基于Modbus TCP協(xié)議的地鐵虛擬操縱臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔靖元，魏春光，曾 潔

（1.大連交通大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，大連116028；2.中車大連機(jī)車車輛有限公司，大連116022）

網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展大大提高了地鐵系統(tǒng)的智能化程度，目前地鐵司機(jī)操縱臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在指示燈和機(jī)械按鈕較為繁多且分散，司機(jī)顯示單元（DDU）提供的信息不夠形象直觀，傳統(tǒng)機(jī)械式儀表誤差較大等問題[1-2]，增加了司機(jī)高效、準(zhǔn)確、全方位地完成駕駛作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，不利于列車安全運(yùn)行。

本文基于地鐵司機(jī)操縱臺(tái)的布局結(jié)構(gòu)和功能，采用Kinco HMIware 軟件設(shè)計(jì)了一種人機(jī)交互界面，通過ModSim32 軟件建立Modbus TCP 服務(wù)器端，開發(fā)了一個(gè)基于以太網(wǎng)的車載信息顯示與控制系統(tǒng)，并通過VNC（virtual network computing）協(xié)議實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 總體方案設(shè)計(jì)

為了向司機(jī)提供簡(jiǎn)潔、直觀的可視化界面，減少接收信息的視覺疲勞和時(shí)間，主駕駛界面采用圖形化設(shè)計(jì)。下位機(jī)采集到的車載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字或圖像顯示在屏幕中各區(qū)域，操縱臺(tái)的可控按鈕通過軟件中的各功能元件表示，而界面中的形象圖標(biāo)則用來表示列車各子系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)和信息。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，從功能上劃分為顯示區(qū)、控制區(qū)和子系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)3 部分。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of system overall design

1.1 顯示區(qū)

司機(jī)在列車啟動(dòng)前可設(shè)置車次編號(hào)、司機(jī)工號(hào)和行駛路線。運(yùn)行過程中主界面實(shí)時(shí)顯示列車到站、位置、速度、軸溫、牽引功率、制動(dòng)缸壓力、網(wǎng)壓和網(wǎng)流等主要車載信息，當(dāng)數(shù)據(jù)異常則觸發(fā)報(bào)警顯示。

1.2 控制區(qū)

本設(shè)計(jì)采用6 節(jié)編組地鐵列車，界面中車廂與車門均為觸控元件，采用圖形化設(shè)計(jì)，通過編寫宏指令，點(diǎn)擊某一節(jié)車廂即可進(jìn)入該車廂狀態(tài)界面，點(diǎn)擊車門可實(shí)現(xiàn)車門開關(guān)，左右司機(jī)室圖標(biāo)下方分別設(shè)置了左側(cè)/右側(cè)車門全部開啟元件，方便司機(jī)集中控制。功能區(qū)主要包括列車啟動(dòng)、緊急制動(dòng)、廣播、鳴笛、各指示燈和駕駛模式切換等元件，設(shè)置在界面左側(cè)防止司機(jī)誤觸[3-5]。牽引制動(dòng)控制區(qū)可進(jìn)行電機(jī)控制，在非自動(dòng)駕駛模式下實(shí)現(xiàn)列車速度的人工控制。

1.3 子系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)

主界面下方的圖標(biāo)為各子系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)，通過對(duì)列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能需求，保證列車高效且安全地行駛；同時(shí)各子系統(tǒng)界面頂部保留了顯示區(qū)界面，幫助司機(jī)在子模塊操作的同時(shí)也能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)重要行車數(shù)據(jù)。

2 各子系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 牽引與制動(dòng)系統(tǒng)

設(shè)置滾動(dòng)條元件，按壓滑塊移動(dòng)可以改變控制器字寄存器的值，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，上推滑塊時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)牽引；下拉滑塊時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)（異步發(fā)電狀態(tài)）[6]。編寫宏文件，根據(jù)乘車率、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出牽引功率和制動(dòng)功率。設(shè)置位狀態(tài)指示燈和數(shù)值顯示元件，車廂乘車率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率、制動(dòng)功率、高速斷路器狀態(tài)和空壓機(jī)狀態(tài)分別顯示在對(duì)應(yīng)車廂下方，便于司機(jī)檢查。其中牽引功率和制動(dòng)缸壓力的顯示采用表針元件，以儀表圖的方式顯示在主界面，代替了傳統(tǒng)的機(jī)械儀表。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 牽引制動(dòng)系統(tǒng)顯示區(qū)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of display area of traction braking system

2.2 路線設(shè)置系統(tǒng)

設(shè)計(jì)采用數(shù)值輸入元件登記列車編號(hào)與司機(jī)工號(hào)，通過多狀態(tài)設(shè)定元件選擇線路和上行（下行）方向，若站臺(tái)變動(dòng)也可在下拉菜單中另行設(shè)置始發(fā)站和終到站?；凇肮收蠈?dǎo)向安全”原則和列車的節(jié)能減耗，選擇多狀態(tài)切換元件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛（AM）、信號(hào)保護(hù)下的人工駕駛（PM）、自動(dòng)防護(hù)駕駛（SM）、限制式人工駕駛（RM）和非限制式人工駕駛（NRM）5 種列車駕駛模式[7]的切換。

2.3 供電系統(tǒng)

該界面可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車供電系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，保障運(yùn)行安全。通過多狀態(tài)設(shè)定元件的數(shù)值加減功能，控制下位機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)車頂受電弓的升降。受電弓、牽引逆變器（VVVF）、輔助逆變器（SIV）工作狀態(tài)由位狀態(tài)指示燈元件表示。通過設(shè)置數(shù)值顯示元件，司機(jī)可查看列車運(yùn)行中SIV 電壓、VVVF 電壓、蓄電池溫度與電壓、網(wǎng)壓和網(wǎng)流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。設(shè)置報(bào)警值，當(dāng)數(shù)值達(dá)到上限則狀態(tài)指示燈和數(shù)據(jù)顯示變成紅色，并觸發(fā)報(bào)警。

2.4 速度系統(tǒng)

選用表針元件，將下位機(jī)采集的速度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過儀表顯示。本設(shè)計(jì)設(shè)置速度最大值為120 km/h，當(dāng)速度達(dá)到80 km/h 觸發(fā)報(bào)警；采用淺藍(lán)色主背景、深藍(lán)色報(bào)警上限區(qū)、白色刻度值和黑色表針，色調(diào)柔和且有辨識(shí)度，為司機(jī)提供美觀的界面和形象直觀的速度信息。

2.5 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，按功能劃分為控制模塊和顯示模塊。在控制模塊中，設(shè)置位狀態(tài)切換元件，圖形設(shè)計(jì)為車廂，司機(jī)可點(diǎn)擊車廂圖標(biāo)開啟或關(guān)閉空調(diào)；每個(gè)車廂下方設(shè)有4 個(gè)位狀態(tài)設(shè)定元件和2 個(gè)多狀態(tài)設(shè)定元件，通過宏指令編寫，分別實(shí)現(xiàn)當(dāng)前車廂空調(diào)制冷、制熱、加濕或通風(fēng)模式的切換與空調(diào)溫度的升降。在顯示模塊中，將下位機(jī)采集到的溫度、濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分別在對(duì)應(yīng)車廂下方的數(shù)值顯示元件中表示；每節(jié)車廂的壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)狀態(tài)通過多狀態(tài)顯示元件表示，綠色為正常，黃色為故障，紅色為停止[8]。該系統(tǒng)功能組成如圖3所示。

圖3 空調(diào)系統(tǒng)功能組成框圖Fig.3 Functional composition block diagram of air conditioning system

2.6 消息記錄系統(tǒng)

通過對(duì)人機(jī)界面內(nèi)部寄存器地址進(jìn)行分配，建立車載事件信息數(shù)據(jù)庫，登記并存儲(chǔ)列車運(yùn)行的控制指令、設(shè)備狀態(tài)信息和故障信息。采用事件顯示元件和報(bào)警顯示元件表示狀態(tài)信息，并將歷史事件存儲(chǔ)到配方寄存器或外部設(shè)備中，以便于行車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析與記錄。

2.7 車廂狀態(tài)系統(tǒng)

主界面點(diǎn)擊某一車廂圖標(biāo)即車廂狀態(tài)可進(jìn)入該車廂的狀態(tài)界面。該界面上方實(shí)時(shí)顯示重要行車信息；左側(cè)采用攝像頭元件，通過外接攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車廂內(nèi)部狀態(tài)，便于司機(jī)觀察車廂突發(fā)情況；下方的數(shù)值顯示元件反映車廂溫度、濕度和乘車率；界面右側(cè)設(shè)置位狀態(tài)切換開關(guān)元件，用于執(zhí)行車廂內(nèi)部的空調(diào)、廣播、緊急電話、車廂照明燈和報(bào)警指示燈的開啟或關(guān)閉操作，并選用多狀態(tài)設(shè)定元件實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫度控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 車廂狀態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Compartment state system structure diagram

2.8 軸溫系統(tǒng)

車廂圖標(biāo)下方設(shè)置多狀態(tài)顯示元件，圖形設(shè)計(jì)為地鐵輪對(duì)。該系統(tǒng)將軸箱的溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在各輪對(duì)圖標(biāo)下方，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫中建立軸溫報(bào)警閾值，當(dāng)軸溫在50 ℃以下時(shí)，輪對(duì)為灰色（正常狀態(tài)）；50 ℃～80 ℃為黃色（預(yù)警狀態(tài)），使司機(jī)提高警惕；80 ℃以上為紅色（報(bào)警狀態(tài)），司機(jī)應(yīng)立即減速或停車檢查。該系統(tǒng)為地鐵司機(jī)提供了簡(jiǎn)潔、直觀的軸溫顯示信息，保障其高效完成駕駛作業(yè)。

2.9 定位系統(tǒng)

該模塊主要分為列車位置實(shí)時(shí)顯示和站臺(tái)動(dòng)態(tài)信息顯示兩部分。實(shí)時(shí)位置顯示采用棒圖元件，通過讀取控制器中寄存器的數(shù)據(jù)，將讀取的實(shí)際值與設(shè)定的最大值/最小值之間的百分比關(guān)系用柱狀圖形式表示，實(shí)現(xiàn)車與站臺(tái)之間距離關(guān)系變化。下位機(jī)控制器將讀取到的站臺(tái)信息發(fā)送到人機(jī)界面，通過數(shù)值顯示和文本顯示元件，動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前站和下一站，為司機(jī)提供實(shí)時(shí)信息。

2.10 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)選用VNC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)司機(jī)室人機(jī)界面的遠(yuǎn)程監(jiān)控，該系統(tǒng)流程如圖5所示。人機(jī)界面作為VNC Server 端，設(shè)置其IP 地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)[9]，本地寄存器LB9290 置1 開啟VNC 功能，寄存器LB9292 置1 使能操作密碼，寄存器LB10146 設(shè)置操作密碼，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的設(shè)定。在局域網(wǎng)監(jiān)控中，PC 和智能手機(jī)使用VNC Viewer 軟件作為客戶端，輸入IP 地址和密碼即可與人機(jī)界面建立連接；瀏覽器在網(wǎng)址欄輸入IP 地址以及端口號(hào)，子頁面輸入密碼，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。在互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中，對(duì)觸摸屏所在地的路由器進(jìn)行IP 地址和端口號(hào)的映射動(dòng)作，使用外網(wǎng)PC 或其他移動(dòng)終端的VNC Viewer 軟件，按照局域網(wǎng)訪問的操作方法即可顯示遠(yuǎn)程人機(jī)界面。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)流程Fig.5 Remote monitoring system flow chart

3 通訊模塊設(shè)計(jì)

3.1 Modbus TCP 通訊協(xié)議

Modbus TCP 是基于TCP/IP 協(xié)議的工控應(yīng)用協(xié)議，通訊采用主/從方式，該協(xié)議通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制器和設(shè)備之間的通信，易于集成不同設(shè)備[10]，具有良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，解決了Modbus 總線協(xié)議傳輸距離短的問題，其數(shù)據(jù)幀格式如表1所示[11]。

表1 Modbus TCP 數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Modbus TCP data frame format

3.2 人機(jī)界面通信的實(shí)現(xiàn)

Kinco HMIware 軟件完成界面設(shè)計(jì)和C 語言代碼編寫后，對(duì)程序進(jìn)行編譯和離線模擬，模擬界面如圖6所示。

圖6 主界面離線模擬圖Fig.6 Offline simulation map of the main interface

本設(shè)計(jì)中人機(jī)界面模擬Modbus TCP 客戶端，選用ModSim32 軟件模擬服務(wù)器端，設(shè)置起始地址0x0001、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度208、設(shè)備ID 為1，寄存器類型選擇線圈寄存器和保持寄存器，連接方式為Modbus/TCP Svr，端口號(hào)默認(rèn)為502。

通過ModSim32 切換線圈寄存器和保持寄存器類型，修改寄存器的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了主界面和各子系統(tǒng)元件的數(shù)值顯示、狀態(tài)顯示和儀表顯示功能；點(diǎn)擊觸摸屏中的功能元件和位、字設(shè)定元件，ModSim32寄存器的數(shù)值動(dòng)態(tài)地變化，執(zhí)行控制指令；點(diǎn)擊攝像頭元件，對(duì)應(yīng)的位寄存器數(shù)值變?yōu)?，車廂狀態(tài)界面實(shí)時(shí)顯示外接攝像頭輸入的視頻畫面；點(diǎn)擊VNC 功能元件，設(shè)置操作密碼與查詢密碼，內(nèi)部寄存器數(shù)值發(fā)生變化，筆記本電腦和手機(jī)通過局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)均可控制與監(jiān)測(cè)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

使用科來網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)11 軟件，對(duì)本次Modbus TCP 傳輸性能進(jìn)行研究，分析結(jié)果如圖7所示。觸摸屏不斷的向下位機(jī)發(fā)送TCP 請(qǐng)求，當(dāng)Modsim32 返回?cái)?shù)據(jù)，則建立Modbus TCP 通信。結(jié)果顯示，通訊過程中數(shù)據(jù)傳輸性能良好，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中各模塊的顯示與控制功能。

圖7 系統(tǒng)傳輸性能分析Fig.7 System transmission performance analysis

4 結(jié)語

本文根據(jù)地鐵司機(jī)室操縱臺(tái)功能需求與發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種多功能人機(jī)監(jiān)控界面，并通過Modbus TCP 通訊仿真，實(shí)現(xiàn)了主界面和各子系統(tǒng)的儀表、實(shí)時(shí)行車數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)的顯示與控制。本系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔美觀，易于操作，有效提高了司機(jī)操縱臺(tái)的智能化程度，便于司機(jī)高效地完成駕駛作業(yè)。