地鐵直流供電系統通信解決方案

王 凡

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地鐵直流供電系統通信解決方案

王 凡

（武漢地鐵集團，武漢 430070）

基于Modbus和TCP的通信原理，結合兩者之間的優點，實現兩者相結合的通信方式，使得Modbus通信協議可以通過以太網傳輸，擴展了Modbus協議的應用。在地鐵直流供電系統上，通過Modbus-TCP通信協議，使得設備與設備之間在以太網上實現了遠程通信，對地鐵直流供電系統的信息傳輸具有一定的實用價值。

MODBUS 地鐵直流供電

0 引言

地鐵直流供電系統是軌道交通的重要機電設備。RS-232或RS-485是傳統的通信接口，特點是開放式，傳輸距離短、速度慢。而隨著工業技術的發展，嵌入式系統已經利用以太網作為接口傳輸數據，并采用TCP/IP通信協議，其傳輸距離長、傳輸速度快，相互連接形成一套自動化的系統。在武漢地鐵的直流供電系統中，采用了Modbus通信協議與TCP/IP通信協議相結合的地鐵直流供電系統通信方案。

1 地鐵直流供電系統通信組成介紹

1.1 通信連接方式

一般常用的通信連接方式有以太網、串口等。以太網具有網絡速度快、帶寬較寬，以及與后臺監控PC機、工作站等接口方便的特點，能滿足對當今越來越大的數據流量的要求，例如故障錄播等。串口通信是一種可以接受來自CPU的并行數據字符轉換為連續的串行數據流發送出去，同時可將接受的串行數據流轉換為并行的數據字符供給CPU的器件，它的使用方法很簡單，并且能實現遠距離通信。另外通信的連接方式還有很多種，不同設備之間也經常支持的協議不同，因此經常會遇到協議之間的相互轉換情況。

1.2 Modbus通信協議

Modbus是基于OSI（Open System Interconnection）參考模型的物理層、數據鏈路層、應用層上的電子控制器通用語言，通過此協議可以實現控制器之間、控制器與其他設備之間的通信，已經成為一種工業標準。該協議只定義一個控制器能認識的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的，它是一個請求/應答協議，并且提供功能碼規定的服務，功能碼體現了數據的功能作用。該協議定義了一個客戶端請求訪問服務器設備的過程，如何回應來自其他設備的信息。其數據格式如圖1所示，通信方式如圖2所示。

圖2 Modbus協議通信方式

2.3 TCP/IP協議

TCP是面向連接、可靠、基于字節流的傳輸控制協議，一般和IP（網絡層協議）一起，構成物理網上的一組完整的網絡協議。其中，TCP提供傳輸層服務，IP則提供網絡層服務。TCP是采用以太網通信，其特點為應用廣泛、成本低、通信速率高、利于信息集成與共享。

2 武漢地鐵直流供電系統的網絡結構設計

2.1 通信網絡結構的設備組成

目前，地鐵直流供電系統中主要設備有進線柜、饋線柜、負極柜、段子柜等。進線柜，就是從外部引進電源的開關柜，一般是從外部供電網絡引入電源，然后通過進線柜，到達機車運行時的電源母線；饋線柜，也叫作配線柜，是由電源母線出發分配出去的配電線路，分配給不同負荷的配電裝置；負極柜，是用于連接回流鋼軌的回流電纜和負極；端子柜，有很多轉接施工線路，對每一個分支線路進行標注，可以為布線和查線提供方便，屬于接口裝置。這些柜體中，一般有PLC、綜合保護裝置、觸摸屏、SCADA系統等，每個設備的接口不完全相同，例如PLC接口為RS485，綜合保護裝置接口為RS485和以太網，觸摸屏的接口為RS485，SCADA系統為以太網光纖和RS485等，每個設備都有自己的傳輸方式，有一對多和多對多等方式連接，因此連接方式錯綜復雜。

2.2 通信系統的連接方式

通信網絡系統的發展趨勢是逐漸趨向于開放、透明的通信協議，實現設備層到Internet層的無縫連接，從而后期可以很方便的實現功能擴展。

首先，在進線柜、負極柜、端子柜中，采用了PLC200設備，其設備支持RS-485通信，將設備與設備之間相互連接，最后連接到內部協議轉換機中，實現輸出信號是從RS-485到以太網，輸入信號是從以太網到RS-485，如圖3所示。

圖3 串口轉以太網

然后，饋線柜中，前段顯示的觸摸屏支持串口通信，因此饋線柜的保護裝置中，采取了與觸摸屏的串口連接。同時，保護裝置也支持以太網通信。于是，可以對每個饋線柜定義一個單獨的IP地址，然后，將協議轉換機轉換輸出的以太網端口與饋線柜的以太網端口，利用以太網交換機連接起來，這樣，就實現了所有數據信息的整合。如圖4所示。

圖4 多設備以太網接交換機

最后，在與數據采集與監視控制系統（SCADA）的連接中，將以太網通信信號轉換成光纖信號傳輸，避免了因距離和其他電磁場等影響信號質量的因素的干擾。從而實現了不同設備的統一。如圖5所示。

3 地鐵直流供電系統的通信網絡組成

3.1 Modbus/TCP通信原理

通信系統，是由Modbus協議和TCP協議共同組成，其中，應用層上采用Modbus協議，在物理層和數據鏈路層使用TCP協議，這樣，將Modbus TCP通信就把Modbus幀封裝嵌入到了TCP幀中，實現了Modbus報文在TCP上的傳輸。這種方法依然是請求/應答的模式，只是利用TCP通信協議的特點，改變了數據的發送方式，提高通信速率，其請求/應答的內容并沒有發生改變。TCP中為了識別Modbus應用數據單元，采用了專用報文頭，稱為MBAP，這種報文頭利用單個字節單元標識符取代通常Modbus的地址域，在數據域中添加了數據長度在字節數用來識別報文邊界。形式如圖6、圖7所示。

圖5 以太網轉光纖

圖6Modbus/TCP通信數據結構

其中，MBAP為7個字節長度，分別如下。

事務單元標識符：2個字節，負責事務處理配對，功能類似“地址域”，一個請求/應答的事務單元標識符必須相同；協議標識符：2個字節，表示協議類型，其中“00 00”表示MODBUS協議；長度：2個字節，指發送或接受的報文在“長度”之后的總字節數；單元標識符：1個字節，為系統內部路由使用，主要用于區分多臺電腦的連接；功能碼：1個字節，表示當前報文數據的作用；數據：根據功能碼的要求記錄請求/相應部分的數據信息。

3.2 Modbus/TCP通信協議在地鐵直流供電系統上的實現

在通信之前，首先，定義一系列的功能碼，每個功能碼定義了不同的功能，例如功能碼“03”，所代表的意思為“遙測”，然后在數據部分，定義了一個規約地址，例如規約地址“05”，代表遙測饋線電壓，規約地址“06”，代表遙測饋線電流。定義好通信信息以后，客戶端根據通信信息，發送相應的數據給客戶端，來獲取需要的信息，服務器根據接收的通信信息，發送對應的信息給客戶端，這樣，一個通信過程就完成了。

例如客戶端需要獲取饋線電流，然后服務器回復饋線電流值，其發送和接收到的Modbus幀如下表1、表2所示。

其中，請求部分的第1-2字節的“00 59”為事務單元標識符，第3-4字節的“00 00”為協議標識符，第5-6字節的發“00 06”為長度，表示后面的字節長度為6個字節，第7字節“52”為單元標識符，第8字節的“03”為功能碼，這里表示遙信，“00 06 00 01”為數據部分，03功能碼中，“00 06”表示寄存器地址，這里表示電流值，“00 01”表示讀取的寄存器數量。

響應部分第1-8字節意義相同，第9字節“02”為長度，表示隨后的響應數據部分長度，“80 84”為數據部分，對應二進制為：“1000000010000100”，其中，由于電流帶符號，第一位“1”表示“負數”，后面的“000000010000100”，表示電流大小，換算成十進制為“132”，因此，客戶端接收到服務器發送的電流大小為“-132A”。

4 結束語

通過協議之間的相互轉換以及利用Modbus與TCP/IP相結合等方式，使得設備之間的兼容性問題得到解決，并且各個模塊功能清晰明了，在武漢地鐵在運營中，這種地鐵直流供電系統解決方案呈現出高效、簡潔、快速、穩定等特點，能廣泛的使用在地鐵直流供電系統的遠程通信中。

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Communication Solutions of the Subway DC Power Supply

Wang Fan

(Wuhan Subway CO.,LTD.,Wuhan 430070, China)

TM78

A

1003-4862（2017）03-0033-03

2016-09-15

王凡（1985-），男，本科。研究方向：地鐵供電系統。