基于Modbus TCP协议的地铁虚拟操纵台系统设计

崔靖元，魏春光，曾 洁

（1.大连交通大学 电气信息工程学院，大连116028；2.中车大连机车车辆有限公司，大连116022）

网络和信息技术的发展大大提高了地铁系统的智能化程度，目前地铁司机操纵台结构复杂，存在指示灯和机械按钮较为繁多且分散，司机显示单元（DDU）提供的信息不够形象直观，传统机械式仪表误差较大等问题[1-2]，增加了司机高效、准确、全方位地完成驾驶作业的劳动强度，不利于列车安全运行。

本文基于地铁司机操纵台的布局结构和功能，采用Kinco HMIware 软件设计了一种人机交互界面，通过ModSim32 软件建立Modbus TCP 服务器端，开发了一个基于以太网的车载信息显示与控制系统，并通过VNC（virtual network computing）协议实现了人机界面的远程监控。

1 总体方案设计

为了向司机提供简洁、直观的可视化界面，减少接收信息的视觉疲劳和时间，主驾驶界面采用图形化设计。下位机采集到的车载数据转换成数字或图像显示在屏幕中各区域，操纵台的可控按钮通过软件中的各功能元件表示，而界面中的形象图标则用来表示列车各子系统的设备状态和信息。该系统总体设计如图1所示，从功能上划分为显示区、控制区和子系统状态区3 部分。

图1 系统总体设计框图Fig.1 Block diagram of system overall design

1.1 显示区

司机在列车启动前可设置车次编号、司机工号和行驶路线。运行过程中主界面实时显示列车到站、位置、速度、轴温、牵引功率、制动缸压力、网压和网流等主要车载信息，当数据异常则触发报警显示。

1.2 控制区

本设计采用6 节编组地铁列车，界面中车厢与车门均为触控元件，采用图形化设计，通过编写宏指令，点击某一节车厢即可进入该车厢状态界面，点击车门可实现车门开关，左右司机室图标下方分别设置了左侧/右侧车门全部开启元件，方便司机集中控制。功能区主要包括列车启动、紧急制动、广播、鸣笛、各指示灯和驾驶模式切换等元件，设置在界面左侧防止司机误触[3-5]。牵引制动控制区可进行电机控制，在非自动驾驶模式下实现列车速度的人工控制。

1.3 子系统状态区

主界面下方的图标为各子系统状态区，通过对列车实时数据进行显示、分析和存储，实现相应的功能需求，保证列车高效且安全地行驶；同时各子系统界面顶部保留了显示区界面，帮助司机在子模块操作的同时也能实时监测重要行车数据。

2 各子系统功能设计

2.1 牵引与制动系统

设置滚动条元件，按压滑块移动可以改变控制器字寄存器的值，进而控制电机转速与转矩，上推滑块时电磁转矩与转子转速同向，实现电机牵引；下拉滑块时电磁转矩为负，电机处于再生制动状态（异步发电状态）[6]。编写宏文件，根据乘车率、电机转速和转矩，计算出牵引功率和制动功率。设置位状态指示灯和数值显示元件，车厢乘车率、电机转速、电机功率、制动功率、高速断路器状态和空压机状态分别显示在对应车厢下方，便于司机检查。其中牵引功率和制动缸压力的显示采用表针元件，以仪表图的方式显示在主界面，代替了传统的机械仪表。该系统的数据显示区结构如图2所示。

图2 牵引制动系统显示区结构框图Fig.2 Block diagram of display area of traction braking system

2.2 路线设置系统

设计采用数值输入元件登记列车编号与司机工号，通过多状态设定元件选择线路和上行（下行）方向，若站台变动也可在下拉菜单中另行设置始发站和终到站。基于“故障导向安全”原则和列车的节能减耗，选择多状态切换元件实现自动驾驶（AM）、信号保护下的人工驾驶（PM）、自动防护驾驶（SM）、限制式人工驾驶（RM）和非限制式人工驾驶（NRM）5 种列车驾驶模式[7]的切换。

2.3 供电系统

该界面可实时监测列车供电系统的各项数据，保障运行安全。通过多状态设定元件的数值加减功能，控制下位机设备实现车顶受电弓的升降。受电弓、牵引逆变器（VVVF）、辅助逆变器（SIV）工作状态由位状态指示灯元件表示。通过设置数值显示元件，司机可查看列车运行中SIV 电压、VVVF 电压、蓄电池温度与电压、网压和网流的实时数据。设置报警值，当数值达到上限则状态指示灯和数据显示变成红色，并触发报警。

2.4 速度系统

选用表针元件，将下位机采集的速度实时数据通过仪表显示。本设计设置速度最大值为120 km/h，当速度达到80 km/h 触发报警；采用浅蓝色主背景、深蓝色报警上限区、白色刻度值和黑色表针，色调柔和且有辨识度，为司机提供美观的界面和形象直观的速度信息。

2.5 空调系统

空调系统的设计，按功能划分为控制模块和显示模块。在控制模块中，设置位状态切换元件，图形设计为车厢，司机可点击车厢图标开启或关闭空调；每个车厢下方设有4 个位状态设定元件和2 个多状态设定元件，通过宏指令编写，分别实现当前车厢空调制冷、制热、加湿或通风模式的切换与空调温度的升降。在显示模块中，将下位机采集到的温度、湿度实时数据分别在对应车厢下方的数值显示元件中表示；每节车厢的压缩机、通风机和冷凝风机状态通过多状态显示元件表示，绿色为正常，黄色为故障，红色为停止[8]。该系统功能组成如图3所示。

图3 空调系统功能组成框图Fig.3 Functional composition block diagram of air conditioning system

2.6 消息记录系统

通过对人机界面内部寄存器地址进行分配，建立车载事件信息数据库，登记并存储列车运行的控制指令、设备状态信息和故障信息。采用事件显示元件和报警显示元件表示状态信息，并将历史事件存储到配方寄存器或外部设备中，以便于行车实时数据的分析与记录。

2.7 车厢状态系统

主界面点击某一车厢图标即车厢状态可进入该车厢的状态界面。该界面上方实时显示重要行车信息；左侧采用摄像头元件，通过外接摄像头实时监测车厢内部状态，便于司机观察车厢突发情况；下方的数值显示元件反映车厢温度、湿度和乘车率；界面右侧设置位状态切换开关元件，用于执行车厢内部的空调、广播、紧急电话、车厢照明灯和报警指示灯的开启或关闭操作，并选用多状态设定元件实现内部温度控制。该系统结构如图4所示。

图4 车厢状态系统结构图Fig.4 Compartment state system structure diagram

2.8 轴温系统

车厢图标下方设置多状态显示元件，图形设计为地铁轮对。该系统将轴箱的温度传感器采集到的数据实时显示在各轮对图标下方，同时在数据库中建立轴温报警阈值，当轴温在50 ℃以下时，轮对为灰色（正常状态）；50 ℃～80 ℃为黄色（预警状态），使司机提高警惕；80 ℃以上为红色（报警状态），司机应立即减速或停车检查。该系统为地铁司机提供了简洁、直观的轴温显示信息，保障其高效完成驾驶作业。

2.9 定位系统

该模块主要分为列车位置实时显示和站台动态信息显示两部分。实时位置显示采用棒图元件，通过读取控制器中寄存器的数据，将读取的实际值与设定的最大值/最小值之间的百分比关系用柱状图形式表示，实现车与站台之间距离关系变化。下位机控制器将读取到的站台信息发送到人机界面，通过数值显示和文本显示元件，动态显示当前站和下一站，为司机提供实时信息。

2.10 远程监控系统

本设计选用VNC 协议实现司机室人机界面的远程监控，该系统流程如图5所示。人机界面作为VNC Server 端，设置其IP 地址、子网掩码和网关[9]，本地寄存器LB9290 置1 开启VNC 功能，寄存器LB9292 置1 使能操作密码，寄存器LB10146 设置操作密码，实现服务器端的设定。在局域网监控中，PC 和智能手机使用VNC Viewer 软件作为客户端，输入IP 地址和密码即可与人机界面建立连接；浏览器在网址栏输入IP 地址以及端口号，子页面输入密码，实现实时监控。在互联网监控中，对触摸屏所在地的路由器进行IP 地址和端口号的映射动作，使用外网PC 或其他移动终端的VNC Viewer 软件，按照局域网访问的操作方法即可显示远程人机界面。

图5 远程监视系统流程Fig.5 Remote monitoring system flow chart

3 通讯模块设计

3.1 Modbus TCP 通讯协议

Modbus TCP 是基于TCP/IP 协议的工控应用协议，通讯采用主/从方式，该协议通过以太网实现控制器和设备之间的通信，易于集成不同设备[10]，具有良好的网络传输能力，解决了Modbus 总线协议传输距离短的问题，其数据帧格式如表1所示[11]。

表1 Modbus TCP 数据帧格式Tab.1 Modbus TCP data frame format

3.2 人机界面通信的实现

Kinco HMIware 软件完成界面设计和C 语言代码编写后，对程序进行编译和离线模拟，模拟界面如图6所示。

图6 主界面离线模拟图Fig.6 Offline simulation map of the main interface

本设计中人机界面模拟Modbus TCP 客户端，选用ModSim32 软件模拟服务器端，设置起始地址0x0001、数据长度208、设备ID 为1，寄存器类型选择线圈寄存器和保持寄存器，连接方式为Modbus/TCP Svr，端口号默认为502。

通过ModSim32 切换线圈寄存器和保持寄存器类型，修改寄存器的数值，实现了主界面和各子系统元件的数值显示、状态显示和仪表显示功能；点击触摸屏中的功能元件和位、字设定元件，ModSim32寄存器的数值动态地变化，执行控制指令；点击摄像头元件，对应的位寄存器数值变为1，车厢状态界面实时显示外接摄像头输入的视频画面；点击VNC 功能元件，设置操作密码与查询密码，内部寄存器数值发生变化，笔记本电脑和手机通过局域网和互联网均可控制与监测人机界面，实现远程监控功能。

使用科来网络分析系统11 软件，对本次Modbus TCP 传输性能进行研究，分析结果如图7所示。触摸屏不断的向下位机发送TCP 请求，当Modsim32 返回数据，则建立Modbus TCP 通信。结果显示，通讯过程中数据传输性能良好，实现了系统中各模块的显示与控制功能。

图7 系统传输性能分析Fig.7 System transmission performance analysis

4 结语

本文根据地铁司机室操纵台功能需求与发展现状，设计了一种多功能人机监控界面，并通过Modbus TCP 通讯仿真，实现了主界面和各子系统的仪表、实时行车数据以及设备状态的显示与控制。本系统界面设计简洁美观，易于操作，有效提高了司机操纵台的智能化程度，便于司机高效地完成驾驶作业。