)送方將校驗和計算出后放在幀尾同數據幀一起發(fā)送 接收方接到數據后 以同樣方式計算校驗和 與傳送過來的校驗和進行比較 如果相同就表示正確 不同則表示有誤 為了保證數據傳送的準確性 采用如下兩種情況差錯處理方法 一是遠程測控終端主發(fā)送時 若待發(fā)送的原始數據長度大于32字節(jié)時 可以分幀傳送 發(fā)完一幀后等待正確應答信號 收到上位機的正確應答幀可發(fā)下一幀 否則 接收到出錯應答或2s內無應答重復發(fā)當前幀重發(fā)5 次放棄發(fā)送 二是遠程測控終端被動接收時接收到上位機發(fā)來的正確幀要在1s內發(fā)正確應答幀1 次 若發(fā)現出錯要發(fā)出錯應答幀1 次。

總結

        實現鐵路井群供水的集中監(jiān)控不僅能夠改變目前供水手段及監(jiān)測方法落后的狀況而且具有很好的經濟效益和社會效益，利用現有的以太網資源實現的對鐵路沿線供水情況的監(jiān)控，其設計方法簡單可靠，運行成本低，本系統(tǒng)的設計可以應用于電力、水利、石油、市政等行業(yè)中、特別是用于地理環(huán)境惡劣無人值守的環(huán)境下、應用前景廣闊。