基于Modbus協(xié)議的藥液溫度集散控制系統(tǒng)研究

王 慧，王 娜

(1.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

隨著科技的發(fā)展，中國(guó)中藥制藥行業(yè)也相應(yīng)的飛速發(fā)展，中藥藥液冷水降溫系統(tǒng)的相關(guān)功能升級(jí)也隨之發(fā)展。因中藥藥液成品大多存儲(chǔ)于大型藥液罐中，對(duì)藥液罐溫度的控制就成為了重要的研究課題。對(duì)此問題，大部分國(guó)內(nèi)中藥制藥企業(yè)都采用冷水降溫系統(tǒng)對(duì)藥液罐進(jìn)行降溫處理，使存儲(chǔ)其中的藥液處在一個(gè)恒溫的狀態(tài)，最大程度的保障藥品的質(zhì)量。

本文研究的冷水降溫系統(tǒng)的核心控制器是PLC及其擴(kuò)展模塊，系統(tǒng)通過PLC及其擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)冷水降溫系統(tǒng)中各種執(zhí)行器的控制，以達(dá)到對(duì)中藥藥液降溫的目的；同時(shí)，PLC與上位機(jī)組態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，將系統(tǒng)各部分的數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)組態(tài)中，從而實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)組態(tài)上對(duì)整個(gè)中藥藥液冷水降溫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，整個(gè)控制系統(tǒng)以Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊、數(shù)據(jù)交換[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1) 本文設(shè)計(jì)的中藥藥液冷水降溫監(jiān)控系統(tǒng)是基于Modbus通訊協(xié)議建立的冷水降溫DCS系統(tǒng)，應(yīng)用Modbus主站、組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，Modbus從站實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分散控制。

2) 應(yīng)用Modbus通訊協(xié)議將s7-1200和s7-200構(gòu)成Modbus主從站，每個(gè)藥液存儲(chǔ)車間將有單獨(dú)的控制器s7-200進(jìn)行控制，應(yīng)用s7-1200PLC進(jìn)行所有車間的集中控制與管理，分散系統(tǒng)存在的潛在危險(xiǎn)[2]。分布式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是讓各個(gè)控制單元、模塊和電路單元在各司其職、相互獨(dú)立地完成某一特定功能的條件下，共同協(xié)調(diào)、統(tǒng)一完成控制的功能[3]。當(dāng)系統(tǒng)在某個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的全局功能；而一個(gè)控制單元中的某個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，同樣不會(huì)影響到整個(gè)單元的控制功能[4]；當(dāng)模塊中的某個(gè)電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響到整個(gè)控制單元的控制功能；因此該種分散的控制結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)范圍銳減，同時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)高度集中的危險(xiǎn)也得到了改善。

由此可以看出，系統(tǒng)在集中監(jiān)視、操作以及管理等方面達(dá)到了掌管全局的目的，即操作站對(duì)系統(tǒng)的高度集中操作、顯示和報(bào)警，而對(duì)操作站不同區(qū)域單元集中控制，使得操作人員實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)對(duì)不同區(qū)域單元的集中管理。

3)應(yīng)用組態(tài)王軟件對(duì)中藥藥液冷水降溫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體流程如圖1所示，其監(jiān)控主界面應(yīng)依據(jù)實(shí)際冷水降溫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，將其與實(shí)際冷水降溫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)畫設(shè)計(jì)，使操作員在上位機(jī)組態(tài)上就能清晰地了解整個(gè)冷水降溫系統(tǒng)的運(yùn)行工藝，并對(duì)其中的重要參數(shù)進(jìn)行組態(tài)。中藥藥液冷水降溫系統(tǒng)采用冷水降溫系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)中藥藥液的藥液罐進(jìn)行降溫處理，其中，冷水降溫系統(tǒng)包括冷水回水箱、冷水供水箱、冷水機(jī)組、表冷器、閥門和管道。

4) 系統(tǒng)采用三級(jí)分布模式如圖2所示，第一層為藥液存儲(chǔ)罐單獨(dú)車間的過程控制。根據(jù)上一層的決策直接連接過程控制過程。第二層為優(yōu)化控制，根據(jù)給定的約束條件進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。第三級(jí)為生產(chǎn)管理層，設(shè)置工程師站進(jìn)行整個(gè)生產(chǎn)過程的決策、計(jì)劃、管理、調(diào)度以及其他生產(chǎn)過程的協(xié)調(diào)，并且根據(jù)總體任務(wù)規(guī)定各級(jí)的策略及其生產(chǎn)任務(wù)。

圖1 冷水系統(tǒng)

圖2 冷水系統(tǒng)界面

2 設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)

2.1 Modbus主從站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Modbus協(xié)議主要應(yīng)用在電子控制器上，是一種通用的語言?，F(xiàn)在大多國(guó)內(nèi)商家均已在本公司的產(chǎn)品、系統(tǒng)中遵循此協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[5]。Modbus通信協(xié)議使用的是Master-Slave(主—從)方式，也就是說只有一臺(tái)設(shè)備，即主設(shè)備能初始化的傳輸或查詢，其它的設(shè)備即從設(shè)備，則需要根據(jù)主設(shè)備查詢后所提供的數(shù)據(jù)，作出相應(yīng)的反應(yīng)[6]。在傳輸方式上，Modbus協(xié)議采用的是“大頭”傳輸?shù)姆绞?，也稱作先傳輸數(shù)據(jù)高字節(jié)。該協(xié)議有兩種傳輸模式即RTU模式和ASCII模式，如圖所示3。

圖3 傳輸模式

RTU字節(jié)的格式以及數(shù)據(jù)的報(bào)文格式的基本約定如下。

RTU字節(jié)的數(shù)據(jù)格式一般采用的11bit模式如下：

* 1個(gè)起始位；

* 8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送；

* 1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，無校驗(yàn)則無；

* 1個(gè)停止位(當(dāng)有校驗(yàn)時(shí))，2個(gè)bit(當(dāng)無校驗(yàn)時(shí))。

RTU消息幀如下：

* 初始結(jié)構(gòu)≥4字節(jié)的時(shí)間；

* 地址碼=1字節(jié)；

* 功能碼=1字節(jié)。

Modbus 通信協(xié)議：

地址碼：通訊傳送的第一個(gè)字節(jié)，即由用戶設(shè)定地址碼的從站將接收由主站傳送來的信息，且每個(gè)從站都具有唯一的地址碼，進(jìn)而響應(yīng)的回送也都是以各自的地址碼開始[7]。

功能碼：通訊傳送的第二個(gè)字節(jié)。Modbus通訊規(guī)定功能號(hào)為1到127。當(dāng)主站請(qǐng)求發(fā)送時(shí)，由功能碼控制從站應(yīng)該執(zhí)行什么樣的動(dòng)作。當(dāng)從站響應(yīng)時(shí)，從站的功能碼和主站的功能碼一致，說明從站響應(yīng)了主站，并且執(zhí)行操作。如果從站的功能碼最高位是1，那么說明從站沒有響應(yīng)主站，或者是發(fā)送出現(xiàn)錯(cuò)誤[8]。

數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)是根據(jù)功能碼的不同而不同。

CRC碼：二字節(jié)的錯(cuò)誤檢測(cè)碼。就是將整個(gè)字符串(其中不包括最后的兩個(gè)字節(jié))按規(guī)定的方式進(jìn)行位移操作，然后執(zhí)行異或運(yùn)算，再將計(jì)算的結(jié)果存放在字符串最后的兩個(gè)字節(jié)內(nèi)，然后由接收方按照相同的計(jì)算方法進(jìn)行校驗(yàn)，檢查是否相一致[9]。

2.2 組態(tài)界面設(shè)計(jì)與系統(tǒng)配置

設(shè)計(jì)要求：在結(jié)合系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件的前提下，分析、利用組態(tài)軟件能夠提供的填表、繪圖以及計(jì)算等功能[10]，事先將硬件設(shè)備與軟件多種功能聯(lián)系起來，以便提供特定的狀態(tài)運(yùn)行，即將系統(tǒng)硬件—集散控制系統(tǒng)所提供的功能模塊和系統(tǒng)軟件—組提案編輯軟件、編程語言組合成所需要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作界面，達(dá)到直線數(shù)據(jù)的集中顯示、過程的集中控制以及數(shù)據(jù)通訊等功能的過程的最終目的[11]。

根據(jù)中藥藥液工藝的要求，為滿足罐裝藥液溫度降溫過程中的集中控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，該系統(tǒng)應(yīng)具備主工藝界面的監(jiān)控、溫度的顯示、實(shí)時(shí)溫度和歷史溫度的曲線顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)功能及參數(shù)設(shè)置等功能[12]，主工藝界面包括各個(gè)藥液儲(chǔ)存罐車間工藝管線及系統(tǒng)所有設(shè)備的動(dòng)作狀態(tài)，一般提供藥液溫度的顯示及報(bào)警功能，提供其他子模塊功能的切換。中藥藥液冷水降溫系統(tǒng)組態(tài)程序的主工藝監(jiān)控模塊包含三部分，分別為冷水系統(tǒng)界面、主界面頂部界面和主界面底部界面，這三個(gè)界面將在組態(tài)運(yùn)行的同時(shí)得到顯示，從而構(gòu)成組態(tài)系統(tǒng)的主界面。參數(shù)設(shè)定界面包括各個(gè)控制單元的啟動(dòng)、停止、自動(dòng)、手動(dòng)的切換，生產(chǎn)車間的參數(shù)給定，以達(dá)到對(duì)整個(gè)藥液制冷系統(tǒng)的集中管理。實(shí)時(shí)曲線界面是通過下位機(jī)實(shí)時(shí)傳遞到工控機(jī)軟件中的藥液罐溫度值繪制的，其溫度的最新值隨時(shí)間變化，反映藥液罐溫度值實(shí)時(shí)采集的結(jié)果。

3 結(jié)論

有效、分散的系統(tǒng)潛在危險(xiǎn)，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)單獨(dú)的控制單元故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，可以高度的集中管理整個(gè)生產(chǎn)情況，工程師站可以根據(jù)具體的生產(chǎn)任務(wù)設(shè)定各個(gè)控制單元的參數(shù)，根據(jù)策略可以協(xié)調(diào)各個(gè)車間的生產(chǎn)任務(wù)，優(yōu)化系統(tǒng)，提高效率。系統(tǒng)組態(tài)可以方便對(duì)藥液罐中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，有獨(dú)立的報(bào)警單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)藥液罐溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在系統(tǒng)組態(tài)中使用用戶權(quán)限功能，對(duì)使用用戶的權(quán)限進(jìn)行編輯，對(duì)于以不同用戶權(quán)限登錄的用戶，對(duì)其可操作的功能進(jìn)行分類，使其可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同功能的操作，從而有效地保護(hù)組態(tài)程序安全。組態(tài)程序?qū)χ兴幩幰豪渌禍叵到y(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置變量，設(shè)計(jì)專門的參數(shù)設(shè)置界面，有利于操作人員依照不同的情況對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。