地铁ModbusRTU控制设备功能检测装置研制及应用示范

张小杰

（北京市轨道交通运营管理有限公司，北京 100101）

1 背景

1.1 背景

Modbus[1]是一种串行通信协议，是由Mod icon 公司于1979年为使用可编程逻辑控制器(PLC)通信而发表，是现代工业中电子设备之间常用的连接方式。协议规定，控制器之间通讯采用主从技术，即主机可对各从机寻址，发出广播信息，从机返回信息作为对查询的响应[2]。现在Modbus 通讯协议已经是工业领域全球最流行的协议之一[3]。其中ModbusRTU（英文全称Remote Terminal Unit），即远程终端控制系统，用于对现场信号、工业设备的监测和控制。如设备出现功能异常，维修人员很难直观地判断故障原因。北京地铁燕房线及大兴机场线机电系统中如供电SCADA 系统的四遥单元、车站EPS 系统的采集模块、信号电源系统的UPS 采集卡等设备采用Modbus RTU 协议通讯。

目前地铁公司没有Modbus RTU 设备的测试装置，设备出现故障，维护人员只能凭经验排查，而缺乏有效的检测措施，精确定位故障点，维修效率低。

为解决Modbus RTU 设备维修测试难题，提出自主研制出一种适用于Modbus RTU通讯协议控制设备功能检测的测试装置，协助维修人员快速发现设备故障原因，指导维修。从而提高维修效率及维修质量，降低维修成本，延长设备使用寿命。详细阐述了研制测试装置的原理，编写Modbus 测试软件及HMI 组态软件方法[4]。设计思路和方案供同行业参考。同时阐述了利用研制的测试装置应用到现场故障检测，协助维修人员快速确定故障原因。

1.2 目的

为解决Modbus RTU 设备维修测试难题，计划自主研制出一种适用于Modbus RTU通讯协议控制设备功能检测的测试装置。

1.3 意义

本套检测装置能够用于Modbus RTU设备的维修测试，协助维修人员快速发现设备故障原因，指导维修。从而提高维修效率及维修质量，降低维修成本，延长设备使用寿命。

1.4 必要性

本套检测装置主要用于针对地铁燕房线、大兴机场线及19 号线ModbusRTU 设备的维修后的功能测试[5]。同时可用于Modbus RTU 设备的用于现场故障检测，协助维修人员快速确定故障原因。

2 研究方案

2.1 工作内容、目标

2.1.1 研究内容

分析原设备，研制一种适用于Modbus RTU 通讯协议控制设备功能检测的测试装置。为地铁各种Modbus RTU 设备进行功能检测而开发测试平台，该平台集成了Modbus测试软件及HMI组态软件[6]，能够针对不同型号的Modbus RTU设备设计配套的测试程序，通过模拟Modbus系统上位机，与被测设备建立通讯链接，通过数据交互，读取被测设备的采集信息，与实际输入状态进行比较；向被测设备写入控制指令，检查被测设备是否能够正确执行。从而检测被测设备监视及控制功能是否存在异常。

2.1.2 研究目标

测试装置能够对采用Modbus RTU通讯协议的控制设备进行以下功能检测：

1）测试装置能够模拟系统上位机与被测设备进行通讯，读取被测设备的输入状态及状态变化，检测被测设备的采集功能是否正常。

2）测试装置能够模拟系统上位机与被测设备进行通讯，向被测设备下发控制指令，测试被测设备是否能够正常输出，检测被测设备远程控制功能是否正常。

3）测试过程能够动态显示被测设备的实际工作过程，测试界面操作简单。

4）能够显示测试成功次数，测试失败次数，以及测试主机与被测设备的数据交互。

2.2 平台组成介绍

2.2.1 系统硬件部分介绍

本套测试装置由测试主机（含测试软件）、通讯卡、通讯电缆、电源及仿真器组成。

图1 系统组成

2.2.2 测试主机

台式计算机，具有COM 通讯及USB 端口，安装ModbusPoll及HMIBuilder4.0测试软件，完成人界交互以及与下位机通信。

2.2.3 通讯卡

USB/RS485 通讯卡或232/485 转接卡，完成上位机与测试设备的协议转换及通信。

2.2.4 通讯线缆

使用RVVP2×0.5mm²电缆制作；电缆的一端接通讯卡的A/B，电缆的另外一端焊接DB9端子，与被测设备的通讯端口的A/B连接（具体连接需要参考设备通讯端口物理形式及管脚定义）[7]

图2 RS485管脚定义

2.2.5 数字量仿真器

数字量信号使用一组拨断开关来模拟，开关一侧接电源，另一侧接被测设备的数字量输入端（DI：digital input)。当开关接通后，对应的输入通道电压由低电平转换为高电平，表示该通道的输入信号有效。

图3 数字量仿真器

2.2.6 模拟量仿真器

模拟量信号使用电位器仿真，产生4～20mA 或0-10V连续可调的电压或电流信号，模拟量通常为传感器反馈信号，表示现场传感器采集的水位/压力/温度的变化。将仿真器输出信号接入被测设备对应的模拟量输入端（AI：Analog input）

图4 模拟量仿真器

2.3 通讯协议分析

测试工装设计用于多种ModbusRTU 控制设备的功能检测。针对不同型号的被测设备，需要编制相应的测试程序。主要流程如下：

1）分析被测设备的通讯分析

表1 通讯分析

2）分析被测设备的ModbusRTU寄存器

Modbus 系统上位机通过Modbus 寄存器与现场Modbus RTU 控制设备进行数据交互（对寄存器进行读/写）。不同厂家的Modbus RTU 设备使用寄存器及寄存器的应用定义是不同的，需要提前进行分析了解。下表为燕房线及大兴机场线使用的控制设备寄存器列表：

表2 燕房线及大兴机场线使用的控制设备寄存器列表

2.4 系统应用

2.4.1 软件配置及编程

1）设置子站通讯参数

图5 设置子站通讯参数1

图6 设置子站通讯参数2

2）定义工程变量：

将变量与需要进行信息交互的Modbus 寄存器关联

图7 定义工程变量1

图8 定义工程变量2

3）完成测试人机界面的设计，并建立变量与动画的连接。完成程序设计

图9 人机界面设计

图10 程序设计

2.4.2 应用实例

2022 年4 月，供电专业EPS 直流采集模块（ZHZX-23-192V）故障。该模块为大连国彪电源集团有限公司生产，用于采集EPS 蓄电池组（16 台）电池电压。模块采用Modbus RTU 协议通讯，将电池信息上传至EPS 系统人机界面，EPS 受车站TIAS 系统监控。经检查发现EPS 人机界面显示第1 至10 组电池电压为0V，EPS告警。

1）直流采集模块（ZH-ZX-23-192V）其原理图如下：

图11 直流采集模块原理图

2）直流采集模块（ZH-ZX-23-192V）其外观及内部器件如下：

图12 直流采集模块内部器件

3）EPS直流采集模块基本工作原理分析

单片机控制光耦继电器AQW214EH，按时序依次闭合，分别BT1至BT16电池的电压接入运放，经模数转换电路（ADC）转换后输入处理器。经使用万用表测量光耦继电器AQW214EH 未按时序闭合，为开路状态，判断为光耦继电器故障，更换后正常，故障消失。

图13 光耦继电器

4）使用Modbus RTU通讯协议控制设备功能检测的测试装置进行测试，结果正常。

结论如下：

通过研制Modbus RTU 控制设备功能检测装置，能够完成SCADA 系统的四遥单元、车站EPS 系统的采集模块、信号电源系统的UPS采集卡等设备维修后的功能测试，解决了相关设备的检测难题，提高了维修效率及质量。同时，通过各种测试装置的不断研制，推进了电子设备维修的精细化及标准化。

3 应用效益

3.1 经济效益

本测试装置的研制成功，提高了电子设备的维修检测水平，使设备恢复原厂技术性能，从而避免设备报废，延长设备使用寿命，同时提高设备维修效率。据估算，每年针对ModbusRTU控制设备维护成本预计节省约3.5万元，维修效率提高50%。

3.2 社会效益

促进了地铁行业自控设备检测技术发展，提高维修效率，提高了维修人员的业务水平。

3.3 成果推广

本项目的技术方案可推广应用于地铁燕房线、大兴机场线及19 号线现场维护使用，为一线专业提供Modbus RTU设备配套的测试环境。

4 结论

通过本文提出自主研制出一种适用于Modbus RTU通讯协议控制设备功能检测的测试装置，实现了能够模拟系统上位机与被测设备进行通讯，读取被测设备的输入状态及状态变化，检测被测设备的采集功能是否正常，协助维修人员分析解决故障设备，提升科技创新目标，达到降本增效的目的，设计思路和方案供同行业参考。