基于Modbus协议的药液温度集散控制系统研究

王 慧，王 娜

(1.佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007；2.佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002)

随着科技的发展，中国中药制药行业也相应的飞速发展，中药药液冷水降温系统的相关功能升级也随之发展。因中药药液成品大多存储于大型药液罐中，对药液罐温度的控制就成为了重要的研究课题。对此问题，大部分国内中药制药企业都采用冷水降温系统对药液罐进行降温处理，使存储其中的药液处在一个恒温的状态，最大程度的保障药品的质量。

本文研究的冷水降温系统的核心控制器是PLC及其扩展模块，系统通过PLC及其扩展模块实现对冷水降温系统中各种执行器的控制，以达到对中药药液降温的目的；同时，PLC与上位机组态进行实时通信，将系统各部分的数据传递到上位机组态中，从而实现在上位机组态上对整个中药药液冷水降温系统进行实时监控，整个控制系统以Modbus协议进行通讯、数据交换[1]。

1 系统总体设计

1) 本文设计的中药药液冷水降温监控系统是基于Modbus通讯协议建立的冷水降温DCS系统，应用Modbus主站、组态王软件实现系统的集中控制、实时监控功能，Modbus从站实现系统的分散控制。

2) 应用Modbus通讯协议将s7-1200和s7-200构成Modbus主从站，每个药液存储车间将有单独的控制器s7-200进行控制，应用s7-1200PLC进行所有车间的集中控制与管理，分散系统存在的潜在危险[2]。分布式结构的特点是让各个控制单元、模块和电路单元在各司其职、相互独立地完成某一特定功能的条件下，共同协调、统一完成控制的功能[3]。当系统在某个单元出现故障时，不会影响到整个系统的全局功能；而一个控制单元中的某个模块出现故障时，同样不会影响到整个单元的控制功能[4]；当模块中的某个电路出现故障时，不会影响到整个控制单元的控制功能；因此该种分散的控制结构使系统的风险范围锐减，同时系统出现高度集中的危险也得到了改善。

由此可以看出，系统在集中监视、操作以及管理等方面达到了掌管全局的目的，即操作站对系统的高度集中操作、显示和报警，而对操作站不同区域单元集中控制，使得操作人员实现了生产对不同区域单元的集中管理。

3)应用组态王软件对中药药液冷水降温系统进行实时监控，具体流程如图1所示，其监控主界面应依据实际冷水降温系统的硬件结构进行组态设计，将其与实际冷水降温系统的硬件结构对应，并进行相应的动画设计，使操作员在上位机组态上就能清晰地了解整个冷水降温系统的运行工艺，并对其中的重要参数进行组态。中药药液冷水降温系统采用冷水降温系统对存储中药药液的药液罐进行降温处理，其中，冷水降温系统包括冷水回水箱、冷水供水箱、冷水机组、表冷器、阀门和管道。

4) 系统采用三级分布模式如图2所示，第一层为药液存储罐单独车间的过程控制。根据上一层的决策直接连接过程控制过程。第二层为优化控制，根据给定的约束条件进行整个系统的优化控制。第三级为生产管理层，设置工程师站进行整个生产过程的决策、计划、管理、调度以及其他生产过程的协调，并且根据总体任务规定各级的策略及其生产任务。

图1 冷水系统

图2 冷水系统界面

2 设计方案与实现

2.1 Modbus主从站的设计与实现

Modbus协议主要应用在电子控制器上，是一种通用的语言。现在大多国内商家均已在本公司的产品、系统中遵循此协议标准[5]。Modbus通信协议使用的是Master-Slave(主—从)方式，也就是说只有一台设备，即主设备能初始化的传输或查询，其它的设备即从设备，则需要根据主设备查询后所提供的数据，作出相应的反应[6]。在传输方式上，Modbus协议采用的是“大头”传输的方式，也称作先传输数据高字节。该协议有两种传输模式即RTU模式和ASCII模式，如图所示3。

图3 传输模式

RTU字节的格式以及数据的报文格式的基本约定如下。

RTU字节的数据格式一般采用的11bit模式如下：

* 1个起始位；

* 8个数据位，最小的有效位先发送；

* 1个奇偶校验位，无校验则无；

* 1个停止位(当有校验时)，2个bit(当无校验时)。

RTU消息帧如下：

* 初始结构≥4字节的时间；

* 地址码=1字节；

* 功能码=1字节。

Modbus 通信协议：

地址码：通讯传送的第一个字节，即由用户设定地址码的从站将接收由主站传送来的信息，且每个从站都具有唯一的地址码，进而响应的回送也都是以各自的地址码开始[7]。

功能码：通讯传送的第二个字节。Modbus通讯规定功能号为1到127。当主站请求发送时，由功能码控制从站应该执行什么样的动作。当从站响应时，从站的功能码和主站的功能码一致，说明从站响应了主站，并且执行操作。如果从站的功能码最高位是1，那么说明从站没有响应主站，或者是发送出现错误[8]。

数据区：数据区是根据功能码的不同而不同。

CRC码：二字节的错误检测码。就是将整个字符串(其中不包括最后的两个字节)按规定的方式进行位移操作，然后执行异或运算，再将计算的结果存放在字符串最后的两个字节内，然后由接收方按照相同的计算方法进行校验，检查是否相一致[9]。

2.2 组态界面设计与系统配置

设计要求：在结合系统硬件和系统软件的前提下，分析、利用组态软件能够提供的填表、绘图以及计算等功能[10]，事先将硬件设备与软件多种功能联系起来，以便提供特定的状态运行，即将系统硬件—集散控制系统所提供的功能模块和系统软件—组提案编辑软件、编程语言组合成所需要的系统结构与操作界面，达到直线数据的集中显示、过程的集中控制以及数据通讯等功能的过程的最终目的[11]。

根据中药药液工艺的要求，为满足罐装药液温度降温过程中的集中控制和实时监控，该系统应具备主工艺界面的监控、温度的显示、实时温度和历史温度的曲线显示、数据报表、历史数据显示、存储功能及参数设置等功能[12]，主工艺界面包括各个药液储存罐车间工艺管线及系统所有设备的动作状态，一般提供药液温度的显示及报警功能，提供其他子模块功能的切换。中药药液冷水降温系统组态程序的主工艺监控模块包含三部分，分别为冷水系统界面、主界面顶部界面和主界面底部界面，这三个界面将在组态运行的同时得到显示，从而构成组态系统的主界面。参数设定界面包括各个控制单元的启动、停止、自动、手动的切换，生产车间的参数给定，以达到对整个药液制冷系统的集中管理。实时曲线界面是通过下位机实时传递到工控机软件中的药液罐温度值绘制的，其温度的最新值随时间变化，反映药液罐温度值实时采集的结果。

3 结论

有效、分散的系统潜在危险，不会因为某个单独的控制单元故障而影响整个系统的运行，可以高度的集中管理整个生产情况，工程师站可以根据具体的生产任务设定各个控制单元的参数，根据策略可以协调各个车间的生产任务，优化系统，提高效率。系统组态可以方便对药液罐中的温度进行实时显示，有独立的报警单元，可实现对药液罐温度的实时监测。在系统组态中使用用户权限功能，对使用用户的权限进行编辑，对于以不同用户权限登录的用户，对其可操作的功能进行分类，使其可实现对不同功能的操作，从而有效地保护组态程序安全。组态程序对中药药液冷水降温系统的关键参数设置变量，设计专门的参数设置界面，有利于操作人员依照不同的情况对系统参数进行设置。