储能式有轨电车人机通讯技术研究及实现

徐 晖，魏 伟，史宁波

（1.中铁建电气化局集团南方工程有限公司，湖北武汉430071；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京211106）

储能式有轨电车人机通讯技术研究及实现

徐 晖1，魏 伟2，史宁波2

（1.中铁建电气化局集团南方工程有限公司，湖北武汉430071；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京211106）

针对储能式有轨电车充电装置控制系统的特点及运行的需要，设计了基于Modbus TCP通讯协议的人机交互系统，采用PowerPC平台完成充电装置的数据采集和充电方式等的控制。重点研究了人机交互系统中Vxworks系统与触摸屏的通讯功能实现方法，使用该人机通讯系统不仅保证了充电装置的正常运行，而且经过简单的重新配置即可应用到其他需要人机交互的控制系统中，可移植性强。

充电装置；触摸屏；Vxworks；Modbus TCP

1 引言

武汉市大汉阳地区现代有轨电车试验工程线路全长19.955km，采用储能式有轨电车。在车站及车辆段通过充电装置和充电网为储能式有轨电车提供大功率快速直流充电。为了充电站现场人员能实时观测充电设备的状态和实现相关参数的调整，专门配套了柜体HMI人机界面与控制器通讯系统，利用控制器网口，以Modbus TCP方式实现控制器与HMI的数据交互。

2 人机界面功能简介

该系统有自动、触摸屏、远程监控三种模式。系统默认的是自动模式［1］，该模式下，将自动执行控制器程序流程，同时可接收远程监控室发出的指令；当充电系统某些参数改变，调试人员可在HMI上将系统运行模式改为触摸屏模式，并写入新的参数，控制器程序将按新设定的参数执行。通讯系统框图如图1报示。

该通讯系统通信内容既有只需显示的设备参数，如：充电设备输入输出电流、电压，进出站标志，设备状态等；也包括可对设备开关进行动作操控和设备充电相关参数的设定，如：自动与触摸屏模式转换，隔离开关分合，恒流或恒压充电时的设定值等；还包括设备元件出现故障时的报警显示等。

图1 通讯系统框图

3 控制器通讯系统实现

该通讯系统将触摸屏作为Modbus TCP client，先发送查询指令，控制器作为sever，回复触摸屏的查询内容。整个通讯系统功能实现主要包括触摸屏端的人机界面程序和控制器端的数据处理程序。

3.1 HMI程序

触摸屏采用昆仑通态嵌入式版，在其对应的组态软件上实现界面功能，该软件可在Windows 2000和Windows XP操作系统下运行。可通过控件拖放、编写脚本语言等实现相应功能，还可以通过密码的形式设定不同级别的用户登录权限，防止非调试人员的误操作。触摸屏通过网口和控制器连接，Modbus协议可在软件环境的设备窗口中添加设备管理元件为通用TCP／IP父设备，并选择Modbus TCP作为通讯子设备，具体界面如图2所示。

图2 Modbus TCP功能设置界面

人机界面工程编译完成后可通过网线或U盘直接下载到触摸屏中，使用方便。

3.2 PPC 控制器介绍

控制系统采用PowerPC平台及Vxworks实时操作系统，控制性能好，可扩展性强。可以实现电流、电压、温度等信号的采集、处理；还可以实现设备异常、防雷、短路、过流等故障保护；可通过以太网将正常运行、故障、维护、充电是否完成等系统状态上传给监控系统，保证中控室实时监测车辆的充电状态。

3.3 系统软件实现

3.3.1 通讯功能建立

VxWorks操作系统是一种嵌入式实时操作系统（RTOS），该系统具有可裁减性，可靠性高、实时性强等特点。为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及任务间通信。支持二进制信号量、互斥信号量、消息邮箱等资源共享方式。

两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。socket（）、bind（）、accept（）套接字系统可以作为服务器端完成相关的信息建立。VxWorks提供了标准的BSD socket调用，具有Stream socket、Datagram sockets两种类型，前者支持TCP协议，后者支持UDP协议。

套接字采用阻塞模式，即在I／O操作完成前，执行的操作函数一直等候而不会立即返回，该函数所在的线程会阻塞在这里。如接收数据函数recv（），如果此时套接字缓冲区内没有数据可读，则调用线程在数据到来前一直睡眠；发送数据函数send（），如果套接字缓冲区没有可用空间，线程会一直睡眠，直到有空间；接受函数accept（）等待接受对方的连接请求，如果此时没有连接请求，线程就会进入睡眠状态［2］。程序流量如图3所示。

图3 TCP服务器程序设计流程图

3.3.2 通讯数据处理

如图4、图5所示，触摸屏与控制器通讯功能建立后，通过recv函数从和触摸屏的TCP连接中接收数据并存放到缓冲区，处理服务请求是对通讯数据进行处理。该过程将调用函数msgQSend（）把前面放到缓冲区的数据消息发送到消息队列。再调用函数msgQReceive（）从消息队列中取出数据信息并进行解析，主要用到了Modbus协议中的03、06功能码。03码将设备中的参数变量上传至HMI显示，06码的作用是接受HMI的操控设定。

图4 控制器收到HMI请求数据处理流程

图5 HMI收到控制器回复

包括控制器上传到触摸屏上显示的数据和触摸屏下发的操作信息。系统通信时所使用的Modbus 协议功能码主要包括 03H、06H 等［3］。触摸屏主界面如图6所示。

图6 HMI主界面

由于控制器是服务器端，会接收到来自触摸屏端的查询信息。如果没有任务等待消息队列的消息，这个消息将被添加到消息缓存的队列里。如果已经有任务在等待消息队列中的消息，消息立刻被传递给第一个等待的消息的任务。

3.3.3 拓展网口通讯功能

该通讯系统中，控制器有两个网口，其中一个留给控制器本身的上位调试界面固定使用，远程后台监控系统和触摸屏通讯内容需公用一个网口，采用工业以太网交换机可解决同一网口中来自不同端口的数据传输问题。实现方式是在应用程序建立socket时，触摸屏建的套接字和远程建的套接字绑定同一个IP，使用不同端口，在现场应用中，该方式运行稳定。

4 结束语

本研究介绍了基于Modbus Tcp协议以触摸屏和控制器为核心的人机交互系统，研究了触摸屏作为客户端实时发送查询指令，控制器作为服务器端接收到正确请求后返回相应数据的通信方法，该方法解决了有轨电车充电装置系统中相关参数的实时通信问题。同时，经过简单的重新配置，该通信系统还可应用于其他需要人机交互的控制系统中，具有很好的可移植性和广泛的适用性。

［1］顾波飞，赵伟杰，吴开华.基于Modbus协议的单片机与触摸屏通信设计［J］.机电工程，2012，29（1）：104－107.

［2］邝 坚.Tornado／VxWorks入门与提高［M］.北京：科学出版社，2004.83－85，103.

［3］孟 华，王鹏达，李明伟.基于Modbus协议的触摸屏与PIC单片机的通信实现［J］.仪表技术与传感器，2009，（10）：58－60.

Research and realization of the man－machine communication technology of the energy storage type trolley

XU Hui1，WEI Wei2，SHI Ning－bo2
（1.China Railway Construction Electrification Bureau Group South Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430071，China；2.Nari Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

According to the charging characteristics of the control system of the energy storage type trolley and the needs of the operation，the man－machine interaction system based on the Modbus TCP communication protocol is designed.The PowerPC platform is used to complete the control of the data acquisition and the charging method.The realization methods of the man－machine interaction Vxworks system and the touch screen communication functions are presented.This man－machine communication system can ensure the normal operation of the charging device，and after reconfigured，it also can be applied to the other man－machine interactive control systems，and it has strong transplanting capability.

charging device；touch screen；Vxworks；Modbus TCP

TP277

A

1005—7277（2016）05—0041—04

徐 晖（1987－），男，本科，工程师，就职于中铁建电气化局集团南方工程有限公司，主要研究方向为城市轨道交通及铁路供用电技术、继电保护等。

2016－08－01