地鐵ModbusRTU控制設備功能檢測裝置研制及應用示范

張小杰

（北京市軌道交通運營管理有限公司，北京 100101）

1 背景

1.1 背景

Modbus[1]是一種串行通信協(xié)議，是由Mod icon 公司于1979年為使用可編程邏輯控制器(PLC)通信而發(fā)表，是現(xiàn)代工業(yè)中電子設備之間常用的連接方式。協(xié)議規(guī)定，控制器之間通訊采用主從技術，即主機可對各從機尋址，發(fā)出廣播信息，從機返回信息作為對查詢的響應[2]。現(xiàn)在Modbus 通訊協(xié)議已經(jīng)是工業(yè)領域全球最流行的協(xié)議之一[3]。其中ModbusRTU（英文全稱Remote Terminal Unit），即遠程終端控制系統(tǒng)，用于對現(xiàn)場信號、工業(yè)設備的監(jiān)測和控制。如設備出現(xiàn)功能異常，維修人員很難直觀地判斷故障原因。北京地鐵燕房線及大興機場線機電系統(tǒng)中如供電SCADA 系統(tǒng)的四遙單元、車站EPS 系統(tǒng)的采集模塊、信號電源系統(tǒng)的UPS 采集卡等設備采用Modbus RTU 協(xié)議通訊。

目前地鐵公司沒有Modbus RTU 設備的測試裝置，設備出現(xiàn)故障，維護人員只能憑經(jīng)驗排查，而缺乏有效的檢測措施，精確定位故障點，維修效率低。

為解決Modbus RTU 設備維修測試難題，提出自主研制出一種適用于Modbus RTU通訊協(xié)議控制設備功能檢測的測試裝置，協(xié)助維修人員快速發(fā)現(xiàn)設備故障原因，指導維修。從而提高維修效率及維修質(zhì)量，降低維修成本，延長設備使用壽命。詳細闡述了研制測試裝置的原理，編寫Modbus 測試軟件及HMI 組態(tài)軟件方法[4]。設計思路和方案供同行業(yè)參考。同時闡述了利用研制的測試裝置應用到現(xiàn)場故障檢測，協(xié)助維修人員快速確定故障原因。

1.2 目的

為解決Modbus RTU 設備維修測試難題，計劃自主研制出一種適用于Modbus RTU通訊協(xié)議控制設備功能檢測的測試裝置。

1.3 意義

本套檢測裝置能夠用于Modbus RTU設備的維修測試，協(xié)助維修人員快速發(fā)現(xiàn)設備故障原因，指導維修。從而提高維修效率及維修質(zhì)量，降低維修成本，延長設備使用壽命。

1.4 必要性

本套檢測裝置主要用于針對地鐵燕房線、大興機場線及19 號線ModbusRTU 設備的維修后的功能測試[5]。同時可用于Modbus RTU 設備的用于現(xiàn)場故障檢測，協(xié)助維修人員快速確定故障原因。

2 研究方案

2.1 工作內(nèi)容、目標

2.1.1 研究內(nèi)容

分析原設備，研制一種適用于Modbus RTU 通訊協(xié)議控制設備功能檢測的測試裝置。為地鐵各種Modbus RTU 設備進行功能檢測而開發(fā)測試平臺，該平臺集成了Modbus測試軟件及HMI組態(tài)軟件[6]，能夠針對不同型號的Modbus RTU設備設計配套的測試程序，通過模擬Modbus系統(tǒng)上位機，與被測設備建立通訊鏈接，通過數(shù)據(jù)交互，讀取被測設備的采集信息，與實際輸入狀態(tài)進行比較；向被測設備寫入控制指令，檢查被測設備是否能夠正確執(zhí)行。從而檢測被測設備監(jiān)視及控制功能是否存在異常。

2.1.2 研究目標

測試裝置能夠?qū)Σ捎肕odbus RTU通訊協(xié)議的控制設備進行以下功能檢測：

1）測試裝置能夠模擬系統(tǒng)上位機與被測設備進行通訊，讀取被測設備的輸入狀態(tài)及狀態(tài)變化，檢測被測設備的采集功能是否正常。

2）測試裝置能夠模擬系統(tǒng)上位機與被測設備進行通訊，向被測設備下發(fā)控制指令，測試被測設備是否能夠正常輸出，檢測被測設備遠程控制功能是否正常。

3）測試過程能夠動態(tài)顯示被測設備的實際工作過程，測試界面操作簡單。

4）能夠顯示測試成功次數(shù)，測試失敗次數(shù)，以及測試主機與被測設備的數(shù)據(jù)交互。

2.2 平臺組成介紹

2.2.1 系統(tǒng)硬件部分介紹

本套測試裝置由測試主機（含測試軟件）、通訊卡、通訊電纜、電源及仿真器組成。

圖1 系統(tǒng)組成

2.2.2 測試主機

臺式計算機，具有COM 通訊及USB 端口，安裝ModbusPoll及HMIBuilder4.0測試軟件，完成人界交互以及與下位機通信。

2.2.3 通訊卡

USB/RS485 通訊卡或232/485 轉(zhuǎn)接卡，完成上位機與測試設備的協(xié)議轉(zhuǎn)換及通信。

2.2.4 通訊線纜

使用RVVP2×0.5mm2電纜制作；電纜的一端接通訊卡的A/B，電纜的另外一端焊接DB9端子，與被測設備的通訊端口的A/B連接（具體連接需要參考設備通訊端口物理形式及管腳定義）[7]

圖2 RS485管腳定義

2.2.5 數(shù)字量仿真器

數(shù)字量信號使用一組撥斷開關來模擬，開關一側(cè)接電源，另一側(cè)接被測設備的數(shù)字量輸入端（DI：digital input)。當開關接通后，對應的輸入通道電壓由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，表示該通道的輸入信號有效。

圖3 數(shù)字量仿真器

2.2.6 模擬量仿真器

模擬量信號使用電位器仿真，產(chǎn)生4～20mA 或0-10V連續(xù)可調(diào)的電壓或電流信號，模擬量通常為傳感器反饋信號，表示現(xiàn)場傳感器采集的水位/壓力/溫度的變化。將仿真器輸出信號接入被測設備對應的模擬量輸入端（AI：Analog input）

圖4 模擬量仿真器

2.3 通訊協(xié)議分析

測試工裝設計用于多種ModbusRTU 控制設備的功能檢測。針對不同型號的被測設備，需要編制相應的測試程序。主要流程如下：

1）分析被測設備的通訊分析

表1 通訊分析

2）分析被測設備的ModbusRTU寄存器

Modbus 系統(tǒng)上位機通過Modbus 寄存器與現(xiàn)場Modbus RTU 控制設備進行數(shù)據(jù)交互（對寄存器進行讀/寫）。不同廠家的Modbus RTU 設備使用寄存器及寄存器的應用定義是不同的，需要提前進行分析了解。下表為燕房線及大興機場線使用的控制設備寄存器列表：

表2 燕房線及大興機場線使用的控制設備寄存器列表

2.4 系統(tǒng)應用

2.4.1 軟件配置及編程

1）設置子站通訊參數(shù)

圖5 設置子站通訊參數(shù)1

圖6 設置子站通訊參數(shù)2

2）定義工程變量：

將變量與需要進行信息交互的Modbus 寄存器關聯(lián)

圖7 定義工程變量1

圖8 定義工程變量2

3）完成測試人機界面的設計，并建立變量與動畫的連接。完成程序設計

圖9 人機界面設計

圖10 程序設計

2.4.2 應用實例

2022 年4 月，供電專業(yè)EPS 直流采集模塊（ZHZX-23-192V）故障。該模塊為大連國彪電源集團有限公司生產(chǎn)，用于采集EPS 蓄電池組（16 臺）電池電壓。模塊采用Modbus RTU 協(xié)議通訊，將電池信息上傳至EPS 系統(tǒng)人機界面，EPS 受車站TIAS 系統(tǒng)監(jiān)控。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)EPS 人機界面顯示第1 至10 組電池電壓為0V，EPS告警。

1）直流采集模塊（ZH-ZX-23-192V）其原理圖如下：

圖11 直流采集模塊原理圖

2）直流采集模塊（ZH-ZX-23-192V）其外觀及內(nèi)部器件如下：

圖12 直流采集模塊內(nèi)部器件

3）EPS直流采集模塊基本工作原理分析

單片機控制光耦繼電器AQW214EH，按時序依次閉合，分別BT1至BT16電池的電壓接入運放，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）轉(zhuǎn)換后輸入處理器。經(jīng)使用萬用表測量光耦繼電器AQW214EH 未按時序閉合，為開路狀態(tài)，判斷為光耦繼電器故障，更換后正常，故障消失。

圖13 光耦繼電器

4）使用Modbus RTU通訊協(xié)議控制設備功能檢測的測試裝置進行測試，結(jié)果正常。

結(jié)論如下：

通過研制Modbus RTU 控制設備功能檢測裝置，能夠完成SCADA 系統(tǒng)的四遙單元、車站EPS 系統(tǒng)的采集模塊、信號電源系統(tǒng)的UPS采集卡等設備維修后的功能測試，解決了相關設備的檢測難題，提高了維修效率及質(zhì)量。同時，通過各種測試裝置的不斷研制，推進了電子設備維修的精細化及標準化。

3 應用效益

3.1 經(jīng)濟效益

本測試裝置的研制成功，提高了電子設備的維修檢測水平，使設備恢復原廠技術性能，從而避免設備報廢，延長設備使用壽命，同時提高設備維修效率。據(jù)估算，每年針對ModbusRTU控制設備維護成本預計節(jié)省約3.5萬元，維修效率提高50%。

3.2 社會效益

促進了地鐵行業(yè)自控設備檢測技術發(fā)展，提高維修效率，提高了維修人員的業(yè)務水平。

3.3 成果推廣

本項目的技術方案可推廣應用于地鐵燕房線、大興機場線及19 號線現(xiàn)場維護使用，為一線專業(yè)提供Modbus RTU設備配套的測試環(huán)境。

4 結(jié)論

通過本文提出自主研制出一種適用于Modbus RTU通訊協(xié)議控制設備功能檢測的測試裝置，實現(xiàn)了能夠模擬系統(tǒng)上位機與被測設備進行通訊，讀取被測設備的輸入狀態(tài)及狀態(tài)變化，檢測被測設備的采集功能是否正常，協(xié)助維修人員分析解決故障設備，提升科技創(chuàng)新目標，達到降本增效的目的，設計思路和方案供同行業(yè)參考。