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圖1  鐵路遠程自動供水系統結構圖

    為了保障鐵路沿線各單位正常供水，本系統應具備以下基本功能：

    (1)  監測功能：調度中心和監控站均具有以下監測功能：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、管道各節點的壓力等參數。遠程數據通過傳感器、現場智能采集設備（DTE）、無線發送設備傳送至監控站，使值班人員隨時了解掌握整體供水系統運行中的基本情況。
    (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控和管理系統。
    (3)  控制功能：井群中心控制站可通過無線遙控實現水泵電機的開、停機，深井機房內設有水控裝置，實行就地優先。井群控制站還可通過微機對水泵電機實行變頻調節，以控制主管道內的流量和壓力，節約能耗。
    (4)  管理功能：調度中心計算機可對接收到的各種數據自動形成歷史數據文件，對歷史數據按多種條件進行查詢、修改。

3  數據通信方案設計

    從本系統所完成的任務來看，它要求有較強的實時性和高可靠性。測控通信網通常采用的通信媒質主要有電纜、光纜、電話線和無線射頻。下面對通信網絡采用的三種不同通信媒質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，而對于一個覆蓋大范圍的地理區域（達到方圓10km）且待監測的設備多，遠程站點多的系統是很不實際的，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境電話線還是不可達的，這些情況對使用公用電話網絡是一個限制。
無線組網是解決測控系統遠程數據傳輸的一種非常重要的方式，這種組網方式以其布局簡單，組網經濟、方便、利于靈活變動，并且支持移動訪問等優點，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、衛星通信線等方式。超短波通信因具有信號傳播穩定、通信質量較高、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。其優勢在于具有一定的繞射能力，在數據傳輸兩點間可視性較差、距離適當的情況下采用超短波通信在經濟上合適。
    微波通信的特點是以微波作為計算機網的通信信道，使用的頻段（2.4GHz）要求通信的兩點彼此可視，因其頻率很高，故可以實現高的數據傳輸率，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產生干擾；
    (3)  可以實現碼分多址，頻帶利用率很高；
    (4)  抗多徑干擾，可以克服惡劣環境下嚴重的多徑干擾對無線數據通信可能造成的影響；
    (5)  無線數據傳輸速率高，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點。

    隨著通信技術和電子技術的發展，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，極大地促進了微波擴頻技術的應用和推廣。所以微波成為構建無線通信局域網最常用的通信媒體。
    衛星通信是近年來發展的新技術，它是利用人造衛星作為中繼站發微波信號，以實現各地之間的通信。其優點是技術先進、通道質量好、傳輸數率高、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。
    結合以上分析并根據鐵路通信網絡的制定原則和考慮地區發展現狀和經濟承受能力，設計采用有線通信和無線通信相結合的方式，建設覆蓋全線的信息通信網絡。具體設計方案為：

    (1)  調度中心與監控站之間使用無線（無線擴頻）為主，有線（PSTN）為輔的通信方式，滿足數據傳輸工作；
    (2)  調度中心與各遠程終端之間通過監控站轉發功能進行數據傳輸工作；
    (3)  遠程終端與監控站通過微波擴頻進行測控、監視數據的傳輸控制；
    (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；數據傳感設備與智能終端設備之間的接口為RS-485，若有線系統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具體的監控項目，采用多種方式靈活接入，如單片機系統、PLC系統以及現場總線系統，只要提供相應的通信接口即可實現與監控中心的通信。在設計中，考慮到鐵路各供水站點分布較廣，而每個站點需要監控的設備不是很多，故智能終端采用單片機系統來實現。單片機系統的硬件電路設計分為單片機最小系統（包括主CPU、鍵盤和顯示接口電路，如圖2所示）、數據采集電路、輸出控制電路和掉電保護電路和通信電路。

圖2  終端機系統結構

    (1)  數據采集電路和輸出控制電路
    供水系統需要采集的數據分為電量、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據采集，多功能電表采集電量數據后，傳遞RS485信號，通過保護電路傳遞到電平轉換器MAX485芯片，將智能電表傳送的三相電壓、三相電流、電度量數據轉化為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據的采集和模數轉換器完成模擬量和數字量的轉換，再將采集的數據給CPU處理。開關量信號是指電機運行狀態，站點泵房有無人狀態等參數，開關量的采集通過擴展的串行口即8255芯片來實現。
輸出控制電路完成現場多個電機的開、停控制，通過8255的PC口經ULN2803與外部的繼電器連接，控制電機實現了弱電控制強電。

    (2)  掉電保護電路
    當電源線路出現故障，造成斷電，RAM中的所有數據將丟失，包括一些重要數據，如井水位、電壓、電流等參數的上下限值，而這些數據對系統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，將重要數據及時保存在E2PROM中，上電復位后，通過程序將重要參數讀入RAM中。當系統需要對各模擬量數據的上下限參數進行修改時，也要同時對E2PROM進行修改，設計中選用支持I2C總線傳送協議的E2PROM芯片24LC32實現。

5  系統軟件設計[4]

5.1  監控主機軟件設計

圖3 （監控站微機）系統監控運行示例

    對于監控主機軟件，筆者采用北京亞控公司組態王進行二次開發， Kingview 的設備驅動程序能方便與現場控制設備通訊，Kingview串口類邏輯設備是其內嵌的，串口驅動程序的邏輯名稱，對應著與計算機串口相連的實際設備，以DLL的形式供Kingview調用。 Kingview通過“設備配置向導”配置工控機與終端機（單片機系統）的通訊。該系統的軟件采用模塊化結構，具有與國際流行機型良好的兼容性，易于擴展和開發應用。主要模塊和功能有：

    (1)  數據庫系統的設計，數據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，它不斷用現場數據或人工設置，計算并更新數據庫的內容，同時向報警、顯示、打印報表、歷史趨勢等系統提供實時數據；
    (2)  圖形編輯，生成各種過程控制或調度監視圖形；
    (3)  數據趨勢，根據歷史數據文件，把過程點隨時間的變化趨勢顯示出來（圖3 為供水系統1#井歷史趨勢界面）；
    (4)  歷史數據，凡是在實時數據庫中定義保留的過程點，系統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，管理主機與監控站的通信、實現通道掃描、數據接受、發送、出錯校驗及控制等；
    (7)  圖形顯示，系統采用大型彩色CRT 主要顯示實時特征的各個工藝環節的流程圖。

5.2  終端機軟件設計
終端機軟件結構如圖4所示。

圖4  終端機系統軟件結構