基于Modbus的蜂企生產信息化實現(xiàn)

孔亞廣　楊凱　劉明剛（杭州電子科技大學自動化學院，杭州310018）

基于Modbus的蜂企生產信息化實現(xiàn)

孔亞廣楊凱劉明剛
（杭州電子科技大學自動化學院，杭州310018）

隨著食品質量安全特別是農產品質量安全事件的多發(fā)，本文針對蜂產品加工企業(yè)對生產過程的監(jiān)控記錄的要求，以MCGS工業(yè)觸摸屏為現(xiàn)場監(jiān)控設備，通過M odbus通訊協(xié)議實現(xiàn)生產數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)的互聯(lián)。該系統(tǒng)結合了MCGS組態(tài)軟件、C#、數(shù)據(jù)庫、XML、ModbusTCP協(xié)議等相關技術，建立起一套貫穿原料出庫到成品輸出的蜂產品生產全過程監(jiān)控系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，實現(xiàn)了實時溫濕度采集、設備運行監(jiān)控和生產操作流程記錄，并實現(xiàn)信息化的檔案數(shù)據(jù)管理。通過本系統(tǒng)方案的實現(xiàn)，在傳統(tǒng)農產品加工企業(yè)實現(xiàn)了信息化與工業(yè)化的無縫集成，為后續(xù)基于生產過程的信息化管理提供了技術基礎。

蜂產品；MCGS觸摸屏；ModusTCP；工業(yè)化與信息化融合

引言

養(yǎng)蜂業(yè)是我國的傳統(tǒng)行業(yè)，迄今已有將近三千多年的久遠歷史。我國蜂群飼養(yǎng)規(guī)模、蜂產品總產量、出口量都在世界上占據(jù)了最大份額[1]。但由于我國蜂產品生產中存在的種種因素以及諸多的問題，蜂產品質量安全問題突出，直接影響到了消費者信心，國內外市場均受到較大沖擊，蜂產品行業(yè)因質量問題造成的損失不可估量，嚴重影響了行業(yè)形象及其健康發(fā)展。世界范圍內的蜂產品貿易的激烈[2]導致蜂產品質量安全管理刻不容緩[3]。隨著過程控制、計算機技術、信息網絡通信等高新技術的快速發(fā)展，自動化技術在蜂產品加工企業(yè)得到了越來越廣泛的應用，但尚未與企業(yè)信息化系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)。

本文從生產過程數(shù)據(jù)監(jiān)控出發(fā)，設計了基于MCGS觸摸屏的生產過程數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，并自主開發(fā)基于Modbus的數(shù)據(jù)轉發(fā)軟件，實現(xiàn)生產過程數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)的互聯(lián)。論文分析了蜂產品加工全過程，從原材料出庫、到半成品生產再到成品生產，通過MCGS觸摸屏將實時生產過程數(shù)據(jù)加以采集和記錄并實時上傳至服務器。此系統(tǒng)有利于規(guī)范蜂產品的生產過程，信息化記錄生產數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無紙化綠色生產，有利于提高生產效率和解決后續(xù)的生產管理、記錄查看以及數(shù)據(jù)分析工作。1系統(tǒng)設計

根據(jù)對蜂產品生產線的實地調研，總結出生產管理中的實際情況以及存在的問題。為了實現(xiàn)對蜂產品生產過程狀態(tài)信息的實時采集并及時上傳，以供日后的追溯查看以及數(shù)據(jù)分析，設計了基于MCGS的生產過程監(jiān)控軟件。

本軟件編程語言為C#，采用了Visual Studio 2010專業(yè)版平臺，同時采用了SQL Server2008R2企業(yè)版作為本軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

軟件系統(tǒng)結構如圖1所示，軟件運行的工作流程以及關鍵環(huán)節(jié)如下：（1）服務器端管理系統(tǒng)向MCGS觸摸屏下達生產指令，車間工作人員通過MCGS觸摸屏將實時的溫濕度等信息保存在MCGS觸摸屏。（2）通過Modbus TCP協(xié)議將信息上傳到本地計算機，并按照XML標記的節(jié)點形式生成txt文本。（3）軟件將txt文本信息解析并存入SQL Server2008數(shù)據(jù)庫供企業(yè)ERP系統(tǒng)調用。

圖1　軟件系統(tǒng)結構圖

2　系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術

2．1 MCGS界面

MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是由北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)生產的一套應用在微軟Windows平臺上的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要是應用于上位機監(jiān)控系統(tǒng)的快速構造以及生成[4]。本文采用MCGS嵌入式一體化觸摸屏[5]，組態(tài)環(huán)境為MCGS嵌入版7.2。

根據(jù)調研蜂王漿生產步驟，首先對從蜂農合作社收到的蜂王漿原料按要求劃分批次，經過原料檢測之后進行原料入庫冷藏待用；之后根據(jù)客戶的要求，下達生產指令，從冷藏庫提取所需原料進入解凍室解凍；解凍完成之后按要求對蜂王漿過濾混合生產，之后生成半成品批次；再次對蜂王漿進行檢測，查看蜂王漿的有效成分（主要為喹烯酸）是否達到生產要求，如符合客戶要求即可生成成品批次，如不滿足要求即需要與其他批次混合或者加入所需成分混合加工，滿足生產要求之后再生產成品包裝出貨，（蜂王漿企業(yè)生產流程如圖2所示）。

圖2　蜂王漿的加工業(yè)務流程

本文以解凍室的生產過程數(shù)據(jù)監(jiān)控介紹MCGS的生產過程數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件。在解凍室監(jiān)控了設備衛(wèi)生狀況信息、溫濕度信息、解凍的原料批次以及各個批次的解凍起止時間以及解凍期間的平均溫度等詳細生產過程信息。

圖3所示為解凍室主界面，按生產要求選擇原料出庫解凍圖3左側為溫濕度監(jiān)控實時顯示界面，實時接收顯示解凍室內溫濕度信息；本文選用了JWST-10系列大屏顯示溫濕度變送器，同時采用了Modbus RTU通過RS485通信接口與MCGS觸摸屏通信，該界面同時可以記錄衛(wèi)生狀況、記錄解凍時間和確定解凍批次。

2.2 M odbusTCP

生產過程數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件作為主設備是通過Modbus TCP協(xié)議在局域網內將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜財?shù)據(jù)庫的，通過專門為Modbus協(xié)議預留的502端口，不斷輪詢作為從設備的指定IP地址的MCGS觸摸屏設備的標志位，標志1表示工人采集數(shù)據(jù)完畢可上傳數(shù)據(jù)，標識0表明MCGS設備尚未準備好。采集完畢后清除標志位清空寄存器，完成本次信息采集。

Modbus是第一個實際應用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，它誕生于1978年，由Modicon公司發(fā)明[6]。作為一種標準、開放的通信協(xié)議，Modbus支持多種電氣接口，幀格式簡單緊湊，開發(fā)極其方便。Modbus的通訊機制為典型的Client/Server結構，這種Client/Server模型如圖4所示，Modbus Requset是客戶機在網絡上發(fā)送用來啟動事物處理的報文；Modbus Indication是客戶機發(fā)出Requestrian報文后服務器側接收的請求報文；Modbus Response是接到客戶機發(fā)送的請求報文之后服務器發(fā)送的響應報文；Modbus Confirmation是在客戶機側接收服務器段發(fā)出的響應報文。

圖3　解凍室主界面

圖4　 M odbus Client/Server模型

Modbus協(xié)議定義了一個與基礎通信層沒有關系的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)。啟動Modbus事務處理的客戶機建立Modbus應用數(shù)據(jù)單元。通過功能碼，可以向服務器做出指示將執(zhí)行何種操作[7]，例如本軟件主要用到的功能碼03、16分別代表了讀、寫保持寄存器。

Modbus提供了一種基于TCP/IP以太網的Modbus TCP協(xié)議。在網絡層使用TCP協(xié)議以及IP協(xié)議尋址，用于Modbus TCP協(xié)議通訊的接口為502端口[7]。在本軟件選擇了Modbus TCP協(xié)議用于企業(yè)局域網內生產過程數(shù)據(jù)的發(fā)送傳輸。Modbus TCP的ADU數(shù)據(jù)單元規(guī)范如表1所示。

表1　Modbus TCP的ADU數(shù)據(jù)單元規(guī)范

例如：在讀取觸摸屏的寄存器里的數(shù)據(jù)，發(fā)送的請求報文格式為如下表2所示。

表2　請求報文格式

表示本次Modbus TCP協(xié)議執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)功能，讀取的寄存器開始地址為0，讀取9個寄存器內的數(shù)據(jù)，收到的數(shù)據(jù)串去除前面9個字節(jié)的回應報文頭即為本次我們所讀到的測試數(shù)據(jù)，分別為數(shù)字1～9。即讀取到的有效數(shù)據(jù)串為0 2 0 0 0 21 1 3 18 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9。

2.3 SQL Server 2008

SQLServer2008[8]是Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫系列中目前最為全面和強大的數(shù)據(jù)庫版本，本文的生產過程數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件中就選擇了SQLServer2008用于數(shù)據(jù)的存儲管理操作，完全滿足了本文中軟件所需要的功能。解凍室解凍信息數(shù)據(jù)邏輯結構如下表3所示。程序中數(shù)據(jù)庫連接操作：

表3　蜂王漿解凍信息表的邏輯結構

con.ConnectionString=@"Server=Localhost;database= INFO;uid=sa;pwd=123456";//打開數(shù)據(jù)庫連接con.Open();

其中con.ConnectionString定義了數(shù)據(jù)庫的連接對象地址，數(shù)據(jù)庫名稱，以及數(shù)據(jù)庫是否需要連接的驗證信息（用戶名以及密碼）；

程序中數(shù)據(jù)庫關閉操作：

con.Close();//關閉數(shù)據(jù)庫

將數(shù)據(jù)寫入服務器數(shù)據(jù)庫：

將MCGS發(fā)送到上位機的數(shù)據(jù)以txt文本形式暫存，之后即可寫入數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的寫入同樣是通過連接數(shù)據(jù)庫語句后，通過對數(shù)據(jù)庫的操作進行定義.定義語法遵循SQL語言語法。

3　結語

本文應蜂產品生產企業(yè)對質量安全管控、生產過程數(shù)據(jù)采集、規(guī)范生產過程的需求，通過實地調研和深入的研究，設計并開發(fā)了本文所述的基于MCGS的生產過程數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件,在蜂產品全程質量追溯體系的當中建立了一個有效的生產過程數(shù)據(jù)采集平臺，實現(xiàn)了對實時生產數(shù)據(jù)的監(jiān)控，同時也實現(xiàn)了無紙化綠色管理，方便了數(shù)據(jù)的管理和維護，同時從長遠的角度來看為蜂企業(yè)提供了低成本、高效能的生產管理模式。論文所闡述的生產過程數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件已經在某試點蜂企業(yè)進行了應用并取得了一定成效，為類似的企業(yè)提供一定的技術基礎和應用開發(fā)經驗，希望在今后的研究應用過程中能進一步完善軟件體系建設，最終做到良好的應用及推廣。

[1]王志，王歡，韋召凱.挑戰(zhàn)與機遇并存——談我國蜂業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].吉林畜牧獸醫(yī)，2004,5：10-11.

[2]馬倫姣.我國蜂蜜出口競爭力的國際比較[J].安徽農業(yè)學, 2009,37(33):604-606.

[3]李世娟，諸葉平，鄂越，等．蜂產品質量安全現(xiàn)狀與全程追溯系統(tǒng)構建[J]．農業(yè)工程學報，2008，24（2）：293-297．

[4]馬兵智，孫志毅，趙志誠，等.組態(tài)軟件MCGS在鍋爐液位控制中的應用[J].控制工程，2004,11（1）：84-86.

[5]師玉寶,張志富.基于組態(tài)技術的干燥設備控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2010,32(6):111-113.

[6]Modbus-IDA.MODBUS MESSAGING ON TCP/IP IMPLEMENTATION GUIDE.http://www.modbus.org/.

[7]華镕.從Modbus到透明就緒—施耐德電氣工業(yè)網絡的協(xié)議、設計、安裝和應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:177-190.

[8]Mike Hotek.Microsoft SQL Server 2008 Step by Step[M].Washington,USA:Microsoft Press,2010:47-80.

孔亞廣（1976-），男，江蘇泰州人，副教授，博士，從事分布式控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)生器的研究。

楊凱（1991-），男，E-mail：380591002@qq.com。