地铁直流供电系统通信解决方案

2017-10-13王凡

船电技术 2017年3期

王凡

地铁直流供电系统通信解决方案

王凡

（武汉地铁集团，武汉 430070）

基于Modbus和TCP的通信原理，结合两者之间的优点，实现两者相结合的通信方式，使得Modbus通信协议可以通过以太网传输，扩展了Modbus协议的应用。在地铁直流供电系统上，通过Modbus-TCP通信协议，使得设备与设备之间在以太网上实现了远程通信，对地铁直流供电系统的信息传输具有一定的实用价值。

MODBUS 地铁直流供电

0 引言

地铁直流供电系统是轨道交通的重要机电设备。RS-232或RS-485是传统的通信接口，特点是开放式，传输距离短、速度慢。而随着工业技术的发展，嵌入式系统已经利用以太网作为接口传输数据，并采用TCP/IP通信协议，其传输距离长、传输速度快，相互连接形成一套自动化的系统。在武汉地铁的直流供电系统中，采用了Modbus通信协议与TCP/IP通信协议相结合的地铁直流供电系统通信方案。

1 地铁直流供电系统通信组成介绍

1.1 通信连接方式

一般常用的通信连接方式有以太网、串口等。以太网具有网络速度快、带宽较宽，以及与后台监控PC机、工作站等接口方便的特点，能满足对当今越来越大的数据流量的要求，例如故障录播等。串口通信是一种可以接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件，它的使用方法很简单，并且能实现远距离通信。另外通信的连接方式还有很多种，不同设备之间也经常支持的协议不同，因此经常会遇到协议之间的相互转换情况。

1.2 Modbus通信协议

Modbus是基于OSI（Open System Interconnection）参考模型的物理层、数据链路层、应用层上的电子控制器通用语言，通过此协议可以实现控制器之间、控制器与其他设备之间的通信，已经成为一种工业标准。该协议只定义一个控制器能认识的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的，它是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务，功能码体现了数据的功能作用。该协议定义了一个客户端请求访问服务器设备的过程，如何回应来自其他设备的信息。其数据格式如图1所示，通信方式如图2所示。

图2 Modbus协议通信方式

2.3 TCP/IP协议

TCP是面向连接、可靠、基于字节流的传输控制协议，一般和IP（网络层协议）一起，构成物理网上的一组完整的网络协议。其中，TCP提供传输层服务，IP则提供网络层服务。TCP是采用以太网通信，其特点为应用广泛、成本低、通信速率高、利于信息集成与共享。

2 武汉地铁直流供电系统的网络结构设计

2.1 通信网络结构的设备组成

目前，地铁直流供电系统中主要设备有进线柜、馈线柜、负极柜、段子柜等。进线柜，就是从外部引进电源的开关柜，一般是从外部供电网络引入电源，然后通过进线柜，到达机车运行时的电源母线；馈线柜，也叫作配线柜，是由电源母线出发分配出去的配电线路，分配给不同负荷的配电装置；负极柜，是用于连接回流钢轨的回流电缆和负极；端子柜，有很多转接施工线路，对每一个分支线路进行标注，可以为布线和查线提供方便，属于接口装置。这些柜体中，一般有PLC、综合保护装置、触摸屏、SCADA系统等，每个设备的接口不完全相同，例如PLC接口为RS485，综合保护装置接口为RS485和以太网，触摸屏的接口为RS485，SCADA系统为以太网光纤和RS485等，每个设备都有自己的传输方式，有一对多和多对多等方式连接，因此连接方式错综复杂。

2.2 通信系统的连接方式

通信网络系统的发展趋势是逐渐趋向于开放、透明的通信协议，实现设备层到Internet层的无缝连接，从而后期可以很方便的实现功能扩展。

首先，在进线柜、负极柜、端子柜中，采用了PLC200设备，其设备支持RS-485通信，将设备与设备之间相互连接，最后连接到内部协议转换机中，实现输出信号是从RS-485到以太网，输入信号是从以太网到RS-485，如图3所示。

图3 串口转以太网

然后，馈线柜中，前段显示的触摸屏支持串口通信，因此馈线柜的保护装置中，采取了与触摸屏的串口连接。同时，保护装置也支持以太网通信。于是，可以对每个馈线柜定义一个单独的IP地址，然后，将协议转换机转换输出的以太网端口与馈线柜的以太网端口，利用以太网交换机连接起来，这样，就实现了所有数据信息的整合。如图4所示。

图4 多设备以太网接交换机

最后，在与数据采集与监视控制系统（SCADA）的连接中，将以太网通信信号转换成光纤信号传输，避免了因距离和其他电磁场等影响信号质量的因素的干扰。从而实现了不同设备的统一。如图5所示。

3 地铁直流供电系统的通信网络组成

3.1 Modbus/TCP通信原理

通信系统，是由Modbus协议和TCP协议共同组成，其中，应用层上采用Modbus协议，在物理层和数据链路层使用TCP协议，这样，将Modbus TCP通信就把Modbus帧封装嵌入到了TCP帧中，实现了Modbus报文在TCP上的传输。这种方法依然是请求/应答的模式，只是利用TCP通信协议的特点，改变了数据的发送方式，提高通信速率，其请求/应答的内容并没有发生改变。TCP中为了识别Modbus应用数据单元，采用了专用报文头，称为MBAP，这种报文头利用单个字节单元标识符取代通常Modbus的地址域，在数据域中添加了数据长度在字节数用来识别报文边界。形式如图6、图7所示。

图5 以太网转光纤

图6Modbus/TCP通信数据结构

其中，MBAP为7个字节长度，分别如下。

事务单元标识符：2个字节，负责事务处理配对，功能类似“地址域”，一个请求/应答的事务单元标识符必须相同；协议标识符：2个字节，表示协议类型，其中“00 00”表示MODBUS协议；长度：2个字节，指发送或接受的报文在“长度”之后的总字节数；单元标识符：1个字节，为系统内部路由使用，主要用于区分多台电脑的连接；功能码：1个字节，表示当前报文数据的作用；数据：根据功能码的要求记录请求/相应部分的数据信息。

3.2 Modbus/TCP通信协议在地铁直流供电系统上的实现

在通信之前，首先，定义一系列的功能码，每个功能码定义了不同的功能，例如功能码“03”，所代表的意思为“遥测”，然后在数据部分，定义了一个规约地址，例如规约地址“05”，代表遥测馈线电压，规约地址“06”，代表遥测馈线电流。定义好通信信息以后，客户端根据通信信息，发送相应的数据给客户端，来获取需要的信息，服务器根据接收的通信信息，发送对应的信息给客户端，这样，一个通信过程就完成了。

例如客户端需要获取馈线电流，然后服务器回复馈线电流值，其发送和接收到的Modbus帧如下表1、表2所示。

其中，请求部分的第1-2字节的“00 59”为事务单元标识符，第3-4字节的“00 00”为协议标识符，第5-6字节的发“00 06”为长度，表示后面的字节长度为6个字节，第7字节“52”为单元标识符，第8字节的“03”为功能码，这里表示遥信，“00 06 00 01”为数据部分，03功能码中，“00 06”表示寄存器地址，这里表示电流值，“00 01”表示读取的寄存器数量。

响应部分第1-8字节意义相同，第9字节“02”为长度，表示随后的响应数据部分长度，“80 84”为数据部分，对应二进制为：“1000000010000100”，其中，由于电流带符号，第一位“1”表示“负数”，后面的“000000010000100”，表示电流大小，换算成十进制为“132”，因此，客户端接收到服务器发送的电流大小为“-132A”。