王 慧，王 娜

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

隨著科技的發(fā)展，中國中藥制藥行業(yè)也相應的飛速發(fā)展，中藥藥液冷水降溫系統(tǒng)的相關(guān)功能升級也隨之發(fā)展。因中藥藥液成品大多存儲于大型藥液罐中，對藥液罐溫度的控制就成為了重要的研究課題。對此問題，大部分國內(nèi)中藥制藥企業(yè)都采用冷水降溫系統(tǒng)對藥液罐進行降溫處理，使存儲其中的藥液處在一個恒溫的狀態(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及其擴展模塊，系統(tǒng)通過PLC及其擴展模塊實現(xiàn)對冷水降溫系統(tǒng)中各種執(zhí)行器的控制，以達到對中藥藥液降溫的目的；同時，PLC與上位機組態(tài)進行實時通信，將系統(tǒng)各部分的數(shù)據(jù)傳遞到上位機組態(tài)中，從而實現(xiàn)在上位機組態(tài)上對整個中藥藥液冷水降溫系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，整個控制系統(tǒng)以Modbus協(xié)議進行通訊、數(shù)據(jù)交換[1]。

1 系統(tǒng)總體設計

1) 本文設計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)，應用Modbus主站、組態(tài)王軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制、實時監(jiān)控功能，Modbus從站實現(xiàn)系統(tǒng)的分散控制。

2) 應用Modbus通訊協(xié)議將s7-1200和s7-200構(gòu)成Modbus主從站，每個藥液存儲車間將有單獨的控制器s7-200進行控制，應用s7-1200PLC進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[2]。分布式結(jié)構(gòu)的特點是讓各個控制單元、模塊和電路單元在各司其職、相互獨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]。當系統(tǒng)在某個單元出現(xiàn)故障時，不會影響到整個系統(tǒng)的全局功能；而一個控制單元中的某個模塊出現(xiàn)故障時，同樣不會影響到整個單元的控制功能[4]；當模塊中的某個電路出現(xiàn)故障時，不會影響到整個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)的風險范圍銳減，同時系統(tǒng)出現(xiàn)高度集中的危險也得到了改善。

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到了掌管全局的目的，即操作站對系統(tǒng)的高度集中操作、顯示和報警，而對操作站不同區(qū)域單元集中控制，使得操作人員實現(xiàn)了生產(chǎn)對不同區(qū)域單元的集中管理。

3)應用組態(tài)王軟件對中藥藥液冷水降溫系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，具體流程如圖1所示，其監(jiān)控主界面應依據(jù)實際冷水降溫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進行組態(tài)設計，將其與實際冷水降溫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)對應，并進行相應的動畫設計，使操作員在上位機組態(tài)上就能清晰地了解整個冷水降溫系統(tǒng)的運行工藝，并對其中的重要參數(shù)進行組態(tài)。中藥藥液冷水降溫系統(tǒng)采用冷水降溫系統(tǒng)對存儲中藥藥液的藥液罐進行降溫處理，其中，冷水降溫系統(tǒng)包括冷水回水箱、冷水供水箱、冷水機組、表冷器、閥門和管道。

4) 系統(tǒng)采用三級分布模式如圖2所示，第一層為藥液存儲罐單獨車間的過程控制。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)給定的約束條件進行整個系統(tǒng)的優(yōu)化控制。第三級為生產(chǎn)管理層，設置工程師站進行整個生產(chǎn)過程的決策、計劃、管理、調(diào)度以及其他生產(chǎn)過程的協(xié)調(diào)，并且根據(jù)總體任務規(guī)定各級的策略及其生產(chǎn)任務。

圖1 冷水系統(tǒng)

圖2 冷水系統(tǒng)界面

2 設計方案與實現(xiàn)

2.1 Modbus主從站的設計與實現(xiàn)

Modbus協(xié)議主要應用在電子控制器上，是一種通用的語言?，F(xiàn)在大多國內(nèi)商家均已在本公司的產(chǎn)品、系統(tǒng)中遵循此協(xié)議標準[5]。Modbus通信協(xié)議使用的是Master-Slave(主—從)方式，也就是說只有一臺設備，即主設備能初始化的傳輸或查詢，其它的設備即從設備，則需要根據(jù)主設備查詢后所提供的數(shù)據(jù)，作出相應的反應[6]。在傳輸方式上，Modbus協(xié)議采用的是“大頭”傳輸?shù)姆绞剑卜Q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個起始位；

* 8個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送；

* 1個奇偶校驗位，無校驗則無；

* 1個停止位(當有校驗時)，2個bit(當無校驗時)。

RTU消息幀如下：

* 初始結(jié)構(gòu)≥4字節(jié)的時間；

* 地址碼=1字節(jié)；

* 功能碼=1字節(jié)。

Modbus 通信協(xié)議：

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

功能碼：通訊傳送的第二個字節(jié)。Modbus通訊規(guī)定功能號為1到127。當主站請求發(fā)送時，由功能碼控制從站應該執(zhí)行什么樣的動作。當從站響應時，從站的功能碼和主站的功能碼一致，說明從站響應了主站，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主站，或者是發(fā)送出現(xiàn)錯誤[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)的錯誤檢測碼。就是將整個字符串(其中不包括最后的兩個字節(jié))按規(guī)定的方式進行位移操作，然后執(zhí)行異或運算，再將計算的結(jié)果存放在字符串最后的兩個字節(jié)內(nèi)，然后由接收方按照相同的計算方法進行校驗，檢查是否相一致[9]。

2.2 組態(tài)界面設計與系統(tǒng)配置

設計要求：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、繪圖以及計算等功能[10]，事先將硬件設備與軟件多種功能聯(lián)系起來，以便提供特定的狀態(tài)運行，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時監(jiān)控，該系統(tǒng)應具備主工藝界面的監(jiān)控、溫度的顯示、實時溫度和歷史溫度的曲線顯示、數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)顯示、存儲功能及參數(shù)設置等功能[12]，主工藝界面包括各個藥液儲存罐車間工藝管線及系統(tǒng)所有設備的動作狀態(tài)，一般提供藥液溫度的顯示及報警功能，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，這三個界面將在組態(tài)運行的同時得到顯示，從而構(gòu)成組態(tài)系統(tǒng)的主界面。參數(shù)設定界面包括各個控制單元的啟動、停止、自動、手動的切換，生產(chǎn)車間的參數(shù)給定，以達到對整個藥液制冷系統(tǒng)的集中管理。實時曲線界面是通過下位機實時傳遞到工控機軟件中的藥液罐溫度值繪制的，其溫度的最新值隨時間變化，反映藥液罐溫度值實時采集的結(jié)果。

3 結(jié)論

有效、分散的系統(tǒng)潛在危險，不會因為某個單獨的控制單元故障而影響整個系統(tǒng)的運行，可以高度的集中管理整個生產(chǎn)情況，工程師站可以根據(jù)具體的生產(chǎn)任務設定各個控制單元的參數(shù)，根據(jù)策略可以協(xié)調(diào)各個車間的生產(chǎn)任務，優(yōu)化系統(tǒng)，提高效率。系統(tǒng)組態(tài)可以方便對藥液罐中的溫度進行實時顯示，有獨立的報警單元，可實現(xiàn)對藥液罐溫度的實時監(jiān)測。在系統(tǒng)組態(tài)中使用用戶權(quán)限功能，對使用用戶的權(quán)限進行編輯，對于以不同用戶權(quán)限登錄的用戶，對其可操作的功能進行分類，使其可實現(xiàn)對不同功能的操作，從而有效地保護組態(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)設置變量，設計專門的參數(shù)設置界面，有利于操作人員依照不同的情況對系統(tǒng)參數(shù)進行設置。