基于Modbus TCP協議的地鐵虛擬操縱臺系統設計

崔靖元，魏春光，曾 潔

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

網絡和信息技術的發展大大提高了地鐵系統的智能化程度，目前地鐵司機操縱臺結構復雜，存在指示燈和機械按鈕較為繁多且分散，司機顯示單元（DDU）提供的信息不夠形象直觀，傳統機械式儀表誤差較大等問題[1-2]，增加了司機高效、準確、全方位地完成駕駛作業的勞動強度，不利于列車安全運行。

本文基于地鐵司機操縱臺的布局結構和功能，采用Kinco HMIware 軟件設計了一種人機交互界面，通過ModSim32 軟件建立Modbus TCP 服務器端，開發了一個基于以太網的車載信息顯示與控制系統，并通過VNC（virtual network computing）協議實現了人機界面的遠程監控。

1 總體方案設計

為了向司機提供簡潔、直觀的可視化界面，減少接收信息的視覺疲勞和時間，主駕駛界面采用圖形化設計。下位機采集到的車載數據轉換成數字或圖像顯示在屏幕中各區域，操縱臺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則用來表示列車各子系統的設備狀態和信息。該系統總體設計如圖1所示，從功能上劃分為顯示區、控制區和子系統狀態區3 部分。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 Block diagram of system overall design

1.1 顯示區

司機在列車啟動前可設置車次編號、司機工號和行駛路線。運行過程中主界面實時顯示列車到站、位置、速度、軸溫、牽引功率、制動缸壓力、網壓和網流等主要車載信息，當數據異常則觸發報警顯示。

1.2 控制區

本設計采用6 節編組地鐵列車，界面中車廂與車門均為觸控元件，采用圖形化設計，通過編寫宏指令，點擊某一節車廂即可進入該車廂狀態界面，點擊車門可實現車門開關，左右司機室圖標下方分別設置了左側/右側車門全部開啟元件，方便司機集中控制。功能區主要包括列車啟動、緊急制動、廣播、鳴笛、各指示燈和駕駛模式切換等元件，設置在界面左側防止司機誤觸[3-5]。牽引制動控制區可進行電機控制，在非自動駕駛模式下實現列車速度的人工控制。

1.3 子系統狀態區

主界面下方的圖標為各子系統狀態區，通過對列車實時數據進行顯示、分析和存儲，實現相應的功能需求，保證列車高效且安全地行駛；同時各子系統界面頂部保留了顯示區界面，幫助司機在子模塊操作的同時也能實時監測重要行車數據。

2 各子系統功能設計

2.1 牽引與制動系統

設置滾動條元件，按壓滑塊移動可以改變控制器字寄存器的值，進而控制電機轉速與轉矩，上推滑塊時電磁轉矩與轉子轉速同向，實現電機牽引；下拉滑塊時電磁轉矩為負，電機處于再生制動狀態（異步發電狀態）[6]。編寫宏文件，根據乘車率、電機轉速和轉矩，計算出牽引功率和制動功率。設置位狀態指示燈和數值顯示元件，車廂乘車率、電機轉速、電機功率、制動功率、高速斷路器狀態和空壓機狀態分別顯示在對應車廂下方，便于司機檢查。其中牽引功率和制動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，代替了傳統的機械儀表。該系統的數據顯示區結構如圖2所示。

圖2 牽引制動系統顯示區結構框圖Fig.2 Block diagram of display area of traction braking system

2.2 路線設置系統

設計采用數值輸入元件登記列車編號與司機工號，通過多狀態設定元件選擇線路和上行（下行）方向，若站臺變動也可在下拉菜單中另行設置始發站和終到站。基于“故障導向安全”原則和列車的節能減耗，選擇多狀態切換元件實現自動駕駛（AM）、信號保護下的人工駕駛（PM）、自動防護駕駛（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

該界面可實時監測列車供電系統的各項數據，保障運行安全。通過多狀態設定元件的數值加減功能，控制下位機設備實現車頂受電弓的升降。受電弓、牽引逆變器（VVVF）、輔助逆變器（SIV）工作狀態由位狀態指示燈元件表示。通過設置數值顯示元件，司機可查看列車運行中SIV 電壓、VVVF 電壓、蓄電池溫度與電壓、網壓和網流的實時數據。設置報警值，當數值達到上限則狀態指示燈和數據顯示變成紅色，并觸發報警。

2.4 速度系統

選用表針元件，將下位機采集的速度實時數據通過儀表顯示。本設計設置速度最大值為120 km/h，當速度達到80 km/h 觸發報警；采用淺藍色主背景、深藍色報警上限區、白色刻度值和黑色表針，色調柔和且有辨識度，為司機提供美觀的界面和形象直觀的速度信息。

2.5 空調系統

空調系統的設計，按功能劃分為控制模塊和顯示模塊。在控制模塊中，設置位狀態切換元件，圖形設計為車廂，司機可點擊車廂圖標開啟或關閉空調；每個車廂下方設有4 個位狀態設定元件和2 個多狀態設定元件，通過宏指令編寫，分別實現當前車廂空調制冷、制熱、加濕或通風模式的切換與空調溫度的升降。在顯示模塊中，將下位機采集到的溫度、濕度實時數據分別在對應車廂下方的數值顯示元件中表示；每節車廂的壓縮機、通風機和冷凝風機狀態通過多狀態顯示元件表示，綠色為正常，黃色為故障，紅色為停止[8]。該系統功能組成如圖3所示。

圖3 空調系統功能組成框圖Fig.3 Functional composition block diagram of air conditioning system

2.6 消息記錄系統

通過對人機界面內部寄存器地址進行分配，建立車載事件信息數據庫，登記并存儲列車運行的控制指令、設備狀態信息和故障信息。采用事件顯示元件和報警顯示元件表示狀態信息，并將歷史事件存儲到配方寄存器或外部設備中，以便于行車實時數據的分析與記錄。

2.7 車廂狀態系統

主界面點擊某一車廂圖標即車廂狀態可進入該車廂的狀態界面。該界面上方實時顯示重要行車信息；左側采用攝像頭元件，通過外接攝像頭實時監測車廂內部狀態，便于司機觀察車廂突發情況；下方的數值顯示元件反映車廂溫度、濕度和乘車率；界面右側設置位狀態切換開關元件，用于執行車廂內部的空調、廣播、緊急電話、車廂照明燈和報警指示燈的開啟或關閉操作，并選用多狀態設定元件實現內部溫度控制。該系統結構如圖4所示。

圖4 車廂狀態系統結構圖Fig.4 Compartment state system structure diagram

2.8 軸溫系統

車廂圖標下方設置多狀態顯示元件，圖形設計為地鐵輪對。該系統將軸箱的溫度傳感器采集到的數據實時顯示在各輪對圖標下方，同時在數據庫中建立軸溫報警閾值，當軸溫在50 ℃以下時，輪對為灰色（正常狀態）；50 ℃～80 ℃為黃色（預警狀態），使司機提高警惕；80 ℃以上為紅色（報警狀態），司機應立即減速或停車檢查。該系統為地鐵司機提供了簡潔、直觀的軸溫顯示信息，保障其高效完成駕駛作業。

2.9 定位系統

該模塊主要分為列車位置實時顯示和站臺動態信息顯示兩部分。實時位置顯示采用棒圖元件，通過讀取控制器中寄存器的數據，將讀取的實際值與設定的最大值/最小值之間的百分比關系用柱狀圖形式表示，實現車與站臺之間距離關系變化。下位機控制器將讀取到的站臺信息發送到人機界面，通過數值顯示和文本顯示元件，動態顯示當前站和下一站，為司機提供實時信息。

2.10 遠程監控系統

本設計選用VNC 協議實現司機室人機界面的遠程監控，該系統流程如圖5所示。人機界面作為VNC Server 端，設置其IP 地址、子網掩碼和網關[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 設置操作密碼，實現服務器端的設定。在局域網監控中，PC 和智能手機使用VNC Viewer 軟件作為客戶端，輸入IP 地址和密碼即可與人機界面建立連接；瀏覽器在網址欄輸入IP 地址以及端口號，子頁面輸入密碼，實現實時監控。在互聯網監控中，對觸摸屏所在地的路由器進行IP 地址和端口號的映射動作，使用外網PC 或其他移動終端的VNC Viewer 軟件，按照局域網訪問的操作方法即可顯示遠程人機界面。

圖5 遠程監視系統流程Fig.5 Remote monitoring system flow chart

3 通訊模塊設計

3.1 Modbus TCP 通訊協議

Modbus TCP 是基于TCP/IP 協議的工控應用協議，通訊采用主/從方式，該協議通過以太網實現控制器和設備之間的通信，易于集成不同設備[10]，具有良好的網絡傳輸能力，解決了Modbus 總線協議傳輸距離短的問題，其數據幀格式如表1所示[11]。

表1 Modbus TCP 數據幀格式Tab.1 Modbus TCP data frame format

3.2 人機界面通信的實現

Kinco HMIware 軟件完成界面設計和C 語言代碼編寫后，對程序進行編譯和離線模擬，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

本設計中人機界面模擬Modbus TCP 客戶端，選用ModSim32 軟件模擬服務器端，設置起始地址0x0001、數據長度208、設備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，端口號默認為502。

通過ModSim32 切換線圈寄存器和保持寄存器類型，修改寄存器的數值，實現了主界面和各子系統元件的數值顯示、狀態顯示和儀表顯示功能；點擊觸摸屏中的功能元件和位、字設定元件，ModSim32寄存器的數值動態地變化，執行控制指令；點擊攝像頭元件，對應的位寄存器數值變為1，車廂狀態界面實時顯示外接攝像頭輸入的視頻畫面；點擊VNC 功能元件，設置操作密碼與查詢密碼，內部寄存器數值發生變化，筆記本電腦和手機通過局域網和互聯網均可控制與監測人機界面，實現遠程監控功能。

使用科來網絡分析系統11 軟件，對本次Modbus TCP 傳輸性能進行研究，分析結果如圖7所示。觸摸屏不斷的向下位機發送TCP 請求，當Modsim32 返回數據，則建立Modbus TCP 通信。結果顯示，通訊過程中數據傳輸性能良好，實現了系統中各模塊的顯示與控制功能。

圖7 系統傳輸性能分析Fig.7 System transmission performance analysis

4 結語

本文根據地鐵司機室操縱臺功能需求與發展現狀，設計了一種多功能人機監控界面，并通過Modbus TCP 通訊仿真，實現了主界面和各子系統的儀表、實時行車數據以及設備狀態的顯示與控制。本系統界面設計簡潔美觀，易于操作，有效提高了司機操縱臺的智能化程度，便于司機高效地完成駕駛作業。