張小杰

（北京市軌道交通運(yùn)營(yíng)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(shè)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(shù)，即主機(jī)可對(duì)各從機(jī)尋址，發(fā)出廣播信息，從機(jī)返回信息作為對(duì)查詢(xún)的響應(yīng)[2]。現(xiàn)在Modbus 通訊協(xié)議已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議之一[3]。其中ModbusRTU（英文全稱(chēng)Remote Terminal Unit），即遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)，用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。如設(shè)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(jī)場(chǎng)線機(jī)電系統(tǒng)中如供電SCADA 系統(tǒng)的四遙單元、車(chē)站EPS 系統(tǒng)的采集模塊、信號(hào)電源系統(tǒng)的UPS 采集卡等設(shè)備采用Modbus RTU 協(xié)議通訊。

目前地鐵公司沒(méi)有Modbus RTU 設(shè)備的測(cè)試裝置，設(shè)備出現(xiàn)故障，維護(hù)人員只能憑經(jīng)驗(yàn)排查，而缺乏有效的檢測(cè)措施，精確定位故障點(diǎn)，維修效率低。

為解決Modbus RTU 設(shè)備維修測(cè)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(shè)備功能檢測(cè)的測(cè)試裝置，協(xié)助維修人員快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障原因，指導(dǎo)維修。從而提高維修效率及維修質(zhì)量，降低維修成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。詳細(xì)闡述了研制測(cè)試裝置的原理，編寫(xiě)Modbus 測(cè)試軟件及HMI 組態(tài)軟件方法[4]。設(shè)計(jì)思路和方案供同行業(yè)參考。同時(shí)闡述了利用研制的測(cè)試裝置應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)故障檢測(cè)，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(shè)備維修測(cè)試難題，計(jì)劃自主研制出一種適用于Modbus RTU通訊協(xié)議控制設(shè)備功能檢測(cè)的測(cè)試裝置。

1.3 意義

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

1.4 必要性

本套檢測(cè)裝置主要用于針對(duì)地鐵燕房線、大興機(jī)場(chǎng)線及19 號(hào)線ModbusRTU 設(shè)備的維修后的功能測(cè)試[5]。同時(shí)可用于Modbus RTU 設(shè)備的用于現(xiàn)場(chǎng)故障檢測(cè)，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(biāo)

2.1.1 研究?jī)?nèi)容

分析原設(shè)備，研制一種適用于Modbus RTU 通訊協(xié)議控制設(shè)備功能檢測(cè)的測(cè)試裝置。為地鐵各種Modbus RTU 設(shè)備進(jìn)行功能檢測(cè)而開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)集成了Modbus測(cè)試軟件及HMI組態(tài)軟件[6]，能夠針對(duì)不同型號(hào)的Modbus RTU設(shè)備設(shè)計(jì)配套的測(cè)試程序，通過(guò)模擬Modbus系統(tǒng)上位機(jī)，與被測(cè)設(shè)備建立通訊鏈接，通過(guò)數(shù)據(jù)交互，讀取被測(cè)設(shè)備的采集信息，與實(shí)際輸入狀態(tài)進(jìn)行比較；向被測(cè)設(shè)備寫(xiě)入控制指令，檢查被測(cè)設(shè)備是否能夠正確執(zhí)行。從而檢測(cè)被測(cè)設(shè)備監(jiān)視及控制功能是否存在異常。

2.1.2 研究目標(biāo)

測(cè)試裝置能夠?qū)Σ捎肕odbus RTU通訊協(xié)議的控制設(shè)備進(jìn)行以下功能檢測(cè)：

1）測(cè)試裝置能夠模擬系統(tǒng)上位機(jī)與被測(cè)設(shè)備進(jìn)行通訊，讀取被測(cè)設(shè)備的輸入狀態(tài)及狀態(tài)變化，檢測(cè)被測(cè)設(shè)備的采集功能是否正常。

2）測(cè)試裝置能夠模擬系統(tǒng)上位機(jī)與被測(cè)設(shè)備進(jìn)行通訊，向被測(cè)設(shè)備下發(fā)控制指令，測(cè)試被測(cè)設(shè)備是否能夠正常輸出，檢測(cè)被測(cè)設(shè)備遠(yuǎn)程控制功能是否正常。

3）測(cè)試過(guò)程能夠動(dòng)態(tài)顯示被測(cè)設(shè)備的實(shí)際工作過(guò)程，測(cè)試界面操作簡(jiǎn)單。

4）能夠顯示測(cè)試成功次數(shù)，測(cè)試失敗次數(shù)，以及測(cè)試主機(jī)與被測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。

2.2 平臺(tái)組成介紹

2.2.1 系統(tǒng)硬件部分介紹

本套測(cè)試裝置由測(cè)試主機(jī)（含測(cè)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(cè)試主機(jī)

臺(tái)式計(jì)算機(jī)，具有COM 通訊及USB 端口，安裝ModbusPoll及HMIBuilder4.0測(cè)試軟件，完成人界交互以及與下位機(jī)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(jī)與測(cè)試設(shè)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(cè)設(shè)備的通訊端口的A/B連接（具體連接需要參考設(shè)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(hào)使用一組撥斷開(kāi)關(guān)來(lái)模擬，開(kāi)關(guān)一側(cè)接電源，另一側(cè)接被測(cè)設(shè)備的數(shù)字量輸入端（DI：digital input)。當(dāng)開(kāi)關(guān)接通后，對(duì)應(yīng)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(hào)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(hào)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(hào)，模擬量通常為傳感器反饋信號(hào)，表示現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的水位/壓力/溫度的變化。將仿真器輸出信號(hào)接入被測(cè)設(shè)備對(duì)應(yīng)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(cè)試工裝設(shè)計(jì)用于多種ModbusRTU 控制設(shè)備的功能檢測(cè)。針對(duì)不同型號(hào)的被測(cè)設(shè)備，需要編制相應(yīng)的測(cè)試程序。主要流程如下：

1）分析被測(cè)設(shè)備的通訊分析

表1 通訊分析

2）分析被測(cè)設(shè)備的ModbusRTU寄存器

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

表2 燕房線及大興機(jī)場(chǎng)線使用的控制設(shè)備寄存器列表

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用

2.4.1 軟件配置及編程

1）設(shè)置子站通訊參數(shù)

圖5 設(shè)置子站通訊參數(shù)1

圖6 設(shè)置子站通訊參數(shù)2

2）定義工程變量：

將變量與需要進(jìn)行信息交互的Modbus 寄存器關(guān)聯(lián)

圖7 定義工程變量1

圖8 定義工程變量2

3）完成測(cè)試人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，并建立變量與動(dòng)畫(huà)的連接。完成程序設(shè)計(jì)

圖9 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

圖10 程序設(shè)計(jì)

2.4.2 應(yīng)用實(shí)例

2022 年4 月，供電專(zhuān)業(yè)EPS 直流采集模塊（ZHZX-23-192V）故障。該模塊為大連國(guó)彪電源集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，用于采集EPS 蓄電池組（16 臺(tái)）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(jī)界面，EPS 受車(chē)站TIAS 系統(tǒng)監(jiān)控。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)EPS 人機(jī)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(jī)控制光耦繼電器AQW214EH，按時(shí)序依次閉合，分別BT1至BT16電池的電壓接入運(yùn)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(wàn)用表測(cè)量光耦繼電器AQW214EH 未按時(shí)序閉合，為開(kāi)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(shè)備功能檢測(cè)的測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果正常。

結(jié)論如下：

通過(guò)研制Modbus RTU 控制設(shè)備功能檢測(cè)裝置，能夠完成SCADA 系統(tǒng)的四遙單元、車(chē)站EPS 系統(tǒng)的采集模塊、信號(hào)電源系統(tǒng)的UPS采集卡等設(shè)備維修后的功能測(cè)試，解決了相關(guān)設(shè)備的檢測(cè)難題，提高了維修效率及質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)各種測(cè)試裝置的不斷研制，推進(jìn)了電子設(shè)備維修的精細(xì)化及標(biāo)準(zhǔn)化。

3 應(yīng)用效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

本測(cè)試裝置的研制成功，提高了電子設(shè)備的維修檢測(cè)水平，使設(shè)備恢復(fù)原廠技術(shù)性能，從而避免設(shè)備報(bào)廢，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，同時(shí)提高設(shè)備維修效率。據(jù)估算，每年針對(duì)ModbusRTU控制設(shè)備維護(hù)成本預(yù)計(jì)節(jié)省約3.5萬(wàn)元，維修效率提高50%。

3.2 社會(huì)效益

促進(jìn)了地鐵行業(yè)自控設(shè)備檢測(cè)技術(shù)發(fā)展，提高維修效率，提高了維修人員的業(yè)務(wù)水平。

3.3 成果推廣

本項(xiàng)目的技術(shù)方案可推廣應(yīng)用于地鐵燕房線、大興機(jī)場(chǎng)線及19 號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)使用，為一線專(zhuān)業(yè)提供Modbus RTU設(shè)備配套的測(cè)試環(huán)境。

4 結(jié)論

通過(guò)本文提出自主研制出一種適用于Modbus RTU通訊協(xié)議控制設(shè)備功能檢測(cè)的測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)了能夠模擬系統(tǒng)上位機(jī)與被測(cè)設(shè)備進(jìn)行通訊，讀取被測(cè)設(shè)備的輸入狀態(tài)及狀態(tài)變化，檢測(cè)被測(cè)設(shè)備的采集功能是否正常，協(xié)助維修人員分析解決故障設(shè)備，提升科技創(chuàng)新目標(biāo)，達(dá)到降本增效的目的，設(shè)計(jì)思路和方案供同行業(yè)參考。