图1  铁路远程自动供水系统结构图

    为了保障铁路沿线各单位正常供水，本系统应具备以下基本功能：

    (1)  监测功能：调度中心和监控站均具有以下监测功能：每个水泵电机的三相电压、三相电流、功率（有功、无功）、电量、运行时间及井水位、管道流量、管道各节点的压力等参数。远程数据通过传感器、现场智能采集设备（DTE）、无线发送设备传送至监控站，使值班人员随时了解掌握整体供水系统运行中的基本情况。
    (2)  保护功能：保护装置功能主要是对电机的过电流、过压、欠压、缺相、相序反接、接地等进行保护，并将电闸事件、电闸报告、自检报告及时传送到监控和管理系统。
    (3)  控制功能：井群中心控制站可通过无线遥控实现水泵电机的开、停机，深井机房内设有水控装置，实行就地优先。井群控制站还可通过微机对水泵电机实行变频调节，以控制主管道内的流量和压力，节约能耗。
    (4)  管理功能：调度中心计算机可对接收到的各种数据自动形成历史数据文件，对历史数据按多种条件进行查询、修改。

3  数据通信方案设计

    从本系统所完成的任务来看，它要求有较强的实时性和高可靠性。测控通信网通常采用的通信媒质主要有电缆、光缆、电话线和无线射频。下面对通信网络采用的三种不同通信媒质的通信方案作分析和比较[1][2][3]。
    敷设电缆或光缆，通常是在一个范围相对较小的工厂内，而对于一个覆盖大范围的地理区域（达到方圆10km）且待监测的设备多，远程站点多的系统是很不实际的，因为专门敷设电缆，管道太昂贵，且安装和维护非常费时、费力。
    对测控系统利用公用电话线是一种比较常用的解决方案。利用电话线有两种方式，租用专线和拨号。显然为每个远程站点租用专线还是很昂贵的。对于一些采用相对较长的固定时间间隔（例如几十分钟或更长的时间）更新的系统采用电话拨号的方式是很适合的。而对于实时性相对较高的需求或要求站点在线即时通信，拨号方式还是不能满足要求，并且在有些实际应用环境电话线还是不可达的，这些情况对使用公用电话网络是一个限制。
无线组网是解决测控系统远程数据传输的一种非常重要的方式，这种组网方式以其布局简单，组网经济、方便、利于灵活变动，并且支持移动访问等优点，在测控领域受到了极大的欢迎。
    无线通信包括微波通信、超短波通信、卫星通信线等方式。超短波通信因具有信号传播稳定、通信质量较高、技术成熟、设备投资低的特点而被广泛使用。但其缺点是速率慢，保密性差，没有通信的单一性，频道拥挤；更兼之是窄带通信，既干扰别人，也易受其他电台或电气设备的干扰，信号传输可靠性差。其优势在于具有一定的绕射能力，在数据传输两点间可视性较差、距离适当的情况下采用超短波通信在经济上合适。
    微波通信的特点是以微波作为计算机网的通信信道，使用的频段（2.4GHz）要求通信的两点彼此可视，因其频率很高，故可以实现高的数据传输率，受气候影响很小。使用微波扩频方式通信时，特别是直接序列扩频调制方法具有以下主要特点：

    (1)  抗干扰性强，对单频及多频载波信号的干扰、其它伪随机调制信号的干扰及脉冲正弦信号的干扰等都有抑制作用，能提高输出信号的信噪比；
    (2)  发射功率小，一般小于1W，设备功耗较低，因此不会对其他通信系统产生干扰；
    (3)  可以实现码分多址，频带利用率很高；
    (4)  抗多径干扰，可以克服恶劣环境下严重的多径干扰对无线数据通信可能造成的影响；
    (5)  无线数据传输速率高，可高达19200bps 以上，而误码率小于10-6具有信息传输快且可靠的优点。

    随着通信技术和电子技术的发展，微波扩频通信技术逐渐完善，ASIC扩频芯片的研制和大量生产，极大地促进了微波扩频技术的应用和推广。所以微波成为构建无线通信局域网最常用的通信媒体。
    卫星通信是近年来发展的新技术，它是利用人造卫星作为中继站发微波信号，以实现各地之间的通信。其优点是技术先进、通道质量好、传输数率高、不受距离和地形限制、覆盖面广。缺点是设备投资高，运行费用高，适用于地形复杂、流域面积大、技术要求高的系统。
    结合以上分析并根据铁路通信网络的制定原则和考虑地区发展现状和经济承受能力，设计采用有线通信和无线通信相结合的方式，建设覆盖全线的信息通信网络。具体设计方案为：

    (1)  调度中心与监控站之间使用无线（无线扩频）为主，有线（PSTN）为辅的通信方式，满足数据传输工作；
    (2)  调度中心与各远程终端之间通过监控站转发功能进行数据传输工作；
    (3)  远程终端与监控站通过微波扩频进行测控、监视数据的传输控制；
    (4)  在远程终端与智能传感仪表之间采用有线通信。其通信点距离一般为几十米，采用异步串行通信；数据传感设备与智能终端设备之间的接口为RS-485，若有线系统中包括两个以上的站点，则选择其中一个为主站，其他站点为从站，进行主从式通信。

4  智能终端的设计[5][6]

    智能终端的设计可以根据具体的监控项目，采用多种方式灵活接入，如单片机系统、PLC系统以及现场总线系统，只要提供相应的通信接口即可实现与监控中心的通信。在设计中，考虑到铁路各供水站点分布较广，而每个站点需要监控的设备不是很多，故智能终端采用单片机系统来实现。单片机系统的硬件电路设计分为单片机最小系统（包括主CPU、键盘和显示接口电路，如图2所示）、数据采集电路、输出控制电路和掉电保护电路和通信电路。

图2  终端机系统结构

    (1)  数据采集电路和输出控制电路
    供水系统需要采集的数据分为电量、一般模拟量和开关量三种。需要采集的电量为电机的三相电压和三相电流。设计中采用多功能智能电表进行电量的数据采集，多功能电表采集电量数据后，传递RS485信号，通过保护电路传递到电平转换器MAX485芯片，将智能电表传送的三相电压、三相电流、电度量数据转化为TTL格式，再以串口通信的方式传送给CPU进行接收。一般模拟量是指现场的水井水位、水塔水位、泵出口压力和出口流量等模拟量，需要通过多路复用芯片完成多路数据的采集和模数转换器完成模拟量和数字量的转换，再将采集的数据给CPU处理。开关量信号是指电机运行状态，站点泵房有无人状态等参数，开关量的采集通过扩展的串行口即8255芯片来实现。
输出控制电路完成现场多个电机的开、停控制，通过8255的PC口经ULN2803与外部的继电器连接，控制电机实现了弱电控制强电。

    (2)  掉电保护电路
    当电源线路出现故障，造成断电，RAM中的所有数据将丢失，包括一些重要数据，如井水位、电压、电流等参数的上下限值，而这些数据对系统的安全运行相当重要。因此在智能终端设计采用了掉电保护电路，将重要数据及时保存在E2PROM中，上电复位后，通过程序将重要参数读入RAM中。当系统需要对各模拟量数据的上下限参数进行修改时，也要同时对E2PROM进行修改，设计中选用支持I2C总线传送协议的E2PROM芯片24LC32实现。

5  系统软件设计[4]

5.1  监控主机软件设计

图3 （监控站微机）系统监控运行示例

    对于监控主机软件，笔者采用北京亚控公司组态王进行二次开发， Kingview 的设备驱动程序能方便与现场控制设备通讯，Kingview串口类逻辑设备是其内嵌的，串口驱动程序的逻辑名称，对应着与计算机串口相连的实际设备，以DLL的形式供Kingview调用。 Kingview通过“设备配置向导”配置工控机与终端机（单片机系统）的通讯。该系统的软件采用模块化结构，具有与国际流行机型良好的兼容性，易于扩展和开发应用。主要模块和功能有：

    (1)  数据库系统的设计，数据库的生成及在线修改，它包含所有检测点的全部特征，在运行中，它不断用现场数据或人工设置，计算并更新数据库的内容，同时向报警、显示、打印报表、历史趋势等系统提供实时数据；
    (2)  图形编辑，生成各种过程控制或调度监视图形；
    (3)  数据趋势，根据历史数据文件，把过程点随时间的变化趋势显示出来（图3 为供水系统1#井历史趋势界面）；
    (4)  历史数据，凡是在实时数据库中定义保留的过程点，系统将定时把这些点的变化记录在历史文件中，保留一定的时间，用户可以拷贝历史文件，以便长期保存；
    (5)  报警处理，包括过程点控制站报警，系统报警，各种报警汇总显示、打印等；
    (6)  过程输入输出，管理主机与监控站的通信、实现通道扫描、数据接受、发送、出错校验及控制等；
    (7)  图形显示，系统采用大型彩色CRT 主要显示实时特征的各个工艺环节的流程图。

5.2  终端机软件设计
终端机软件结构如图4所示。

图4  终端机系统软件结构