基于Modbus的蜂企生產(chǎn)信息化實(shí)現(xiàn)

孔亞廣　楊凱　劉明剛（杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院，杭州310018）

基于Modbus的蜂企生產(chǎn)信息化實(shí)現(xiàn)

孔亞廣楊凱劉明剛
（杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院，杭州310018）

隨著食品質(zhì)量安全特別是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事件的多發(fā)，本文針對蜂產(chǎn)品加工企業(yè)對生產(chǎn)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(shè)備，通過M odbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)的互聯(lián)。該系統(tǒng)結(jié)合了MCGS組態(tài)軟件、C#、數(shù)據(jù)庫、XML、ModbusTCP協(xié)議等相關(guān)技術(shù)，建立起一套貫穿原料出庫到成品輸出的蜂產(chǎn)品生產(chǎn)全過程監(jiān)控系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)溫濕度采集、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控和生產(chǎn)操作流程記錄，并實(shí)現(xiàn)信息化的檔案數(shù)據(jù)管理。通過本系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)，在傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)實(shí)現(xiàn)了信息化與工業(yè)化的無縫集成，為后續(xù)基于生產(chǎn)過程的信息化管理提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

蜂產(chǎn)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(yuǎn)歷史。我國蜂群飼養(yǎng)規(guī)模、蜂產(chǎn)品總產(chǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)中存在的種種因素以及諸多的問題，蜂產(chǎn)品質(zhì)量安全問題突出，直接影響到了消費(fèi)者信心，國內(nèi)外市場均受到較大沖擊，蜂產(chǎn)品行業(yè)因質(zhì)量問題造成的損失不可估量，嚴(yán)重影響了行業(yè)形象及其健康發(fā)展。世界范圍內(nèi)的蜂產(chǎn)品貿(mào)易的激烈[2]導(dǎo)致蜂產(chǎn)品質(zhì)量安全管理刻不容緩[3]。隨著過程控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)通信等高新技術(shù)的快速發(fā)展，自動化技術(shù)在蜂產(chǎn)品加工企業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但尚未與企業(yè)信息化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

本文從生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)監(jiān)控出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于MCGS觸摸屏的生產(chǎn)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(zhuǎn)發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)的互聯(lián)。論文分析了蜂產(chǎn)品加工全過程，從原材料出庫、到半成品生產(chǎn)再到成品生產(chǎn)，通過MCGS觸摸屏將實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)加以采集和記錄并實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器。此系統(tǒng)有利于規(guī)范蜂產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，信息化記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無紙化綠色生產(chǎn)，有利于提高生產(chǎn)效率和解決后續(xù)的生產(chǎn)管理、記錄查看以及數(shù)據(jù)分析工作。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對蜂產(chǎn)品生產(chǎn)線的實(shí)地調(diào)研，總結(jié)出生產(chǎn)管理中的實(shí)際情況以及存在的問題。為了實(shí)現(xiàn)對蜂產(chǎn)品生產(chǎn)過程狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集并及時(shí)上傳，以供日后的追溯查看以及數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)了基于MCGS的生產(chǎn)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(shí)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(jié)構(gòu)如圖1所示，軟件運(yùn)行的工作流程以及關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下：（1）服務(wù)器端管理系統(tǒng)向MCGS觸摸屏下達(dá)生產(chǎn)指令，車間工作人員通過MCGS觸摸屏將實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)，并按照XML標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)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(diào)用。

圖1　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

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(chǎn)的一套應(yīng)用在微軟Windows平臺上的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要是應(yīng)用于上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的快速構(gòu)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(diào)研蜂王漿生產(chǎn)步驟，首先對從蜂農(nóng)合作社收到的蜂王漿原料按要求劃分批次，經(jīng)過原料檢測之后進(jìn)行原料入庫冷藏待用；之后根據(jù)客戶的要求，下達(dá)生產(chǎn)指令，從冷藏庫提取所需原料進(jìn)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(chǎn)，之后生成半成品批次；再次對蜂王漿進(jìn)行檢測，查看蜂王漿的有效成分（主要為喹烯酸）是否達(dá)到生產(chǎn)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(chǎn)要求之后再生產(chǎn)成品包裝出貨，（蜂王漿企業(yè)生產(chǎn)流程如圖2所示）。

圖2　蜂王漿的加工業(yè)務(wù)流程

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

圖3所示為解凍室主界面，按生產(chǎn)要求選擇原料出庫解凍圖3左側(cè)為溫濕度監(jiān)控實(shí)時(shí)顯示界面，實(shí)時(shí)接收顯示解凍室內(nèi)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(shí)采用了Modbus RTU通過RS485通信接口與MCGS觸摸屏通信，該界面同時(shí)可以記錄衛(wèi)生狀況、記錄解凍時(shí)間和確定解凍批次。

2.2 M odbusTCP

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

Modbus是第一個(gè)實(shí)際應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)、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(jī)制為典型的Client/Server結(jié)構(gòu)，這種Client/Server模型如圖4所示，Modbus Requset是客戶機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送用來啟動事物處理的報(bào)文；Modbus Indication是客戶機(jī)發(fā)出Requestrian報(bào)文后服務(wù)器側(cè)接收的請求報(bào)文；Modbus Response是接到客戶機(jī)發(fā)送的請求報(bào)文之后服務(wù)器發(fā)送的響應(yīng)報(bào)文；Modbus Confirmation是在客戶機(jī)側(cè)接收服務(wù)器段發(fā)出的響應(yīng)報(bào)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(gè)與基礎(chǔ)通信層沒有關(guān)系的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)。啟動Modbus事務(wù)處理的客戶機(jī)建立Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元。通過功能碼，可以向服務(wù)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(wǎng)的Modbus TCP協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)內(nèi)生產(chǎn)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(bào)文格式為如下表2所示。

表2　請求報(bào)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(gè)寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，收到的數(shù)據(jù)串去除前面9個(gè)字節(jié)的回應(yīng)報(bào)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫版本，本文的生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(yàn)證信息（用戶名以及密碼）；

程序中數(shù)據(jù)庫關(guān)閉操作：

con.Close();//關(guān)閉數(shù)據(jù)庫

將數(shù)據(jù)寫入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫：

將MCGS發(fā)送到上位機(jī)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(jìn)行定義.定義語法遵循SQL語言語法。

3　結(jié)語

本文應(yīng)蜂產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)對質(zhì)量安全管控、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集、規(guī)范生產(chǎn)過程的需求，通過實(shí)地調(diào)研和深入的研究，設(shè)計(jì)并開發(fā)了本文所述的基于MCGS的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件,在蜂產(chǎn)品全程質(zhì)量追溯體系的當(dāng)中建立了一個(gè)有效的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集平臺，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了無紙化綠色管理，方便了數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)，同時(shí)從長遠(yuǎn)的角度來看為蜂企業(yè)提供了低成本、高效能的生產(chǎn)管理模式。論文所闡述的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件已經(jīng)在某試點(diǎn)蜂企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用并取得了一定成效，為類似的企業(yè)提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，希望在今后的研究應(yīng)用過程中能進(jìn)一步完善軟件體系建設(shè)，最終做到良好的應(yīng)用及推廣。

[1]王志，王歡，韋召凱.挑戰(zhàn)與機(jī)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(nóng)業(yè)學(xué), 2009,37(33):604-606.

[3]李世娟，諸葉平，鄂越，等．蜂產(chǎn)品質(zhì)量安全現(xiàn)狀與全程追溯系統(tǒng)構(gòu)建[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（2）：293-297．

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[5]師玉寶,張志富.基于組態(tài)技術(shù)的干燥設(shè)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(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、設(shè)計(jì)、安裝和應(yīng)用[M].北京:機(jī)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。