SIEMENS西门子北海授权代理商

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一. 概述

RS-422A总线是EIA公布的“平衡电压数字接口电路的电气特性”标准，这个标准是为改善RS-232C标准的电气特性，又考虑与RS-232C兼容而制定的。RS422A是工业界广泛使用的双向、差动平衡驱动和接收传输线标准接口 ,它以全双工方式通信 ,支持多点连接 ,允许创建多达 32个节点的网络,具有传输距离远 （较大传输距离为 1200m） ,传输速率快 （ 1200m时为 100kbit/s）等优点 ,相对于其它总线，如FF、CAN、LonWorks等而言，具有结构简单、廉、安装方便、与传统的DCS兼容等特点;此外，市场上很多现场仪表都有RS422A总线接口，因此采用该总线可以很容易地开发一些中小型网络测控系统。结合某一工程项目的实际特点 ,我们采用了RS422A通信接口来实现远程数据通信系统。

在该工程项目中，系统采用两级主从总线型网络结构。温度等变量的控制主要由总线上的各个智能仪表实现，上位机根据控制要求修改智能仪表的给定值等参数，以及一些数字量的监控显示等。该项目所选智能仪表为上海大华-千野仪表有限公司生产，参数相当复杂，具有较强的控制以及通信功能。同时，利用上位机软硬件资源丰富，以bbbbbbs为操作平台，因此开发的应用软件有强大的管理功能以及非常友好的人机界面。本系统应用软件采用Microsoft Visual C++6.0开发，充分利用VC++灵活快速，对视窗编程和多任务编程的方便接口，开发出来的软件具有完善的数据采集、设定、报警、实时监视等功能。应用结果表明，该系统有效的实现了对温度控制系统的监控，效果良好。

二. 系统结构

该智能仪表功能较为完善，控制精度高。自带RS422A通信卡，通信命令多达一百多条，上传及接受数据量大，主要包括各步温度设定值、PID参数值、报警参数值、传感器修正值、模糊控制参数值等等。现场总线采用RS422A总线，因为RS422A总线具有结构简单、廉安装方便等优点。智能仪表挂接在RS422A总线上，通过RS422A/232C装换器和PC串口相连接。为此配置有十几台（可扩展）智能仪表，RS422A/232C转换器一块，并且每一台仪表设置一的地址。温度的控制由下位机（智能仪表）完成。主控计算机完成的功能有1）主动读取下位机相关数据2）改变温度控制的设定值以及其它的参数，但不直接完成对温度的控制。3）显示温控曲线画面,温控仪集中显示画面以及报警数据等的动态显示。4）数据的存储,统计,报表等。系统的硬件结构图如图1所示。

 系统软件设计

系统管理软件采用面向对象技术，基于bbbbbbs2000平台，用VC++6.0编程开发。系统应用软件由实时动态过程和历史记录浏览两大部分组成，实时动态过程包括数据采集及设定、运行控制、数据管理三大模块组成，数据采集及设定模块定时从下位机即智能仪表采集和设定过程实时数据。控制模块主要是控制仪表的运行或停止等以及运行段选择，数据管理模块包括数据通信、数据显示、报警、打印、存储等功能。

根据实时系统的特征，软件中多个同时运行，为了不让一个任务执行的时候，阻塞别的任务，我们充分里了bbbbbbs系统允许多进程、多线程编程的特点，将系统的分成几个模块。首先，将历史纪录浏览和实时动态过程分成两个进程，因为这两个过程有很大的差别。历史纪录浏览中的数据是静态的，对实时性没有要求，而且可以在生产过程之中或之后运行都可以，在开发这部分程序时，可以不用考虑时间的问题。实时动态过程却是一个实时性要求很高的任务，在这个过程中主要要完成通信、显示、控制、打印等任务，另外还要完成数据的转储。

（1） 动态进程设计

线程一词指程序指令顺序的执行，每个程序独立执行程序代码中的一系列指令。从用户或应用程序编程的角度看，程序中的线程是同时运行的。操作系统通常靠线程与线承建的快速切换控制来达到这种同时的感觉（但如果计算机有多个处理器，则系统可以直接同时执行线程）。程需要在某个时间完成多个任务时（许多引用程序都是这样），将每个任务放在不同的线程中不仅使程序更加有效，而且能简化开发工作。

在设计实时动态进程时我们把它分成了两个线程：主线程和通信线程。主线程定时启动通信线程，通信线程执行完一次通信后自动悬挂。在正常情况下，主线程两次恢复通信线程之间的时间是能够保证一次通信线程的完整执行。

在数据存储方面，为了提高系统的动态性能，要求能快速访问数据存储区，我们将数据存放在两个地方。正在进行的生产过程的过程数据首先存放在内存开辟的数据缓冲区内，这样主线程能很快的访问到。另外，将几次通信的数据定期存放到硬盘上，这样能防止因停电等意外事故造成数据的损失。

在程序设计时我们采用了面向对象设计的思想，比如我们把温控仪看成一个对象，有关的数据结构及其操作完全封装在一个类里面，这样程序的数据结构分离也可以实现分离，这对于软件的扩展，对于软件开发和调试都会带来大的方便。

该软件主要实现方式如下：

在重载的void CRs422AnetView::OnDraw（CDC＊ pDC）函数里面调用自定义函数StartOfSystem（pDC），后者打开并配置好串口，启动通信线程，设置记时器等。其

普拉塞—陶依尔公司的模拟集中式控制系统存在以下不足：

（1）监视仪表、指示及报安装位置分散；模拟仪表信号仅用作显示而未进入过程控制；
（2）插装式电路板的抗振性能、抗冲击性能、防尘性能均不好；模拟电路板的调整（如校“0”、标定）由多个电位器来完成，比较复杂；控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都较差；
（3）集中控制模式使得作业主控制柜体积较大；I/O信号传统的接线方式，使作业主控制柜中有大量连接电缆，使断点和接点增加而增加故障点，使检修和维护变得复杂。

3 系统要求

针对上面列举的不足，有必要设计一种新的电气控制系统，它应满足以下要求。

3.1 基本要求

新的大型养路机械电气控制系统应具有统一的显示、指示及报警，具有过程控制功能；具有较高的可靠性和稳定性，具有较好的抗振性能、抗冲击性能、防尘性能，能经受高温、高湿的环境。

3.2 具体要求

新的铁路大型养路机械电气控制系统主要针对柴油机监视控制子系统、高速走行监视控制子系统、作业监视控制子系统进行重新设计，而对于整车电源子系统和辅助设备子系统，它们都是点对点的简单控制，不作重新设计。下面详细介绍这三个子系统的各种输入输出信号。

3.2.1 柴油机监视控制子系统

3.2.1.1 柴油机监视部分

输入DI信号：油压开关信号、缸盖温度（水温）开关信号、空气滤清器开关信号、直流发电机发电状态开关信号等；
输入AI信号：转速传感器信号、油压传感器信号、缸盖温度（水温）传感器信号、电瓶电压信号、柴油油位传感器信号等；
输出DO信号：预热指示信号等；

3.2.1.2 柴油机控制部分

输入DI信号：怠速位感应开关信号、高速走行位感应开关信号、作业位感应开关信号等。
输出DO信号：油门电机驱动信号等；

3.2.2 高速走行监视控制子系统（静液压传动模式）

3.2.2.1 高速走行监视部分

输入DI信号：各轴挂、脱挡感应开关信号等；
输入AI信号：速度—里程传感器信号等；

3.2.2.2 高速走行控制部分

输入DI信号：挂挡开关信号，点动挂挡开关信号，向前、向后走行开关信号，走行手柄位置信号等。
输入AI信号：走行手柄电位器信号等。
输出DO信号：向前、向后阀驱动信号，挂挡阀驱动信号等。
输出AO信号：走行泵比例阀驱动信号等。

3.2.3 作业监视控制子系统（以新型稳定车为例）

输入DI信号：各种开关、行程开关、感应开关信号共125个；
输入AI信号：左、右抄平传感器信号，前、后电子摆信号，正矢传感器信号，测量轮信号，加速度传感器信号，振频传感器信号共7个；
输出DO信号：各种开关电磁阀驱动信号共82个；
输出AO信号：比例电磁阀驱动信号共4个。

4 系统设计

4.1 INTERBUS现场总线简介

INTERBUS现场总线于1984年推出，其主要技术开发者为德国的Phoenix Contact公司。INTERBUS现场总线采用非常*特的集总帧传输协议，有效率高达52%，具备强大的故障诊断功能；采用双绞线无中继器传输距离长达12.8公里；单主站可连接较多达255个从站；扫描8192个I/O点的时间仅为7.8毫秒（500Kbps）。由于该总线的快速发展和广泛使用，INTERBUS 已先后成为DIN19258德国标准、EN50254欧洲标准、IEC61158现场总线国际标准和中国机械工业标准JB/T 10308.8所规定的标准现场总线。INTERBUS在**有1000多家总线设备生产商，提供多达2500种产品。到目前为止，INTERBUS现场总线在世界各地的节点安装突破750万，在各种现场总线中***二。

今天，作为现场总线、PC-Based、工业以太网技术的先导，菲尼克斯又提出了Fieldbus+Ethernet这一新型自动化方案，构造了完善的工业企业管理控制网络。
INTERBUS总线包括远程总线网络和本地总线网络，两种网络传送相同的信号但电平不同。远程总线网络用于远距离数据传送，采用RS-485传输，远程网络采用全双工方式进行通讯，通讯速率为500kb/s。本地总线网络连接到远程网络上，网络上的总线终端BT（BUSTerminal）上的BK模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据。INTERBUS总线上的主要设备有总线终端BT（BUSTerminal）上的BK模块、I/O模块和安装在PC或PLC等上位主设备中的总线控制板。总线控制板是INTERBUS总线上的主设备，用于实现协议的控制、错误的诊断、组态的存储等功能。I/O模块实现在总线控制板和传感器/执行器之间的接收和，可处理的数据类型包括机械制造和流程工业的所有标准信号。

INTERBUS的主要应用在汽车、造纸、、印刷、仓储、船舶、食品、冶金、木材、纺织、化工等行业。欧洲汽车工业80%的车身厂和焊接车间，均采用INTERBUS系统的控制方案。在上海大众的帕萨特生产线、一汽大众的Audi A6生产线上、红塔集团厂新的生产线，均全面采用了INTERBUS作控制方案。

4.2 系统网络结构

根据铁路大型养路机械控制系统的特点，基于PPC工业控制计算机、PLC及现场总线INTERBUS的铁路大型养路机械控电器制系统的系统网络结构如图2所示，它分为两层：监控层和现场控制层。

4.2.1 监控层

监控层由高速以太网Ethernet、PPC工业控制计算机、TP触摸屏显示器以及连接在PPC上的打印机组成。监控层主要完成以下功能：

（1）柴油机监视控制子系统中柴油机转速、油压、缸盖温度（水温）、电瓶电压、柴油油位的显示；低油压、高缸盖温度（水温）、空气滤清器堵塞状态、直流发电机发电状态的报警指示；预热指示；怠速位、高速走行位、作业位的指示等。

（2）高速走行监视控制子系统（静液压传动模式）中速度—里程，各轴挂、脱挡状态的显示；挂挡开关，点动挂挡开关，向前、向后走行开关，走行手柄电位器，走行手柄位置的显示等。

（3）作业监视控制子系统（以新型稳定车为例）中各种开关，作业机构的各种行程开关、感应开关状态的显示；左、右抄平传感器信号，前、后电子摆信号，正矢传感器信号，加速度传感器信号，振频传感器信号，作业速度的显示。

（4）系统参数的设置。

（5）系统故障诊断。

（6）轨道参数的记录及打印输出。

4.2.2 现场控制层

现场控制层由主站（PLC控制器、总线分支模块、本地I/O），现场总线，从站（总线藕合器BK、远程I/O）和现场设备四部分组成。主站安装于作业室内，从站的数量根据实际需要而定，它分布于车体的不同位置。现场控制层主要完成以下功能：（1）各种输入信号的采集；（2）各种控制信号的输出；（3）各种信号的处理；（4）与监控层的通讯。