儲(chǔ)能式有軌電車(chē)人機(jī)通訊技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

徐 暉，魏 偉，史寧波

（1.中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司，湖北武漢430071；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106）

儲(chǔ)能式有軌電車(chē)人機(jī)通訊技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

徐 暉1，魏 偉2，史寧波2

（1.中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司，湖北武漢430071；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106）

針對(duì)儲(chǔ)能式有軌電車(chē)充電裝置控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及運(yùn)行的需要，設(shè)計(jì)了基于Modbus TCP通訊協(xié)議的人機(jī)交互系統(tǒng)，采用PowerPC平臺(tái)完成充電裝置的數(shù)據(jù)采集和充電方式等的控制。重點(diǎn)研究了人機(jī)交互系統(tǒng)中Vxworks系統(tǒng)與觸摸屏的通訊功能實(shí)現(xiàn)方法，使用該人機(jī)通訊系統(tǒng)不僅保證了充電裝置的正常運(yùn)行，而且經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的重新配置即可應(yīng)用到其他需要人機(jī)交互的控制系統(tǒng)中，可移植性強(qiáng)。

充電裝置；觸摸屏；Vxworks；Modbus TCP

1 引言

武漢市大漢陽(yáng)地區(qū)現(xiàn)代有軌電車(chē)試驗(yàn)工程線路全長(zhǎng)19.955km，采用儲(chǔ)能式有軌電車(chē)。在車(chē)站及車(chē)輛段通過(guò)充電裝置和充電網(wǎng)為儲(chǔ)能式有軌電車(chē)提供大功率快速直流充電。為了充電站現(xiàn)場(chǎng)人員能實(shí)時(shí)觀測(cè)充電設(shè)備的狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，專(zhuān)門(mén)配套了柜體HMI人機(jī)界面與控制器通訊系統(tǒng)，利用控制器網(wǎng)口，以Modbus TCP方式實(shí)現(xiàn)控制器與HMI的數(shù)據(jù)交互。

2 人機(jī)界面功能簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)有自動(dòng)、觸摸屏、遠(yuǎn)程監(jiān)控三種模式。系統(tǒng)默認(rèn)的是自動(dòng)模式［1］，該模式下，將自動(dòng)執(zhí)行控制器程序流程，同時(shí)可接收遠(yuǎn)程監(jiān)控室發(fā)出的指令；當(dāng)充電系統(tǒng)某些參數(shù)改變，調(diào)試人員可在HMI上將系統(tǒng)運(yùn)行模式改為觸摸屏模式，并寫(xiě)入新的參數(shù)，控制器程序?qū)葱略O(shè)定的參數(shù)執(zhí)行。通訊系統(tǒng)框圖如圖1報(bào)示。

該通訊系統(tǒng)通信內(nèi)容既有只需顯示的設(shè)備參數(shù)，如：充電設(shè)備輸入輸出電流、電壓，進(jìn)出站標(biāo)志，設(shè)備狀態(tài)等；也包括可對(duì)設(shè)備開(kāi)關(guān)進(jìn)行動(dòng)作操控和設(shè)備充電相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，如：自動(dòng)與觸摸屏模式轉(zhuǎn)換，隔離開(kāi)關(guān)分合，恒流或恒壓充電時(shí)的設(shè)定值等；還包括設(shè)備元件出現(xiàn)故障時(shí)的報(bào)警顯示等。

圖1 通訊系統(tǒng)框圖

3 控制器通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該通訊系統(tǒng)將觸摸屏作為Modbus TCP client，先發(fā)送查詢(xún)指令，控制器作為sever，回復(fù)觸摸屏的查詢(xún)內(nèi)容。整個(gè)通訊系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)主要包括觸摸屏端的人機(jī)界面程序和控制器端的數(shù)據(jù)處理程序。

3.1 HMI程序

觸摸屏采用昆侖通態(tài)嵌入式版，在其對(duì)應(yīng)的組態(tài)軟件上實(shí)現(xiàn)界面功能，該軟件可在Windows 2000和Windows XP操作系統(tǒng)下運(yùn)行?？赏ㄟ^(guò)控件拖放、編寫(xiě)腳本語(yǔ)言等實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，還可以通過(guò)密碼的形式設(shè)定不同級(jí)別的用戶登錄權(quán)限，防止非調(diào)試人員的誤操作。觸摸屏通過(guò)網(wǎng)口和控制器連接，Modbus協(xié)議可在軟件環(huán)境的設(shè)備窗口中添加設(shè)備管理元件為通用TCP／IP父設(shè)備，并選擇Modbus TCP作為通訊子設(shè)備，具體界面如圖2所示。

圖2 Modbus TCP功能設(shè)置界面

人機(jī)界面工程編譯完成后可通過(guò)網(wǎng)線或U盤(pán)直接下載到觸摸屏中，使用方便。

3.2 PPC 控制器介紹

控制系統(tǒng)采用PowerPC平臺(tái)及Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，控制性能好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。可以實(shí)現(xiàn)電流、電壓、溫度等信號(hào)的采集、處理；還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常、防雷、短路、過(guò)流等故障保護(hù)；可通過(guò)以太網(wǎng)將正常運(yùn)行、故障、維護(hù)、充電是否完成等系統(tǒng)狀態(tài)上傳給監(jiān)控系統(tǒng)，保證中控室實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛的充電狀態(tài)。

3.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.3.1 通訊功能建立

VxWorks操作系統(tǒng)是一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），該系統(tǒng)具有可裁減性，可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源以及任務(wù)間通信。支持二進(jìn)制信號(hào)量、互斥信號(hào)量、消息郵箱等資源共享方式。

兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)程序之間的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接包括五種信息：通信協(xié)議、本地協(xié)議地址、本地主機(jī)端口、遠(yuǎn)端主機(jī)地址和遠(yuǎn)端協(xié)議端口。socket（）、bind（）、accept（）套接字系統(tǒng)可以作為服務(wù)器端完成相關(guān)的信息建立。VxWorks提供了標(biāo)準(zhǔn)的BSD socket調(diào)用，具有Stream socket、Datagram sockets兩種類(lèi)型，前者支持TCP協(xié)議，后者支持UDP協(xié)議。

套接字采用阻塞模式，即在I／O操作完成前，執(zhí)行的操作函數(shù)一直等候而不會(huì)立即返回，該函數(shù)所在的線程會(huì)阻塞在這里。如接收數(shù)據(jù)函數(shù)recv（），如果此時(shí)套接字緩沖區(qū)內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)可讀，則調(diào)用線程在數(shù)據(jù)到來(lái)前一直睡眠；發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)send（），如果套接字緩沖區(qū)沒(méi)有可用空間，線程會(huì)一直睡眠，直到有空間；接受函數(shù)accept（）等待接受對(duì)方的連接請(qǐng)求，如果此時(shí)沒(méi)有連接請(qǐng)求，線程就會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)［2］。程序流量如圖3所示。

圖3 TCP服務(wù)器程序設(shè)計(jì)流程圖

3.3.2 通訊數(shù)據(jù)處理

如圖4、圖5所示，觸摸屏與控制器通訊功能建立后，通過(guò)recv函數(shù)從和觸摸屏的TCP連接中接收數(shù)據(jù)并存放到緩沖區(qū)，處理服務(wù)請(qǐng)求是對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該過(guò)程將調(diào)用函數(shù)msgQSend（）把前面放到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)消息發(fā)送到消息隊(duì)列。再調(diào)用函數(shù)msgQReceive（）從消息隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行解析，主要用到了Modbus協(xié)議中的03、06功能碼。03碼將設(shè)備中的參數(shù)變量上傳至HMI顯示，06碼的作用是接受HMI的操控設(shè)定。

圖4 控制器收到HMI請(qǐng)求數(shù)據(jù)處理流程

圖5 HMI收到控制器回復(fù)

包括控制器上傳到觸摸屏上顯示的數(shù)據(jù)和觸摸屏下發(fā)的操作信息。系統(tǒng)通信時(shí)所使用的Modbus 協(xié)議功能碼主要包括 03H、06H 等［3］。觸摸屏主界面如圖6所示。

圖6 HMI主界面

由于控制器是服務(wù)器端，會(huì)接收到來(lái)自觸摸屏端的查詢(xún)信息。如果沒(méi)有任務(wù)等待消息隊(duì)列的消息，這個(gè)消息將被添加到消息緩存的隊(duì)列里。如果已經(jīng)有任務(wù)在等待消息隊(duì)列中的消息，消息立刻被傳遞給第一個(gè)等待的消息的任務(wù)。

3.3.3 拓展網(wǎng)口通訊功能

該通訊系統(tǒng)中，控制器有兩個(gè)網(wǎng)口，其中一個(gè)留給控制器本身的上位調(diào)試界面固定使用，遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)和觸摸屏通訊內(nèi)容需公用一個(gè)網(wǎng)口，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可解決同一網(wǎng)口中來(lái)自不同端口的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)方式是在應(yīng)用程序建立socket時(shí)，觸摸屏建的套接字和遠(yuǎn)程建的套接字綁定同一個(gè)IP，使用不同端口，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，該方式運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了基于Modbus Tcp協(xié)議以觸摸屏和控制器為核心的人機(jī)交互系統(tǒng)，研究了觸摸屏作為客戶端實(shí)時(shí)發(fā)送查詢(xún)指令，控制器作為服務(wù)器端接收到正確請(qǐng)求后返回相應(yīng)數(shù)據(jù)的通信方法，該方法解決了有軌電車(chē)充電裝置系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)通信問(wèn)題。同時(shí)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的重新配置，該通信系統(tǒng)還可應(yīng)用于其他需要人機(jī)交互的控制系統(tǒng)中，具有很好的可移植性和廣泛的適用性。

［1］顧波飛，趙偉杰，吳開(kāi)華.基于Modbus協(xié)議的單片機(jī)與觸摸屏通信設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2012，29（1）：104－107.

［2］鄺 堅(jiān).Tornado／VxWorks入門(mén)與提高［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.83－85，103.

［3］孟 華，王鵬達(dá)，李明偉.基于Modbus協(xié)議的觸摸屏與PIC單片機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，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 暉（1987－），男，本科，工程師，就職于中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司，主要研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌拌F路供用電技術(shù)、繼電保護(hù)等。

2016－08－01