（机械电子工程专业论文）中间站车辆防溜远程监控系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 近年来，随着铁路运输向着快捷、安全及高效的方向发展，对铁路作业的 自动化和安全性提出了更高的要求。中间站到发线车辆防溜作业是铁路安全作 业的重要一环，但是目前我国铁路主要沿用人工放置铁鞋进行防溜，这种传统落 后的作业方式效率低、劳动强度大、容易引发事故，将影响铁路安全运输、制 约铁路运能的提高。因此，在铁路作业自动化飞速发展的今天，到发线车辆防 溜作业的自动化势在必行。 针对中间站车辆防溜工作的重要性和防溜设备自动化程度不高的现状，本 论文结合新型防溜器的特点，开发了车辆防溜自动控制系统。该系统采用软、 硬件结合的方式，利用可编程逻辑控制器( p l c ) 和h o s tl i n k 网络系统构成车 辆防溜底层设备控制系统，并且在此基础上开发上位机远程监控软件。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，最终构成集中管理、分散控制的自动化控制系统。本论文主 要完成上位机远程监控软件部分的设计与开发。 本论文主要包括以下几个部分： 1 防溜集散监控系统方案的确定； 2 上位机与p l c 之间远程通信方案及通信协议的制定； 3 防溜系统数据库管理系统的开发。 该系统旨在实现中间站车辆防溜作业自动控制，对保证铁路作业安全，提 高作业效率，提高铁路整体运输能力，减轻人工作业强度和降低事故发生率均 具有重要意义。 关键词：到发场；防溜器；远程监控：h o s tl i n k ：光纤 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e r a ilt r a n s p o r td e v e l o p st o w a r d sf a s t e r ， s a f e r ，a n dm o r ee f f i c i e n t ，h i g h e rr e q u i r e m e n tf o rn u t o m a t i o na n ds e c u r i t y h a sb e e ns e to nt h er a il w a yt r a n s p o r t a t i o np r o c e s s b u tn o w ，i no u rc o u n t r y m o s t l yu s ei r o ns h o e st os t o pv e h i c l e sr u n n i n ga w a yo na r r i v a l - 。d e p a r t u r e t r a c k ，a l t h o u g ht h ea n t ir u n n i n gf o rv e h i c l e si sv e r yi m p o r t a n t t h i s a p p r o a c hh a sm a n ys h o r t c o m i n g s ，i t sh i g ha c c i d e n tr a t e ，l o we f f i c i e n c y ， g r e a tl a b o ri n t e n s i t ya n db e i n gs u s c e p t i b l et oa c c i d e n tc o n s t r a i n t st h e r a il w a y t r a n s p o r tc a p a c i t y t o d a y ，t h e a u t o m a t i o no fr a il w a y t r a n s p o r t a t i o ni si n c r e a s i n gi nah i g hs p e e d ，a c c o r d i n g l yt h ea u t o m a t i o n o fa n t ir u n n i n gs y s t e mf o rv e h i c l e si si m p e r a t i v e t h ea n t ir u n n i n go f v e h i c l e si sv e r yi m p o r t a n ti ni n t e r m e d i a t e s t a t i o n ，b u tt h ea u t o m a t i o nl e v e lo fa n t ir u n n i n gd e v i c e si s l o w i n v i e wo ft h i ss i t u a t i o n ，w ed e s i g na n dd e v e l o pt h ea u t o m a t i ca n t ir u n n i n g s y s t e mb a s e do nn e wa n t ir u n n i n gd e v i c e s t h es y s t e ma d o p t st h em e t h o d o fi n t e g r a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，i tc o n s i s t so ft w op a r t s ：( 1 ) t h e b o t t o mc o n t r o ls y s t e mf o ra n t ir u n n i n gd e v i c e s ，w h i c hi sm a d eu po fp l c a n dh o s tl i n kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；( 2 ) t h er e m o t em o n i t o r i n gs o f t w a r e w o r k e r sm o n i t o ra n dc o n t r o lt h ep l cb yt h er e m o t em o n i t o r i n gs o f t w a r e w h i c hi n s t a l l e do nh o s tp ci ns t a t i o nc o n t r o lr o o m ，p l cc o n t r o lt h ea n t i r u n n i n gd e v i c ea n da c q u i r ed a t af r o ma r r i v a l d e p a r t u r et r a c k ，e v e n t u a l l y e s t a b l i s hac e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dd e c e n t r a l i z e dc o n t r o la u t o m a t i o n s y s t e m t h i st h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t o f r e m o t em o n i t o r i n gs o f t w a r e t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h es e l e c t i o no ft h es c h e m e o fc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n d d e c e n t r a li z e dc o n t r o la u t o m a t i o ns y s t e mf o rs t o p p i n gv e h i c l e sr u n n i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 a w a y ： 2 t h ee s t a b l i s h m e n to fr e m o t ec o m m u n i c a t i o na n dc o r 蛐u n i c a t i o n p r o t o c o lb e t w e e nh o s tp ca n dp l c 3 t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mf o r a u t o m a t i ca n t ir u n n i n gs y s t e m t h ep u r p o s eo ft h i ss y s t e mi sr e a li z i n ga u t o m a t i cc o n t r o lo fs t o p p i n g v e h i c l e sr u n n i n ga w a y ，a n di th a sv e r y i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r e n s u r i n gt h eo p e r a t i o ns a f e t y ，i m p r o v i n go p e r a t i o ne f f i c i e n c y ，i m p r o v i n g c o m p r e h e n s i v er a i l w a yt r a n s p o r tc a p a c i t y ，r e d u c i n gl a b o ri n t e n s i t ya n d r e d u c i n ga c c i d e n t k e yw o r d s ：r e c e p tio n - d e p a r t u r ey a r d ：a n ti r u n nin gd e vic e ：r e m o t e m o n i t o r i n g ；h o s tl i n k ；o p t i c a lf i b e r 西南交通大学曲南父逋大罕 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 不保划，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 指导老师签名：，名砥1 f 九瘴l 日期：埘6 。7 西南交通大学学位论文创新性声明 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 何其他个人或集体己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。 本学位论文的主要创新点如下： 本论文结合新型防溜器的特点，利用可编程逻辑控制器( p l c ) 和h o s tl i n k 网络系统构成车辆防溜底层设备控制系统，并且在此基 础上开发上位机远程监控软件。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， 最终构成集中管理、分散控制的自动化控制系统。本系统有以下特点： 1 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，数据传输距离远、速度快，抗干扰性强。 2 防溜现场底层设备控制系统将到发场的现场信号实时采集、处 理，并上传至上位机；上位机显示屏直观地显示整个到发场的车辆防 溜作业情况，为工作人员提供良好的人机界面，使操作更加简单方便。 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。 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 中间站车辆防溜概述 车辆溜逸是指在中间站线路上停留的车辆、车组、车列，由于没有采取有效 的防溜措施，导致车辆在外力或自身重力作用下发生溜动而失去控制。溜逸的车 列或车辆一旦溜入正线，则会与高速行驶的列车发生冲突，造成重大行车事故。 中间站车辆溜逸在各类行车事故中占有相当大的比重，危害性极大。因此，应 正确认识中间站防溜工作的重要性，采取合理的防溜措施，以杜绝中间站车辆 溜逸事故。 中间站停留车辆溜逸的主要原因有以下几个方面： ( 1 ) 线路存在坡度，在坡道上停留的车辆，未采取有效防溜措施造成溜逸。 ( 2 ) 中间站管理不善，防溜器具丢失、损坏引造成辆溜逸。 ( 3 ) 自然环境恶劣、作业条件不良。遇到风沙较大、霜雪较多的恶劣环境造 成车辆溜逸。 ( 4 ) 作业人员在时间紧、任务重时忽略防溜，造成车辆溜逸。 1 2 中间站车辆防溜器及防溜系统发展现状 目前，我国多数中间站实现了作业过程的自动或半自动化控制，但到发线主 要沿用人工放置铁鞋对车辆进行制动、防溜。 铁鞋在我国已经使用多年，它结构简单、成本低廉、使用方便灵活、不需要 任何外部能源，完全靠人工作业。在很长一段时间内，我国中间站用于客货列 车的到发线、专用线都用铁鞋对停留车辆进行止轮防溜。同人工手闸相比，使 用铁鞋作业时，工人不需要随车爬上爬下，只需在地面用叉子上鞋，劳动强度 有所降低，作业安全程度有所提高，这无疑是一种进步。但是在使用铁鞋防溜 时还存在不少的缺陷和不足，如：用铁鞋进行防溜时，工作人员基本还是根 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 据停留车位置的远近而下鞋，距离远，遇到大组重车，有时需要连续下多只铁 鞋，劳动强度很大。而且在车辆编发、牵出前还要撤鞋，大大影响了工作效率。 铁鞋用于到发线停车防溜时，常因工作人员漏上鞋或上的鞋被碰掉而造成车 辆溜逸事故，在车列开车时，如果忘记撤掉铁鞋又可能造成挤岔等事故。另 外，使用铁鞋还会带来车轮擦伤，钢轨面磨耗加快和钢轨串动等弊病。这种传 统落后的作业方式效率低、劳动强度大、事故率高，制约着整个铁路运能的提 古 同。 目前，就编组站峰尾作业而言，由于车辆溜放制停的安全重要性，随着研究 力度的加大，国内已有多家单位研制出了多种型号的停车器，其驱动方式有风 压式、液压式和机械式等。有代表性的是沈阳铁路局吉林科技研究所研制出的 t t k - 9 2 型液压式峰尾可控停车器。随着计算机和信息技术的飞速发展，也相继 开发了如t b z k 、t x ：j k 、t w f j k 等多种型号的自动化驼峰控制系统，使得编组站 自动化的程度越来越高。 至于到发线，虽然在一些中间站的到发线上应用停车顶对车辆进行防溜， 也取得了一定的成果，但控制系统都还比较简单。通常采用继电器控制系统， 控制电路硬件接线很复杂，控制功能和检测信号均受到限制，系统拓展和改造 也十分不方便，防溜器系统的控制操作只能由工作人员进行现场控制，有时还 必须采取铁鞋制动等措施，自动化程度还不高。 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，研究开发了满足中间站技术要求的自动防溜 系统。 1 3 中间站车辆防溜设备 1 3 1 防溜器工作原理 防溜器和峰尾停车器基本结构和功能类似，正常工作时有两个工作位：制 动位和缓解位。二者的主要区别是：峰尾停车器的常位为制动位，保证驼峰 作业溜下的车辆能够制停；而车辆防溜器的常位为缓解位，保证车辆能够正常 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 进入股道；防溜器的制动轨可以升降，制动位时升起，以增大制动轨和车轮 之间的接触面积，增大摩擦力；缓解位时降下，限制其超高，以免影响车辆在 轨道上的正常运行。在制动位和缓解位之间切换采用电动机驱动方式，另有手 柄操作方式作为备用。当防溜器由于某种故障而不能正常动作时，该故障状态 可自动检测出来。防溜器结构如图卜1 所示。 图卜1 防溜器结构图 当车辆制停在轨道上后，就需要对其进行防溜作业，此时防溜器应置于制 动位。防溜器的支撑臂带动制动轨上升一定的高度，并且使两根制动轨的作用 面向两侧移动至压紧车轮内侧面，支承臂上的弹簧压缩，在弹簧力的作用下， 制动轨作用面与车轮内侧面产生足够大的摩擦力，达到车辆防溜的目的。 当到发线上停留的车辆需要牵引时，应先把防溜器置于缓解位，此时弹簧 复位，支撑臂带动制动轨下降，两根制动轨作用面之间的距离小于两车轮内侧 距，制动轨作用面离开车轮内侧面，摩擦力消失，使车辆可以顺利通过。 1 3 2 防溜设备在股道上的布置 车辆在防溜器上的停靠位置如图卜2 所示。防溜器1 和防溜器2 分别用于 夹紧同一列车辆的前、后两个转向架下的2 个轮对，防溜器l 和2 长度相同； 防溜器3 用于夹紧一列车辆的两个转向架下的4 个轮对，其长度大于防溜器1 或防溜器2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 防溜器l防溜器2 防溜器3 图1 - 2 车辆在防溜器上的停靠位置 图卜3 防溜器和位置传感器在股道上的布置图 根据到发线的状况和防溜器的参数和特点，合理布置现场防溜设备在到发 线上的安装位置，关系到车辆防溜的可靠性和股道有效长度的合理利用。单股 道防溜设备布置如图1 - 3 所示。其中在股道和防溜器上均安装有位置传感器、 限位开关等现场设备，位置传感器选用欧姆龙公司的e 3 j m d s 7 0 m 4 型红外光电 开关，用来检测车辆数量，车辆位置等，限位开关选用欧姆龙公司的t l - n 2 0 m e l 电感式接近开关，用来检测防溜器的状态。这些现场设备均受相应的p l c 的监 控。 1 4 本论文主要研究内容 车站作业中最基本的要求就是安全可靠。因此对作业设备的运行稳定性和 可靠性要求很高，同时也要求设备具有很高的经济性指标。 一般大中型中间站控制室与到发场的距离较远，室外环境恶劣，远程通信 除受到风沙雨雪、环境温度、过往列车振动等影响外，还受到铁路牵引电力系 统及轨道电路的强烈电磁干扰。因此，为保证远程通信的可靠性，重点是通信 协议的制定和通信介质的选用及铺设。 针对以上情况，结合新型防溜装置的特点和中间站车辆防溜自动控制系统 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 语言开发了中间站车辆防溜远 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 程监控系统软件。本论文将主要完成以下几方面内容： 1 车辆防溜集散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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章远程监控系统的组成和控制目标 为了实现对到发线防溜作业的远程监控、管理，方便工作人员在控制室内 实时监控到发场现场的情况，利于车站整体作业的统一控制，本设计开发了中 间站车辆防溜远程监控管理系统。 2 1 车辆防溜集散控制系统的构成 作为车站综合自动化系统的一个子系统，车辆防溜自动控制系统应保证自 身工作的可靠性、稳定性，以及操作和维护的方便性，此外，还应具有与其他 系统联网的能力。因此，工业p c 机+ p l c 的组合是合理的选择。 h o s tl i n k 网是o m r o n 较早推出的一种网络系统，是既优化又经济的通信网 络系统，具有优良的布线性能，协议设计简单，实现成本较为低廉，对于底层 的系统来说，性能很高，应用比较广泛。上位计算机使用h o s tl i n k 通信协议 与各台p l c 通信，可以对网络中的各台p l c 进行管理与监控，适用于集中管理、 分散控制的工业自动化网络。 本系统采用o m r o n 公司的p l c ( 可编程逻辑控制器) ，应用h o s tl i n k 网络 对p l c 组网，实现可扩展、开放的自动化控制系统。该系统充分发挥p l c 与现 场设备之间信息的有效传递以及逻辑控制的功能，同时应用h o s tl i n k 网络可 以免除p l c 点对点通信需要的大量通信线，为现场设备的扩充和维护带来了极 大的便利，并与其它设备一起完成现场设备的控制、监控、报告和诊断任务。 节点p l c 可置于主控室也可置于股道附近，以便于信号采集和就近设备维护。 用p l c 作为防溜器控制与状态监测的基层单元具有控制可靠、响应快速等 特点，同时又可通过h o s tl i n k 网络实现高性能通信。上位机显示屏为车站操 作人员提供良好的人机界面，使人机交互更为直观和简便。 一个开放的自动化系统，需要开放的、分层的控制和信息处理平台，其中 以p c 机及运行在其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 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 器构成的控制层是不可缺少的。 中间站车辆防溜自动控制系统由到发线现场防溜设备控制模块和上位机远 程监控模块两部分构成，如图2 - 1 所示。 图2 1 车辆防溜系统控制原理图 现场设备控制模块中各节点p l c 采用模块化设计，每个节点作为是一个独 立的模块；根据节点p l c 的容量设定每个节点控制的股道数，独立控制几条股 道上防溜器的作业；然后根据车站规模，配置节点p l c 的数量。上位机通过串 行接口与h o s tl i n k 网络中的各节点p l c 通信，向p l c 发送操作命令，同时节 点也可以主动向上位机传送作业后的反馈信息和防溜设备故障信息，并且在上 位机显示屏上实时显示防溜现场的作业状态，从而实现对车辆防溜作业的远程 监控。单个节点p l c 的控制结构如图2 - 2 所示。 n ；靠羽 股道l i 股道2 fj 殷道3 i 股道4 落旧 警旧 防il 防 溜；f 溜 洲掌 防11 防 溜il 溜 器f 器 3i辨 图2 2p l c 节点控制结构图 驰 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 远程监控信息平台模块的建立主要依靠开发防溜远程监控管理软件来实 现。该软件主要实现对防溜器状态的控制和查询，对股道操作信息的记录，对 设备状态和作业过程的监控报警。 2 2 车辆防溜集散控制系统的控制目标 本系统中主要监控的是每条股道上的防溜器的工作状态和车辆的位置，需 要监控的范围涉及到车站的整个到发场。本系统工作过程如下： 1 接车作业 当该股道接车进路已经建立，车辆要进入该股道时，系统首先检测该股道 上防溜器的状态。当防溜器处于缓解状态时，车辆可以进入该股道；当防溜器 处于制动状态时，必须首先对该股道上的3 个防溜器进行缓解操作，使其处于 缓解状态，否则车辆不能进入该股道。 2 车辆数量计数及车辆位置检测 如图1 - 3 所示，每个股道上都安装5 个红外光电开关，光电开关1 装在股 道接车进路道岔处，用于车辆计数。当车辆进入股道后，每一个轮对驶到光电 开关1 时，都会产生一个信号跳变，由低电平变为高电平：当轮对驶过光电开 关1 时，信号消失，由高电平变为低电平，即每当有一个轮对经过传感器时都 会触发一个脉冲，可以通过脉冲数计算出进入股道的车辆数。 光电开关2 和3 用于检测车辆是否停稳在股道上适合防溜作业的位置。车 辆停靠的最佳防溜位置是一列车辆的前、后两个转向架分别处于防溜器l 和2 的位置，如图1 - 2 所示。此时分别有一个轮对停在光电开关2 和3 位置，使光 电开关2 和3 触发的脉冲保持为高电平，当高电平保持时间超过设定值时，即 可确定车辆已经停稳在股道上，并且车辆停靠位置为适合防溜作业的有利位置。 光电开关5 用于检测车辆是否到达临近发车进路道岔位置，当车辆到达该 位置时，系统发出车辆位置危险信号，通知工作人员采取措施。 3 车辆位置实时显示 位置传感器把检测到的车辆位置信号传送至p l c ，p l c 通过串口通信把车辆 位置信息再上传至上位机。上位机对接收到的数据按照制定好的通信协议格式 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 进行识别后，将车辆位置信息写入数据库，并且在屏幕上实时显示车辆的位置。 4 车辆防溜作业 当车辆停靠在轨道上以后，就需要对其进行防溜作业。上位机软件把要发 送的防溜器制动指令信息按照制定好的通信协议的格式经串口发送至p l c ；p l c 识别制动指令信息后，向该轨道上的3 个防溜器发出制动信号，使制动器制动， 并且向上位机返回作业响应信息；上位机识别该响应信息，判断该操作是否完 成。此时光电开关2 和3 位置有轮对，光电开关2 和3 持续触发高电平。 5 车辆溜逸报警 当车轮没有被夹紧，在外力作用下发生车辆溜逸时，轮对离开位置传感器， 光电开关2 和3 发出的电信号由持续高电平变为低电平，p l c 将车辆溜逸信息发 送至上位机；上位机识别该信息后发出车辆溜逸报警信息，提醒工作人员采取 紧急措施。 6 防溜器缓解操作 当接到车站调度室的信号，需要发车时，系统向控制该股道的p l c 发出防 溜器缓解指令信息；p l c 识别缓解指令信息后，向该轨道上的3 个防溜器发出缓 解信号，将该股道上的3 个防溜器缓解，并且向上位机发回作业响应信息；上 位机识别该响应信息，判断该操作是否完成。防溜器缓解后，车辆方可发车。 2 3 上位机远程监控系统的功能 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，并且通过上位机和p l c 的串口实现上位机与p l c 之间的通信，监控到发场各到发线以及到发线上各个 防溜器的状态，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 - 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 图2 3 中间站防溜远程监控系统功能框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 第3 章上位机和p l c 的远程通信 数据通信通常是指计算机和计算机之间以及计算机和其他外部设备之间的 信息交换。传递信息所需要的一切技术设备的总和称为通信系统。一个数据通 信系统的基本构成如图3 1 所示。 图3 - 1 数据通信系统的基本构成 数据通信发送方为信源，接收方为信宿，在一个实际通信系统中的信源与信 宿是相对而言的。连接信源和信宿的通道通称为通信通道( 简称信道) 。在通信 系统中，信道是一个关键的环节，直接关系到通信数据传输的可靠性、稳定性。 信道可以包括对流层、自由空间、传输设备，或者仅仅是传输线。无论哪种传 输介质，都会引起信号的衰减、失真及在传输介质中和发送及接收设备中产生 的各种噪声信号，这就是干扰。由于在通信过程中没有人的直接参与，因此还 必须通过相同的传输规则才可以使得通信双方协调、稳定、可靠地工作。 本系统中进行通信的双方是车站控制室内的计算机和到发场内的p l c ，它们 之间为双向通信，互为信源和信宿。本系统中远程数据通信方案的选择主要依 据是用什么通信技朱和通信介质使信息在上下位机间准确的传输。下茴从现有 的通信方式、传输介质、接口标准三个方面进行选择比较，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12 页 3 1 数据通信方式选择 从广义上来讲，数据通信方式可以分为并行通信和串行通信两种方式。并行 通信时数据的各个位同时传输，可以以字或字节为单位进行。并行通信传输速 度快、效率高，但比串行通信所用的传输线多、成本高，因此，并行通信常用 在传输距离较短、数据传输速率要求较高的场合。串行通信时数据一位一位地 依次传输，每一位数据占用一个固定的时间长度，只需要几条线就可以在系统 之间交换信息。较少的传输线使通信成本降低，尤其在远程传输时更为突出， 但是增加了数据格式转换、位计数及传送时控制技术，使其技术比并行通信时 更为复杂。另外，当数据传输速率一定时其通信的速率较低，在实际工程中的 串行数据还要引入附加信息位，使得传输速率更低。因此串行通信一般用在长 距离而速度要求不高的场合。 在串行通信中，从通信双方信息的交互方式来分，数据通信方式可以分为单 工、半双工、和全双工三种： 1 单工方式 单工使用一根导线，信号的发送方和接收方有明确的方向性，通信只能在一 个方向上进行。 2 半双工方式 通信双方都可以发送( 接收) 信息，但是不能同时双向发送。它具有控制简 单、可靠、通信成本低等优越性。半双工通信线路简单，只需要两条通信线即 可。 3 全双工方式 通信双方可以同时发送和接收信息，双方的发送和接收装置同时工作。全双 工通信的效率最高，但控制相对复杂，系统造价也较高。需要两个信道，分别 用于接收和发送。 串行通信可以分为两种类型：同步通信和异步通信。 1 同步通信方式 同步传输时，一个信息帧中包含许多字符，每个信息帧用同步字符作为开始。 在整个系统中，由一个统一的时钟控制发送端的发送。接收端能识别同步字符， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 当检测到有一串数位和同步字符相匹配时，就认为开始一个信息帧，然后把此 后的数位作为实际信息来处理。 2 异步通信方式 异步通信方式指比特被划分为小组独立传送。异步通信存在一个潜在的问题 是，发送方可以在任何时刻发送这些数据，接收方却并不知道数据会在什么时 候到达，在检测到数据并做出响应之前，第一个比特已经过去了。因此这个问 题需要通过通信协议加以解决。在每次异步传输数据之前，使用一个数据位表 示数据传输开始，它通知接收方数据已经到达。这就给了接收方响应、接收和 缓存数据的时间。在传输结束时，同样使用一个停止位表示一次传输的终止。 车站控制室距离到发场的距离一般为i - 2 千米，车站控制室中的上位机和 到发场p l c 之间的信号传输距离较远，对信号的传输距离有一定的要求，但是 对信号的传输速度没有太大的要求；上位计算机和下位p l c 需要能够同时双向 传输信息，综合以上分析，选用串行全双工异步通信方式。 3 2 传输介质选择 传输介质是数据传输系统中发送器和接收器之问的物理通路，常用的有线 介质有双绞线、同轴电缆和光缆等。通常描述一种传输介质的特性，主要从以 下几个方面考虑： 物质特性：包括介质的物理结构、形态尺寸、连通特性和覆盖范围等。 传输特性：包括传输的信号( 数字信号或模拟信号) 、调制技术、传输容量、 传输频率范围等。 抗干扰性：指抗电磁干扰能力，传输误码率等。 价格：包括器件、安装与维护等方面的价格。 1 双绞线 双绞线是一种使用广泛且价格低廉的传输介质，分为非屏蔽双绞线和屏蔽 双绞线两种。双绞线由两根相互绝缘的铜导线按一定的规则螺旋绞合在一起构 成，这种结构可以减弱电磁干扰。 双绞线可以传输模拟信号也可以传输数字信号，一般在传输模拟信号时，每 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 隔5 一- 6 k m 加一个中继器；传输数字信号时，每隔2 一- - 3 k m 加一个中继器。 屏蔽双绞线较非屏蔽双绞线抗干扰性能和安全性能更强，l o o m 内具有 1 5 5 m b s 的传输速率。但非屏蔽双绞线价格便宜，使用灵活，便于安装，而屏蔽 双绞线价格较贵，须配置连接器，使用不便。为减少电信号回波的影响，在双 绞线的两端应安装匹配电阻。 2 同轴电缆 同轴电缆由内导体铜质芯线、内绝缘层、屏蔽层、外绝缘层、塑料保护层五 部分构成。屏蔽层导体既充当导体，又起屏蔽作用，其抗干扰能力、可用带宽、 数据传输速率优于双绞线，价格也比双绞线高。同轴电缆分为5 0q 同轴电缆和 7 5q 同轴电缆两种。 5 0q 同轴电缆又称为基带同轴电缆，适用于直接传输基带数字信号，在l k m 的距离以内，其传输速率上限可达5 0 m b s ，常在局域网中使用；7 5 q 同轴电缆 是公用电视系统的标准传输电缆，通常采用频分复用方式下的模拟传输，所以 这种同轴电缆又称为宽带同轴电缆，它在l o o k m 的传输距离内，可用频率高达 3 0 0 m h z - 4 0 0 m h z ，支持1 5 0 m b s 的数据传输速率。这两种同轴电缆的两端都要 安装匹配电阻，以减少电信号回波的影响。 3 光纤 光纤是一种传输光信号的传输媒介，其从中心到外面分别为纤芯、包层、 保护层。纤芯是由石英、玻璃或塑料制成光导纤维，截面积小、质地脆、易断 裂，纤芯外的包层由折射率比纤芯小的材料制成，有效光信号能从纤芯到包层 的界面上发生全反射，从而保证光信号低衰减、长距离传输。光纤可分为突变 多模光纤、渐变多模光纤和单模光纤，其中单模光线性能最好，突变多模光纤 最差。 与电缆相比，光纤在数据传输中有很多优点：容量大、带宽大、体积小、 重量轻、衰减小、中继距离长、抗干扰能力强、不受电磁干扰的影响、安全性 能好，且光纤抽出分接头较难，保证了数据不易被窃听。当然光纤具有价格较 高，分路耦合不灵活和机械强度低等方面的不足。 本系统实际通信距离较远，且车站环境复杂，电磁干扰很大，作业环境恶 劣，所以必须通过选择合适的传输介质来解决传输距离远、干扰性强的难题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 通过以上几种传输介质的比较，由于光纤具有一系列的优点：频带宽、速率高、 体积小、重量轻、衰减小、能电磁隔离、误码率低等，结合本系统的特点，选 用光纤作为长距离传输的介质是最佳方案。 3 3 串行通信接口标准选择 串行通信接口的基本功能是：在发送时，把c p u 传送来的并行码转换成串行 码，逐位地依次发送出去；在接收时，把发送过来的串行码逐位地接收，组成 并行码，并行地发送给c p u 去处理。这种串行到并行的转换功能，常用硬件电 路来实现，这种硬件电路就叫做串行通信接口。 、 实际中常用的串行通信接口标准有三种：r s 一2 3 2 一c ，r s 一4 2 2 和r s - 4 8 5 。它 们的标准只对接口的电气特性做出限定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此 基础上用户可以建立自己的高层通信协议。 串行通信有2 种常用的电气接口电路，如图3 - 2 所示。 图3 - 2 串行通信的两种电气接口电路 表3 1r s - 4 8 5 、r s - 4 2 2 、r s - 2 3 2 c 的主要技术参数 规范 r s - 2 3 2 - cr s - 4 2 2r s 4 8 5 传输方式单端差分差分 1 2 0 0 m( 速率1 2 0 0 m ( 速率 最大传输距离 1 5 m l o o k b i t s )l o o k b i t s ) l o m b i t s ( 距离l o m b i t s ( 距离 最大传输速度2 0 k b i t s 1 2 m )1 2 m ) 驱动器最小输出v52 1 5 驱动器最大输出v 1 51 06 接收器敏感度v30 2 0 2 最大驱动器数量1 1 3 2 单位负载 最大接收器数量 1 1 0 3 2 单位负载 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 1 r s 一2 3 2 - - c 串口标准 r s 一2 3 2 一c 被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。 r s - 2 3 2 - c 采用不平衡传输方式，即所谓的单端通讯，如图3 2 ( a ) 所示。由于 采用单端驱动非差分电路，收发两端的数据信号是相对于信号地，共模抑制能 力差，抗干扰能力较弱，这样当地线上有干扰信号时，则会把干扰信号当作有 效信号接收进来，故不适于在长距离、强干扰的条件下使用。r s 一2 3 2 一c 是为点 对点通信而设计的，传输距离较短，最大约为1 5 m ，最高传输速率为2 0 k b s 。 2 r s 一4 2 2 接口标准 r s 一4 2 2 电气接口电路采用的是平衡驱动差分接收电路，如图3 2 ( b ) 所示， 它使用一对双绞线，其收、发端不共地。这种电路其驱动电路相当于两个单端 驱动器，当输入同一信号时其输出是反向的，如果有共模干扰信号时，接收器 只接收差分输入电压，从而大大提高抗共模干扰能力，可以进行长距离传输。 r s 一4 2 2 支持一对多的双向通信，相同传输线上可以连接最多1 0 个接收节点。 一个为主设备，其余为从设备，从设备之间不能通信。 r s 一4 2 2 是全双工通信，最大传输距离约为约1 2 0 0 米，最大传输速率为 l o m b s 。 3 r s 一4 8 5 接口标准 是从r s - 4 2 2 基础上发展而来的，许多电气规定与r s 一4 2 2 相仿。r s 一4 8 5 采 用平衡传输方式。r s 一4 8 5 支持一对多的双向通信，相同传输线上可以连接最多 3 2 个接收节点。一个为主设备，其余为从设备，从设备之间不能通信。 r s - 4 8 5 是半双工通信，最大传输距离约为1 2 0 0 米，最大传输速率为l o m b s 。 目前r s 一2 3 2 一c 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，尤其在 工业现场r s - 2 3 2 - c 的应用更为常见。上位机和p l c 上一般都有r s 一2 3 2 - c 接口， 但一般不配备r s 一4 2 2 、r s - 4 8 5 接口。在实际的应用中，有时为了把距离较远的 两个或多个带r s - 2 3 2 - c 接口的设备连接起来进行通信或组成分散型系统，通常 用接口转换器把r s - 2 3 2 - c 转换成其他接口再进行连接。 结合本系统的特点，本系统的通信方式为串行全双工异步通信，传输介质 选用光纤，这就需要先将上位机的r s 2 3 2 - c 接口转换为光纤接口，以解决数据 长距离传输的问题。本设计中选用o m r o n 的3 g 2 a 9 一a l 0 0 4 一p e 适配器将上位机的 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 r s 2 3 2 一c 接口转换为光纤接口。在到发线防溜现场再通过o m r o n 的3 g 2 a 9 一a l 0 0 1 适配器和n t - a l 0 0 1 适配器将各台p l c 组网，最终构成集中管理、分散控制的系 统。 3 4 光纤通信简介 所谓光纤通信，是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方 式。光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息变成电信号，然后调制 到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的频率变化而变化，并通过光 纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢 复原信息。构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤通信 具有以下优点： ( 1 ) 容许频带宽，传输容量大； ( 2 ) 损耗很小，中继距离很长且误码率很小； ( 3 ) 重量轻、体积小； ( 4 ) 抗电磁干扰性能好； ( 5 ) 无辐射，泄漏小，保密性能好； ( 6 ) 节约金属材料，有利于资源合理使用。 光纤既可以传送数字信号，也可以传送模拟信号，但以数字通信为主。在 本系统中，传输的全部为数字信号。 发射 卜基本光纤传输系统叫 接收 电信号ll 光信号光信号ii 电信号 琢剥；矿1 仄叫ii 矿输入 i i 输出输入 l 输出 图3 - 4 单向传输的光纤通信系统原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第4 章远程监控系统网络及通信协议 4 1h o s tl i n k 网络系统概述 h o s tl i n k 通信网络是o m r o n 较早推出，使用较多的一种网络系统。上位计 算机使用h o s tl i n k 通信协议与各台p l c 通信，对网中的各台p l c 进行管理与 监控，由p l c 完成对现场单元的控制及数据处理，适用于集中管理、分散控制 的工业自动化网。 h o s tl i n k 系统由上位机、p l c 的h o s tl i n k 链接模块、h o s tl i n k 适配器、 传输线和下位p l c 构成。 l i n k 适配器在系统中常用于h o s tl i n k 模块与上位计算机之间的分支连接， 表4 - 1 列出了常用的o m r o n 公司的l i n k 适配器。 表4 - 1 常用的o m r o nl i n k 适配器 型号说明 n t - a l 0 011 个r s 一2 3 2 一c 口，一个r s 一4 2 2 口 3 g 2 a 9 - a 0 013 个r s 一4 2 2 接口 3 g 2 a 9 - a 0 0 2 一p e3 个光纤( a p f p c f ) 接口 3 g 2 a 9 一a 0 0 2 一e3 个光纤( p c f ) 接口 3 6 2 a 9 - a 0 0 4 一p e1 个光纤( a p f p c f ) 接口，1 个r s - 4 2 2 接口，1 个r s - 2 3 2 - c 接口 3 g 2 a 9 一a 0 0 4 一e1 个光纤( p c f ) 接口，1 个r s 一4 2 2 接口，1 个 r s - 2 3 2 一c 接口 3 g 2 a 9 一a 0 0 5 一p e 1 个光纤( a p f p c f ) 接口，1 个光纤( a p f ) 接口 3 g 2 a 9 一a 0 0 5 一e1 个光纤( p c f ) 接口，1 个光纤( a p f ) 接口 3 g 2 a 9 一a 0 0 6 一p e 1 个光纤( a p f p c f ) 接口，2 个光纤( a p f 接口 3 g 2 a 9 一a 0 0 6 一e1 个光纤( p c f ) 接口，2 个光纤( a p f ) 接口 。p c f 表示“金属包皮的塑料光缆 ，它可以连接所有模块，型号后缀有“一p 一 的模块光纤最长可达2 0 0 m ，其他模块光纤长度可达8 0 0 m 。a p f 表示“全塑光缆 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 这种光缆只能连接型号带有“一p ”后缀的模块，最大长度是2 0 m 。 p l c 与计算机之间采用的是串行通信，而p l c 内部和计算机内部的数据信息 是并行传送的。因此要实现p l c 与计算机之间的通信就必须要有并行信号和串 行信号之间的转换，以及相应的通信协议；计算机方面起这样作用的是r s 一2 3 2 一c 串行口，p l c 方面就是p l c 的h o s tl i n k 链接模块。 h o s tl