（机械电子工程专业论文）基于delphi的车辆防溜远程监控系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页手两芰铁路站场停留车辆的防溜作业关系到铁路安全运输生产。随着铁路中间站编组作业量的增大，对车辆防溜工作自动化的要求越来越高。本论文在原有峰尾自动防溜装置技术的基础上，研究开发满足中间站技术要求的智能防溜系统。为了与车站已有的股道联锁6 5 0 2 电气集中系统融为一体，应用车站现有联锁控制系统将防溜设备作为安全设备进行智能闭环控制。车站信号联锁的控制指令通过光电隔离引入到防溜控制系统中，由控制系统中的p l c ( 逻辑控制单元) 根据控制指令和现场传感信号决定防溜装置的动作；防溜装置动作情况反馈到运转室防溜监控上位机进行图形显示，并以声、灯光方式提醒车站值班人员注意防溜设备的状态以及执行情况；同时与6 5 0 2 电气集中系统构成进路联锁，确保驶入、停留、驶出车辆的安全。针对以上情况，结合新型防溜装置的特点和中间站智能防溜监控系统的要求，本论文基于w i n d o w s 平台，利用d e l p h i 语言开发防溜远程监控系统软件，主要完成以下几方面内容：1 车辆防溜监控系统方案的确定；2 上位监控计算机和p l c 之间远程通信方案及通信协议的制定；3 上位机监控数据库系统及其管理系统的开发；4 上位监控计算机操作界面的设计；5 车辆防溜监控系统与车站6 5 0 2 电气集中的结合。智能防溜监控系统在确保安全的基础上必能以较少的投资获得站场作业的较大安全作业效益，进而使铁路整体运输能力得到进一步提高。关键词站场；防溜器：监控；联锁；6 5 0 2 电气集中西南交通大学硕士研究生学位论文第f i 页a bs t r a c tt h ea n t ir u n n i n gf o rw a i t i n gv e h i c l e si nr a i l w a yy a r di sr e l a t e dt os a f et r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i o ni nt h er a i l r o a d i n c r e a s i n ga l o n gw i t hr e o r g a n i z a t i o nw o r kr e q u i r e m e n to ft h ei n t e r m e d i a t es t a t i o n ，a u t o m a t e dr e q u e s tf o rv e h i c l e sa n t ir u n n i n gh a sb e e ng e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h eo r i g i n a la u t o m a t i o no fa n t ir u n n i n gd e v i c ei nm a r s h a l l i n gy a r d ，i td e s i g n sa n dd e v e l o p st h ea u t o m a t i o no fa n t ir u n n i n gs y s t e ms a t i s f i e dt h er e q u e s to ft h ei n t e r m e d i a t es t a t i o n i no r d e rt ob ei n t e g r a t e dw i t ht h es t a t i o ne x i s t i n gs t o c kr o a di n t e r c o n n e c t i o n6 50 2a l l e l e c t r i ci n t e r l o c k i n gs y s t e m ，i ta p p l i e st h ee x i s t i n gs t a t i o ni n t e r l o c k i n gc o n t r o ls y s t e mt oi n t e l l i g e n tc l o s e d l o o pc o n t r o lo ft h ea n t i - s l i d i n gd e v i c ea sas a f e t ye q u i p m e n tt h ec o n t r o lc o m m a n do fs t a t i o ns i g n a li n t e r c o n n e c t i o ni si n t r o d u c e di n t ot h ec o n t r o la n t ir u n n i n gs y s t e mt h r o u g ht h ee l e c t r o - o p t i c a li s o l a t i o n ，t h em o v e m e n to fa n t ir u n n i n gd e v i c ed e p e n d so nt h ec o n t r o lc o m m a n da n dt h es c e n es e n s i n gs i g n a lw h i c hi sd o m i n a t e db yt h ep l co fc o n t r o ls y s t e m t h em o v e m e n ts i t u a t i o no fa n t ir u n n i n gd e v i c ef e e d sb a c kt ot h em o n i t o r i n gs u p e r i o rm a c h i n ei nt h ea n t ir u n n i n gr e v o l u t i o nr o o mf o rt h eg r a p h i c a ld i s p l a y , a n dr e m i n d st h es t a t i o na t t e n d a n t st op a ya t t e n t i o nt h ea n t ir u n n i n ge q u i p m e n t sc o n d i t i o na n dt h eo p e r a t i o n a lp r a c t i c eb yt h es o u n da n dt h el i g h tw a y , m e a n w h i l ec o n s t i t u t e sr o u t ei n t e r l o c k i n gw i t h6 5 0 2a l l e l e c t r i ci n t e r l o c k i n gs y s t e mt og u a r a n t e et h ev e h i c l e s s e c u r i t yo fd r i v i n gi n t o ，t h ep a u s ea n dd r i v i n go u t i nv i e wo ft h ea b o v es i t u a t i o n ，c o m b i n a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h en e wa n t ir u n n i n gd e v i c e sa n dt h er e q u e s to fa n t ir u n n i n gi n t e l l i g e n ts u p e r v i s o r ys y s t e mi ni n t e r m e d i a t es t a t i o n ，t h ep a p e rd e v e l o p st h es o f t w a r eo fa n t ir u n n i n gl o n g d i s t a n c es u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e do nt h ew i n d o w sp l a t f o r ma n du s i n gt h ed e l p h il a n g u a g e ，m a i n l yc o m p l e t e st h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c tc o n t e n t ；i t h ed e t e r m i n a t i o no ft h ea n t ir u n n i n gv e h i c l e ss u p e r v i s o r ys y s t e m sp l a n 2 t h ee s t a b l i s h m e n to fl o n g d i s t a n c ec o r r e s p o n d e n c ep l a na n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e ns u p e r i o rm o n i t o r i n gc o m p u t e ra n dp l c 3 t h ed e v e l o p m e n to fs u p e r i o rm a c h i n em o n i t o r i n gd a t a b a s es y s t e ma n dm a n a g e m e n ts y s t e m 4 t h ed e s i g no fs u p e r i o rm o n i t o r i n gc o m p u t e ro p e r a t i o nc o n t a c ts u r f a c e 5 t h em e r g e n c eo ft h ea n t ir u n n i n gv e h i c l e ss u p e r v i s o r ys y s t e ma n dt h e西南交通大学硕士研究生学位论文第f fi 页s t a t i o n6 5 0 2a l l e l e c t r i ci n t e r l o c k i n g t h ea n t ir u n n i n gi n t e l l i g e n ts u p e r v i s o r ys y s t e mi nt h es a f ef o u n d a t i o nm u s tb e a b l et oo b t a i nt h eb i gs e c u r i t yw o r kb e n e f i tb yt h ef e wi n v e s t m e n t si nt h es t a t i o ny a r d ，t h e ne n a b l e st h er a i l r o a dw h o l et r a n s p o r tc a p a c i t yt oh a v ef u r t h e re n h a n c e m e n t k e yw o r d sr a i l w a yy a r d ；a n t ir u n n i n gd e v i c e ；s u p e r v i s o r y ；i n t e r l o c k i n g ；6 5 0 2a l l e l e c t r i ci n t e r l o c k i n gs y s t e m西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 保密口，在年解密后适用本授权书；2 不保密留，使用本授权书。( 请在以上方框内打“)学位论文作者签名：王慈霞日期：叫时j指导老师签名：日期：邮漆弘| o 【弓西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：本论文结合新型防溜器的特点，上位机通过该开发软件对车辆防溜控制系统中的p l c 进行管理与监控，由p l c 完成对现场设备的控制及数据采集、处理，最终构成集中管理、分散控制的自动化控制系统。此系统能良好的与6 5 0 2 电气集中联锁系统进行信号传递。1 基于w i n d o w s 平台上基于d e l p h i 开发了中间站智能防溜监控系统软件可以通过串口将p l c 在到发场的现场实时采集、处理的信号直观地显示到控制室的计算机上，为工作人员提供良好的人机界面，使操作更加简单方便。2 上位机通过光纤作为传输介质与防溜现场底层设备控制系统进行通信，并在光纤网络中使用了o l m ( s i e m e n s 光纤连接器) ，将整个光纤网络构成了一个环网提高了网络的实时性，同时也保证了光纤网络的可靠性。3 通过数据库对系统中的各种设备和管理对象进行统一管理，并对操作时产生的大量信息进行储存。此系统还具有数据库备份功能。4 此系统的防溜设备动作表示情况反映到控制室防溜监控计算机上，以声音或灯光方式提醒车站值班人员防溜设备的状态以及动作执行情况。5 此系统能够从属于6 5 0 2 联锁系统，并设计有6 5 0 2 联锁系统相关界面。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：五蕉雷日期：户以弓j西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页第1 章绪论1 1 铁路中间站车辆的防溜问题中间站约占全路车站总数的9 0 以上，中间站虽小，但数量多，每个站都关铁路安全这个大局。中间站作为运输生产的基层单位，是实现铁路运输安全的基石。随着中间站改编作业量增大，特别是随着滚动轴承车辆不断增多，中间站车辆溜逸事故的概率也随之上升。并且在现有的站场条件下，一般采用铁鞋防溜的人工作业方式，铁鞋制动员不论白天黑夜还是刮风、下雨、下雪，在股道间来回奔跑往钢轨上安放铁鞋，作业条件非常困难。如此高强度劳动，容易引起工人疲劳和疏忽，导致工作质量下降，引起事故发生。铁路站场时有此类事故发生，溜逸车辆或导致道岔挤坏，或导致车辆脱轨，或导致溜逸车辆与其他机车车辆发生相撞造成铁路重大安全事故，带来极大的经济损失。铁鞋防溜，不仅耗时费力，而且容易发生忘上、漏撤铁鞋或上鞋不当等现象，同时人身和作业安全也得不到保障。编尾这种传统的制动停车方式还显得效率低、技术落后，而且还直接制约编组作业整体效率的进一步提高。因此，在站场选用合理的防溜系统，有着重要意义。车辆溜逸的原因：( 1 ) 由于我国地势西高东低，大部分铁路中间站站线，都存在一定的坡度。( 2 ) 近年来，货车滚动轴承化，车辆起动阻力减小。若车辆在站内停留，采取防溜措施不当，只要有一定外力作用( 风、邻线过车震动、外力碰撞) ，车辆就会发生溜逸。( 3 ) 铁路机车车辆连挂时，若调车员未将车钩提开，车钩碰撞以后，也可能造成车辆的溜逸。1 2 国内外中间站防溜系统的发展概况目前许多车辆及车列在中间站停留后采用铁鞋防溜的落后作业模式。在防溜作业时，铁鞋携带不便，且极易丢失，若停放车辆失去铁鞋的限制，将可能造成车辆溜逸；在调车作业时，如果调车人员稍有疏忽，挂车或发车时，未及西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页ei im lm mi,i !i , , 皇曼曼曼曼曼璺曼皇曼曼曼曼曼曼皇时取下铁鞋，将造成带鞋开车，容易擦伤车轮、挤坏道岔，甚至车辆脱线，造成事故。为了改变这种落后状况，铁道部提出了到2 0 0 0 年全路实现甩掉铁鞋的目标。为配合全路编组站技术改造的需要，我国的铁路技术人员先后开发了几种先进和实用停车器或车辆防溜器以实现全路实现甩掉铁鞋的目标。例如：北京铁路分局丰台西机务段研制和应用的t f l 一2 型车辆防溜器，具有制动力大，防溜牵制力大，安全可靠的优点，但同样还存在着在缓解状态下，制动轨位置较高，制动轨距车轮较近的问题。郑州铁路局郑州北车站研制和应用的y t 一2 型液压可控停车器，停车器的结构微型化，采用液压自控，具有耗能少，制动力大的优点，但存在着缓解状态时，残余阻力对牵出转线车列第一个台车所造成的摩擦力和磨损的问题。在中间站的一些到发线上应用停车顶对车辆防溜，但是仍然有控制比较简单的缺点。k n o r r b r e m s ea g 与德国铁路( d b ) 密切合作，研制出了一种很有希望的基于微处理器的防滑器m g s1 。上述情况表明，我国铁路在改变铁鞋防溜作业的落后方式上进行着不懈的努力和尝试，取得了良好的开端。已开发出的各种防溜装置各具特色，在站场起到了有效的车辆防溜作用。但是这些装置还存在着这样或那样的不足，有的还处于试用考核阶段，在防溜的功能上还缺乏统一性和规范性，自动化程度还有待于进一步提高，这给在全路进一步推广使用带来一定的困难。因此，建立一个完整的、规范化的、通用型的铁路车辆智能防溜系统是非常必要的，这正是本论文研究工作的出发点。1 3 课题研究的主要目标针对中间站车辆防溜工作的重要性和自动化程度不高的现状，我们在原有峰尾自动防溜装置技术的基础上，研究开发满足中间站技术要求的智能防溜系统。本系统将基于w i n d o w s 平台，利用d e l p h i 开发防溜远程监控系统软件。为了与车站已有的股道联锁电气集中系统融为一体，运用车站现有联锁控制系统将防溜设备作为安全设备进行智能闭环控制。车站信号联锁的控制指令通过光电隔离单向引入到防溜控制系统中，由控制系统中的p l c ( 逻辑控制单元) 根据控制指令和现场传感信号决定机械执行机构的动作。防溜设备动作情况反映到运转室防溜监控面板，以声音或灯光方式提醒车站值班人员注意防溜设备的状态以及动作执行情况。西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页第2 章智能防溜系统方案设计2 1 智能防溜的要求本设计开发的站场智能防溜控制系统主要完成对整个站场各股道防溜器的监控，确保车辆的防溜安全，同时系统的防溜信号还要求与原站场信号有联锁关系。因此，本系统应充分考虑在站场车辆防溜作业的技术要求，进行远程监控、数据管理，方便工作人员在行车室内实时监控到发线现场的防溜器状态并与车站6 5 0 2 电气集中联锁的情况，利于站场车辆统一控制管理。根据实际情况，大中型中间站控制室距离到发线较远，其间轨道电路较多，电磁干扰性强。为保证通信的可靠性，实现远程通信，重点是通信协议的制定和通信介质的选用。为防范控制系统( 联锁设备) 意外失效或控制信号失真时后，防溜器出现失控导致错误运行从而引发严重事故。控制系统的安全性、可靠性、容错性是系统要求的重点。为进一步提高控制系统可靠性，控制系统还应采用冗余技术。2 2 智能防溜系统介绍本防溜智能系统是基于工业以太网，计算机作为上位机监控车辆防溜情况，p l c 设备作为下位机控制防溜器的动作状态，此系统将作为站场6 5 0 2 电气集中联锁系统的子系统，并且有联锁关系。2 2 1 车辆防溜器机械原理我们所研制的车辆防溜器借鉴了已有的编组站峰尾制停防溜装置的设计，但是又结合站场到发线的防溜功能要求，是采用电机驱动的机电装置，与采用液压和气压驱动的防溜器相比具有防溜性能好、工作可靠、维护周期加长的特点。车辆防溜器的常位是缓解位，这一点与常位是制动位的峰尾停车器有很大的不同。智能防溜系统融入车站6 5 0 2 电气集中联锁系统，车辆的进、出站受控西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页于6 5 0 2 系统。当车辆要进站出站时，检测防溜器是否处于缓解位，保证车辆顺利进站出站。当待停车辆进入车站，通过在轨道上的位置传感器判断车辆是否停稳，如果停稳才可以进行制动操作。车辆防溜器在制动与缓解操作时，制动轨采取升降方式。当处于制动位时制动轨升起，使制动轨与车轮侧面接触面积增大，并紧压车轮侧面以保证轮轨之问有足够大的摩擦力，防止车辆溜逸。当进行缓解操作时，制动轨下降，并且限制其高度，以免影响车辆在轨道上正常运行。此防溜设备还有备有手柄操作，因停电或自动控制系统发生故障，可咀满足转入就地手动操作要求。制动轨的升降是通过电机的正反转来完成的。防溜器结构如图2 1 所示。图2 ，】肪溜器结构图2 22 防溜器和传感器的布置根据站场到发线防溜控制功能的要求及现场环境的特点，我们选用西门子公司的s 7 - 3 0 0c p u 3 15 2 d pp l c 作为现场监控设备。到发线现场如何合理地布置防溜器与传感器，关系到车辆防溜的可靠性和股道有效长度的合理利用。图2 - 2 所示为单股道上的防溜器与传感器的布局。：竺二害。髦王7 。z 竺二乏兰一二葛一0逸陋瞳t图2 - 2 防溜器和传感器在股道上的布置陶西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页兰l：i i ii ii l li 量曼皇曼孽曼曼曼曼防溜器制动车辆时车辆停靠的位置如图2 3 所示。防溜器l 夹紧前车辆的前转向架下的2 个轮对，防溜器2 是夹紧相邻两个车辆的前一后转向架下的2 对轮对，防溜器3 是用于夹紧后车辆后面转向架下的2 个轮对。防溜器l 、防溜器2 、防溜器3 长度不等，依次增加。防溜器l防溜器2防溜器3图2 3 防溜器和位置传感器在股道上的布置图2 3 智能防溜监控系统结构和功能2 3 1 智能防溜监控系统功能设计作为站场6 5 0 2 电气集中联锁系统的一个子系统，智能防溜监控系统既要保证自己防溜作业的可靠性、稳定性，以及监控操作和维护的方便性，并且还应保证融入6 5 0 2 电气集中以后原系统的可靠性、稳定性。因此以p c 机及运行在其平台上的软件及通信协议构成的信息处理层和以现场设备及控制器互联形成的控制层是不可缺少的。智能防溜监控系统是包括行车室的工业p c 机还有控制系统中的p l c ( 逻辑控制单元) 。本系统采用的是西门子公司的s 7 3 0 0 系列p l c ( 可编程逻辑控制器) ，应用工业以太网实现p l c 与上位机之间的数据交换。工业以太网是为工业应用而专门设计的，它是一种遵循i e e e 8 0 2 3 国际准别的开放式、多供应商、高性能的区域和单元级网络。工业以太网将自动化系统相互连接，而且还将自动化系统连接到p c 和工作站，能以高达10 0 m b i t s 的速度实现广泛的、开放的网络连接。工业以太网的联网功能很强，可以能够连接不同应用区域，还有特殊的抗干扰性。2 3 2 智能防溜监控系统结构设计整个上位监控系统在硬件配置上为两台s i e m e n s 高性能工控机。工控西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页机的配置为p 4 处理器，3 g 内存，8 0 g 硬盘，光驱，2 5 6 m 显卡。配置p h l i p s2 l 寸纯平彩色显示器。配置一台a 3 激光打印机( 用于报表打印) 、台喷墨打印机( 用于报警打印) 。厂i一】。眚蠢竺“”。耆京卦型工业丝盘吐c p b 4 31 诵信处理g 摸扶画画画画画。到发线圈2 + 4 智能防溜监控系统结壮j 设计酗智能防溜监控系统结果如图2 4 所示，整个上位监控系统有一个控制室。在控制室中，两台工控机向下通过安装在其中的s i e m e n sc p l6 13 工业咀太网卡连接到光纤网络中的o l m ( s i e m e n s 光纤连接器) 上。利用o l m 来实现冗余网络结构，把其中一个链接工控机的o l m 的5 号口设置成冗余模式，则连接该5 号的一段光纤即为冗余连接。两个工控机连接就形成了一个冗余结构，无论其中任何一个网卡，工控机出现故障，都不会影响到操作系统的正常使用，从而提高了系统运行的可靠性和安全性。在光纤网络中使用了o l m ( s i e m e n s 光纤连接器) ，将整个光纤网络构成了一个环网。与总线型网络相比，环阿提高了网络的实时性，当其中一个o l m 发生故障或网线不通时，系统仍然可以保持数据交换只是该o l m连接的设备受到故障影响而无法接受数据。这样也在物理上保证了光纤网络的可靠性。结合新型防溜器的特点，利用可编程逻辑控制器( p l c ) 和工业以太网络系统构成智能防溜控制系统，并且基于w i n d o w s 平台，利用d e l p h i 开发上位机远程监控软件。d e l p h i 是b o r l a n d 公司开发的可视化编程环境，它提供了方便、快速及高效率的w 1 n d o w s 应用程序开发工具，它将面向对象的语言功能和方便的可视化开发环境紧密地结合在一起，并且具有强大的数据库处理功能以及网络等方面的优势。上位机通过该软件对系统中的p l c 进行管理与监控，由p l c 完成对现场设备的控制及数据采集、处理，昂终构成集控制室月机3c6e冲ii e 十西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页中管理、分散控制的自动化控制系统。此系统能良好的与6 5 0 2 电气集中联锁系统进行信号传递。每一个p l c 作为一个节点控制三个防溜器，如图2 5所示。图2 5s 7 3 0 0p l c 控制结构框图2 4 上位机在智能防溜监控系统中的功能本系统上位机监控软件采用基于w i n d o w s 平台的面向对象的高级语言d e l p h i 编写。本软件安装在车站控制室内的计算机上，并且通过工业以太网络实现上位机与p l c 之间的通信，监控各到发线以及到发线上各个防溜器的状态和车辆状态，并且对该系统操作时产生的大量数据进行存储与管理，从而实现对整个中间站车辆防溜作业的监控与管理。该软件功能如图2 - 6 所示。系统分四大部分，操作员管理是为管理操作人员的个人信息，防溜器管理是为主要监控界面，并包括了防溜器设置和端口设置。查询管理是可以信息的查询打印操作，系统维护是对数据备份恢复操作。图2 6 智能防溜监控系统功能框图西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页| ：i=：_i li ii , i 一i i ii 曼第3 章通信技术应用3 1 通信系统模型通信传输的消息是多种多样的，可以是符号、文字、数据、语音、图像、视频等等。各种不同的消息可以分成两大类：一类是数字消息，另一类是模拟消息。离散消息是指消息的状态是可数型的或离散型的，比如符号、文字、数据等。离散消息也称为数字消息。而连续消息是其状态连续变化的消息，如连续变化的语音、图像、视频等。连续信息也称为模拟消息。为了传递消息，各种消息需要转换成电信号，消息与电信号之间必须建立单的对应关系。通信是利用电信号通过某种传输介质把消息从一个设备传送到另一个设备的过程，通信系统必须能将信息正确、及时地送达正确的目的地。信号按其随消息变化的参数的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号。相对应地，通信也分为模拟通信和数字通信两大类。实际上，基本的点对点通信，均是把发送端的消息传递到接收端。因而这两类通信系统都可由图3 1 中的通信系统模型加以概括。在图3 1 中，信息源( 也称发终端) 的作用是把各种可能消息转换成原始的电信号。为了使这个原始信号适合在信道中传输，由发送设备对原始信号完成某种变换，然后再送入信道。信道是指信号传输的通道。在接收端，接收设备的功能与发送设备的功能相反，它能从接收信号中恢复出相应的原始信号，而受信者( 也称信息宿或收终端) 是将复原的原始信号转换成相应的消息。图3 1 中的噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。该模型概括地反映了通信系统的共性。在通信系统中，信道是关键的环节，它是传递信号的通路( 也称传输介质) 。它的选择直接关系到传输的可靠性、稳定性。防溜器远程监控系统中进行通信的双方是中间站控制室内的上位机和到发线上的下位机p l c ，他们之间为双向通信，互为信息源和收信者。本系统中远程数据通信方案的选择主要是根据应用什么网络结构和传输介质使数据在上下位机间可靠稳定的传输，从各种通信方式、传输介质、接口标准、网络等几方面进行着比较，从而确定最优通信方案。西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页i 堡呈翌l i 兰兰堡兰j l 堡兰i l 苎些兰兰i i 至竺兰lr 1r 1r 。o 。、r 。1 ，。_ - i _ l - 1发送端噪声源l接收端图3 1 通信系统的模型3 2 数据通信方式选择在计算机内设备部件之间，以及计算机与计算机之间进行通信时，根据一次传输数据的多少可将数据传输方式分为并行传输和串行传输。采用并行传输方式时，多个数据位同时在通信设备间的多条通道上传输，并且每个数据位都有自己专用的传输通道。这种传输方式的数据传输速率相对较快，适于在近距离数据传输中使用。若在远距离传输和采用这种方式，则需要支出较高的费用。采用串行传输方式时，数据将按照顺序一位一位地在通信设备之间的一条通道上传输。由于设备内部往往以并行方式传输数据，所以在数据传至传输线路之前需先被送入发送端的并串行转换器，通过这个转换器，数据将逐位传至线路上。而在数据到达目的地时，数据则需先进入接收端的串并行转换器实现逆转换过程，使数据传输从串行方式转换成并行方式。由于这种方式只需一个传输通道，因而它具有简单经济、易于实现的特点。与并行传输相比，它在远距离转输和位数较多的情况下具备更为明显的优势。然而数据传输速率较低却是这种方式的不足之处。根据数据在通信线路上的传输方向及其与时间的关系，串行数据通信可分为三种方式：单工方式、半双工方式和全双工方式。单工方式只允许数据始终在一个固定方向上传输。例如对于站点a 、b ，只有a 能够向传输线路上发送数据，而b 却只能从线路上接收数据。也就是说，在这种方式下数据的流向只能是从a 到b ，而不能是从b 到a 。半双工方式允许数据在两个方向上传输，但在某一时刻数据只被允许在一个方向上传输。采用半双工方式时，数据可以由a 传向b ，也可由b 传向a 。从这个角度来讲，这种方式似乎是双向工作方式，但由于a ，b 之间只有一个传输通道，所以信号只能分时传送。换言之，在某一时刻只能进行一种传输，而不能进行双向传输，故将其称为半双工方式。在这种工作下，或者a 发送数据，由b 进行接收；或者b 发送数据，由a 进行接收。当不工作时，令a ，b 均处于接收方式，以便随时响应对方的呼叫。虽然半双工方式比单工方式灵活，但其效率依然较低，这是因为发送方西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍量曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍i ii i；一一i i ii i 曼曼皇式和接收方式之间的切换将花费一定的时间，大约需要数毫秒。重复线路切换又将引起相当可观的延迟积累。而采用半双工方式时，同一时刻只能工作在一种方式下的特点正是该方式效率不高的根本原因。解决的方法就是增加一条传输通道，允许数据同时在两个方向上传输，这种方式就是全双工方式。站点a 、b 均可以同时接收数据和发送数据。正是因为在全双工方式下存在着两条传输通道，所以不再通过开关切换便可实现双向传输从而提高了传输速率。值得一提的是，虽然全双工与半双工相比其信号传输速率有很大的提高，但是这是以增加一条传输通道为代价的，因而系统的成本也将增加。于是在实际应用中，特别是在异步通信中，大多数情况是采用半双工方式。虽然这样的系统发送效率相对较低，但线路简单、实用。在串行传输过程中，数据是一位一位依次传输的，而每位数据的发送和接收均需要时钟脉冲的控制。发送端通过发送时钟确定数据位的起始和结束。而接收端为了能正确识别数据，则需要以适当的时间间隔在适当的时刻对数据流进行采样。也就是说，接收端与发送端必须保持步调一致，否则将会出现漂移现象，最终使数据传输出现差错。但要使两个独立的时钟保持同步实在不是一件易事。目前经常采用两种方法解决这一问题：异步传输和同步传输。在异步传输方式中，字符是数据传输单位。当采用这种方式传输数据时，字符既可以一个个地连续发送，也可以随机地进行单独发送，因此接收端无法通过记时方式对字符传输的起始时刻加以预测。可是在这种传输方式下一个字符的传输一旦开始，那么组成这个字符的各个数据位将被连续发送，并且每个数据位所持续的时间是相等的。接收端可以根据这个特点对数据发送端保持同步，以便正确恢复数据。也就是说，在异步传输过程中发送端和接收端在数据位这个级别上仍是保持同步的，而在字符这个级别收发双方则不必进行同步。在同步传输方式中，数据被封装成更大的传输单位帧。每个帧中含有多个字符代码，然而字符代码与字符代码之间没有间隙以及起始位和停止位。然而数据传输单位的加长容易积累时钟误差，最终引起时钟漂移。为了保证接收端能正确区分数据流中的每个数据体，收发双方必须通过某种方法建立起同步的时钟。为此，即可以在发送端和接收端之间设置专门传输时钟脉冲的线路，也可以通过采用嵌有时钟信息的数据编码为接收端提供同步信息。西南交通大学硕士研究生学位论文第”页3 3 $ 7 - 3 0 0p l c 通信与网络网络是随着计算机技术的发展而发展起来的技术。随着计算机应用范围的扩大，为了使得计算机能够在更加广大的区域内对大量的信息进行收集、交换、加工、处理、传输，人们发展了网络通信技术，即通过网络为计算机或外部( 终端) 设备提供数据交换的信号通路，实现了计算机与终端设备问的数据交换。p l c 的网络技术实质上是计算机网络技术在工业控制领域的应用。系统硬件一般为3 4 层，p l c 网络系统从信息管理的角度可少分为4 个层次，如图3 2 “金字塔”型结构。 控3 3 1 设备内部网图3 - 2p l c 网络“金字塔”结构d p设备内部网为p l c 网络系统的最底层。这是一种直接与设备中执行元件、检测元件( 通常为开关量输入输出) 进行连接的网络系统。因此，本层常称i 0连接层( i 0l i n k ) 。设备内部网可以将远离p l c 但又相对集中的各种执行元件、检测元件，通过专用的连接器进行汇总，并且通过总线( 一般为2 芯电缆) 与p l c 上的接口模块相连接，并实现对i 0 的控制。西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页3 3 2 现场总线网现场总线( f i e l db u s ) 按照标准的定义是：连接“安装在设备或过程控制现场的控制装置”与“控制室内的自动控制装置”，进行数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线网是通过现场总线，进行p l c 、控制装置、驱动设备互连的网络系统，网络层中既含p l c 连接又含i o 连接。现场总线网可以用开放、可扩展的、全数字的双向多变量通信与高速、高可靠性的应答，代替传统的设备间所需要的复杂连线，或代替变送器、调节器、记录仪等的模拟量信号，从而使得p l c的使用范围更广，扩展性更好。目前，p l c 现场总线的形式多样、标准不统一，s 7 系列p l c 采用p r o f i b u s d p ，其通信速度一般可以达到1 0 m b i t s 。3 3 3p l c 控制网p l c 控制网是指连接生产车间内各种p l c 上位控制机的网络系统。网络通过采用高速通信与大容量的连接元件，可以将车间的各p l c 有机的连接在一起，并且进行控制设备之间的实时数据传送。p l c 控制网通常需要专用协议进行通行，通行速度一般可以达到2 5 m b i t s 。在可靠性要求高的场所，还可以采用“冗余”系统。在部分p l c 系统中，本层有时也称为p l c 链接层( p l cl i n k ) 。3 3 4 工业信息网工厂信息网( 层) 一般为p l c 网络系统的最高层，通常采用开放型的e t h e r n e t ( 工业以太网) 局域网。工厂信息网传送的是工厂的生产管理信息，它可以对工厂各生产现场的数据进行收集、整理，并对生产进行统一的管理与调度。工厂信息通常采用高速网( 如以太网) ，速度可以达到1 0 0 m b i t s 。通过网络支持软件，可以方便地与p l c 进行通信；通过编程软件也可以监控p l c的工作状态。在部分p l c 系统中，本层有时也称为上位机链接层( h o s tl i n k ) 。西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页量曼曼曼曼曼蔓曼量曼曼曼曼曼! 曼曼皇! 鼍曼曼曼鼍舅皇曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼舅曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼-i _i l li i ! 曼量皇曼曼! 皇3 3 5 智能防溜监控通信网在控制室中的上位机要与到发线中的p l c 通信，对到发线的防溜器状态、车辆位置信息采集，并对其状态做出相应的命令操作。根据中间站的实际要求，需要高的传输速率，上位机通过网络能方便地与p l c 进行通信，通过d e l p h i 编程软件监控p l c 的工作状态。所以应选用p l c 网络结构中的最高层工厂信息网，由工业以太网构成。工业以大网( i n d u s t r i a le t h e r n e t ) 是一种开放式的工厂信息管理局域网( l a n ) ，它是p l c 网络系统的最高层，本层有时也称为上位机链接层( h o s tl i n k ) 。使用以太网，有以下重要特点：1 ) 启动快速，因为简化了网络连接方法。2 ) 灵活性大，因为现有设备可以不受影响的随时扩展。3 ) 可靠性高，因为采用了冗余的网络拓扑结构。4 ) 无限的通信性能，因为使用交换技术可根据用户需求提供可伸缩的性能。5 ) 覆盖极为广泛的企业应用，可从办公室到生产现场。6 ) 在整个公司范围实现通信，因为以太网可连接到广域网，如综合服务数字网或因特网。7 ) 投资可靠，因为该系统正不断得到进一步开放，而且完全向下兼容。3 4 通信网络介质传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。西门子工业以太网因通信介质不同而分为三同轴网络、双绞线网络和光纤网络三大类。传输介质的特性对网络数据通信的质量有很大影响，所以选择合适的传输介质应该考虑如下这些特征：( 1 ) 物理特性：说明传输介质的特性。( 2 ) 传输特性：包括使用的信号类型是模拟信号还是数字信号，还包括调制技术、传输容量及传输频率范围等。( 3 ) 连通性：采用点到点连接还是多点连接。( 4 ) 地理范围：在不用中间设备并将失真限制在允许范围内的情况下，整个网络所允许的最大距离。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页( 5 ) 抗干扰性：防止噪声、电磁干扰对传输数据影响的能力。( 6 ) 相对价格：包括元件、安装和维护等价格。3 4 1 三同轴网络同轴电缆是由绕同一轴线的两个导体所组成，并广泛用于局域网中。为保持同轴电缆的正确电器特性，电缆必须接地，同时两头要有端接起来消弱信号的放射作用。几代同轴电缆用于数据传输，数据传输速率最高可达1o m b s ，最大距离限制在几公里以内。宽带电缆可用于模拟信号和数字信号传输，对于模拟信号带宽可达3 0 0 4 0 0 m h z ，最大距离可以达几十公里。抗干扰性比双绞线强。价格比双绞线贵，但是比光纤便宜。传统的三同轴网络已使用了十多年，它是以三同轴电缆作为传输介质，这些网络均为总线型结构，并且及其坚固耐用，这是因为它采用了无源设计和一致性接地系统。网络中各设备都共享10 m b i t s 带宽。三同轴网络内部也可以使用电气网络和光纤网络，使二者的优势互补。网络内部可以分为若干总线段，通过网络的分段，可以较好地改善网络性能，网段的最大链结距离为5 0 0 m 电气或l0 0 0 m 光纤，如果链接长度不足，可以通过中继器接入更多的网络。3 4 2 双绞线网络双绞线有螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。双绞线分为非屏蔽双绞线u t p f u n s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ) 和屏蔽双绞线s t p ( s h i e d e dt w i s t e d p a i r ) 。双绞线是铜质线芯，传导性能良好。它可用于传输模拟信号和数字信号，传输距离长时，需要中继器或放大器。对于模拟信号，可用多路复用技术把它分成2 4 路来传输音频模拟信号。目前的m o d e m 技术使用移相键控法p s k ，每路可达9 6 0 0 b s 以上。对于数字信号，使用t 1 线路总传输率可达1 5 4 4 m b s 。对于局域网，速率10 0 k b s ，可无中继器传输1k m ；速率10 10 0 m b s ，无中继器可传输10 0 m 。低频( 1o k h z 以下) 抗干扰性能强于同轴电缆，高频( 10 1o o k h z ) 抗干扰性能弱于同轴电缆。双绞线比同轴电缆和光纤便宜得多。双绞线网络是以双绞电缆作为基本传输介质，通过e l m 链接模块、电气交换机( e s m 或s c a l a n c e ) 与工业双绞线( i t p ) 等部件组成的工业以太网系统。西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页鼍量曼曼曼曼曼量暑_ 一i i ；i ；一iim m lm m l 舅曼曼曼曼鼍! 曼曼双绞线网络可以采用总线型、星型、环型拓扑结构，在组成环型网络时，电气交换机模块e s m 或s c a l a n c e 必须配置冗余功能。双绞线网络的传输速率为1 0 1 0 0 m b i t s ，网络使用电气链接模块( e l m ) 、电气交换机模块e s m进行链接。双绞线网络的连接距离与使用的传输介质有关。当使用s u b d 连接器与i t p 电缆时，网络最大连接距离为10 0 m ；当使用t p 双绞线时，网络的最大连接距离为5 0m ；当使用f ct p 缆时，最大连接距离为1 0 0 m 。3 4 3 光纤网络光纤有能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成。光纤具有宽带、数据传输率高、抗干扰能力强、传输距离远等优点。在计算机网络中均采用两根光纤组成传输系统。光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号，内部的全反射可以在任何折射指数高于包层介质折射指数的透明介质中进行。光纤的数据传输率可达g b s 级，传输距离达数十千米。可以在6 8 k i n的距离内不用中继器传输，因此光纤适合于在几个建筑物之间通过点对点的链路连接局域网。它不会受噪声或电磁影响，适宜在长距离内保持高数据传输率，而且能够提供良好的安全性。光纤目前价格比同轴电缆和双绞线都贵。光纤网络以光缆作为传输介质，通过m i n io t d e 光收发器、o l m 光纤链接模块、o s m 或s c a l a n c e 光纤交换机、a s g e 集线器与光缆等部件组成的工业以太网，其结构如图3 3 所示。图3 - 3光纤网络西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页光纤网络