基于Modbus的蜂企生产信息化实现

孔亚广　杨凯　刘明刚（杭州电子科技大学自动化学院，杭州310018）

基于Modbus的蜂企生产信息化实现

孔亚广杨凯刘明刚
（杭州电子科技大学自动化学院，杭州310018）

随着食品质量安全特别是农产品质量安全事件的多发，本文针对蜂产品加工企业对生产过程的监控记录的要求，以MCGS工业触摸屏为现场监控设备，通过M odbus通讯协议实现生产数据与管理数据的互联。该系统结合了MCGS组态软件、C#、数据库、XML、ModbusTCP协议等相关技术，建立起一套贯穿原料出库到成品输出的蜂产品生产全过程监控系统。在本系统中，实现了实时温湿度采集、设备运行监控和生产操作流程记录，并实现信息化的档案数据管理。通过本系统方案的实现，在传统农产品加工企业实现了信息化与工业化的无缝集成，为后续基于生产过程的信息化管理提供了技术基础。

蜂产品；MCGS触摸屏；ModusTCP；工业化与信息化融合

引言

养蜂业是我国的传统行业，迄今已有将近三千多年的久远历史。我国蜂群饲养规模、蜂产品总产量、出口量都在世界上占据了最大份额[1]。但由于我国蜂产品生产中存在的种种因素以及诸多的问题，蜂产品质量安全问题突出，直接影响到了消费者信心，国内外市场均受到较大冲击，蜂产品行业因质量问题造成的损失不可估量，严重影响了行业形象及其健康发展。世界范围内的蜂产品贸易的激烈[2]导致蜂产品质量安全管理刻不容缓[3]。随着过程控制、计算机技术、信息网络通信等高新技术的快速发展，自动化技术在蜂产品加工企业得到了越来越广泛的应用，但尚未与企业信息化系统实现互联。

本文从生产过程数据监控出发，设计了基于MCGS触摸屏的生产过程数据监控软件，并自主开发基于Modbus的数据转发软件，实现生产过程数据与管理数据的互联。论文分析了蜂产品加工全过程，从原材料出库、到半成品生产再到成品生产，通过MCGS触摸屏将实时生产过程数据加以采集和记录并实时上传至服务器。此系统有利于规范蜂产品的生产过程，信息化记录生产数据，实现无纸化绿色生产，有利于提高生产效率和解决后续的生产管理、记录查看以及数据分析工作。1系统设计

根据对蜂产品生产线的实地调研，总结出生产管理中的实际情况以及存在的问题。为了实现对蜂产品生产过程状态信息的实时采集并及时上传，以供日后的追溯查看以及数据分析，设计了基于MCGS的生产过程监控软件。

本软件编程语言为C#，采用了Visual Studio 2010专业版平台，同时采用了SQL Server2008R2企业版作为本软件系统数据库。

软件系统结构如图1所示，软件运行的工作流程以及关键环节如下：（1）服务器端管理系统向MCGS触摸屏下达生产指令，车间工作人员通过MCGS触摸屏将实时的温湿度等信息保存在MCGS触摸屏。（2）通过Modbus TCP协议将信息上传到本地计算机，并按照XML标记的节点形式生成txt文本。（3）软件将txt文本信息解析并存入SQL Server2008数据库供企业ERP系统调用。

图1　软件系统结构图

2　系统实现关键技术

2．1 MCGS界面

MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发生产的一套应用在微软Windows平台上的组态软件系统，主要是应用于上位机监控系统的快速构造以及生成[4]。本文采用MCGS嵌入式一体化触摸屏[5]，组态环境为MCGS嵌入版7.2。

根据调研蜂王浆生产步骤，首先对从蜂农合作社收到的蜂王浆原料按要求划分批次，经过原料检测之后进行原料入库冷藏待用；之后根据客户的要求，下达生产指令，从冷藏库提取所需原料进入解冻室解冻；解冻完成之后按要求对蜂王浆过滤混合生产，之后生成半成品批次；再次对蜂王浆进行检测，查看蜂王浆的有效成分（主要为喹烯酸）是否达到生产要求，如符合客户要求即可生成成品批次，如不满足要求即需要与其他批次混合或者加入所需成分混合加工，满足生产要求之后再生产成品包装出货，（蜂王浆企业生产流程如图2所示）。

图2　蜂王浆的加工业务流程

本文以解冻室的生产过程数据监控介绍MCGS的生产过程数据监控软件。在解冻室监控了设备卫生状况信息、温湿度信息、解冻的原料批次以及各个批次的解冻起止时间以及解冻期间的平均温度等详细生产过程信息。

图3所示为解冻室主界面，按生产要求选择原料出库解冻图3左侧为温湿度监控实时显示界面，实时接收显示解冻室内温湿度信息；本文选用了JWST-10系列大屏显示温湿度变送器，同时采用了Modbus RTU通过RS485通信接口与MCGS触摸屏通信，该界面同时可以记录卫生状况、记录解冻时间和确定解冻批次。

2.2 M odbusTCP

生产过程数据监控软件作为主设备是通过Modbus TCP协议在局域网内将数据传输到本地数据库的，通过专门为Modbus协议预留的502端口，不断轮询作为从设备的指定IP地址的MCGS触摸屏设备的标志位，标志1表示工人采集数据完毕可上传数据，标识0表明MCGS设备尚未准备好。采集完毕后清除标志位清空寄存器，完成本次信息采集。

Modbus是第一个实际应用于工业现场的总线协议，它诞生于1978年，由Modicon公司发明[6]。作为一种标准、开放的通信协议，Modbus支持多种电气接口，帧格式简单紧凑，开发极其方便。Modbus的通讯机制为典型的Client/Server结构，这种Client/Server模型如图4所示，Modbus Requset是客户机在网络上发送用来启动事物处理的报文；Modbus Indication是客户机发出Requestrian报文后服务器侧接收的请求报文；Modbus Response是接到客户机发送的请求报文之后服务器发送的响应报文；Modbus Confirmation是在客户机侧接收服务器段发出的响应报文。

图3　解冻室主界面

图4　 M odbus Client/Server模型

Modbus协议定义了一个与基础通信层没有关系的协议数据单元(PDU)。启动Modbus事务处理的客户机建立Modbus应用数据单元。通过功能码，可以向服务器做出指示将执行何种操作[7]，例如本软件主要用到的功能码03、16分别代表了读、写保持寄存器。

Modbus提供了一种基于TCP/IP以太网的Modbus TCP协议。在网络层使用TCP协议以及IP协议寻址，用于Modbus TCP协议通讯的接口为502端口[7]。在本软件选择了Modbus TCP协议用于企业局域网内生产过程数据的发送传输。Modbus TCP的ADU数据单元规范如表1所示。

表1　Modbus TCP的ADU数据单元规范

例如：在读取触摸屏的寄存器里的数据，发送的请求报文格式为如下表2所示。

表2　请求报文格式

表示本次Modbus TCP协议执行读取数据功能，读取的寄存器开始地址为0，读取9个寄存器内的数据，收到的数据串去除前面9个字节的回应报文头即为本次我们所读到的测试数据，分别为数字1～9。即读取到的有效数据串为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数据库系列中目前最为全面和强大的数据库版本，本文的生产过程数据监控软件中就选择了SQLServer2008用于数据的存储管理操作，完全满足了本文中软件所需要的功能。解冻室解冻信息数据逻辑结构如下表3所示。程序中数据库连接操作：

表3　蜂王浆解冻信息表的逻辑结构

con.ConnectionString=@"Server=Localhost;database= INFO;uid=sa;pwd=123456";//打开数据库连接con.Open();

其中con.ConnectionString定义了数据库的连接对象地址，数据库名称，以及数据库是否需要连接的验证信息（用户名以及密码）；

程序中数据库关闭操作：

con.Close();//关闭数据库

将数据写入服务器数据库：

将MCGS发送到上位机的数据以txt文本形式暂存，之后即可写入数据库，对数据库数据的写入同样是通过连接数据库语句后，通过对数据库的操作进行定义.定义语法遵循SQL语言语法。

3　结语

本文应蜂产品生产企业对质量安全管控、生产过程数据采集、规范生产过程的需求，通过实地调研和深入的研究，设计并开发了本文所述的基于MCGS的生产过程数据监控软件,在蜂产品全程质量追溯体系的当中建立了一个有效的生产过程数据采集平台，实现了对实时生产数据的监控，同时也实现了无纸化绿色管理，方便了数据的管理和维护，同时从长远的角度来看为蜂企业提供了低成本、高效能的生产管理模式。论文所阐述的生产过程数据监控软件已经在某试点蜂企业进行了应用并取得了一定成效，为类似的企业提供一定的技术基础和应用开发经验，希望在今后的研究应用过程中能进一步完善软件体系建设，最终做到良好的应用及推广。

[1]王志，王欢，韦召凯.挑战与机遇并存——谈我国蜂业现状及发展对策[J].吉林畜牧兽医，2004,5：10-11.

[2]马伦姣.我国蜂蜜出口竞争力的国际比较[J].安徽农业学, 2009,37(33):604-606.

[3]李世娟，诸叶平，鄂越，等．蜂产品质量安全现状与全程追溯系统构建[J]．农业工程学报，2008，24（2）：293-297．

[4]马兵智，孙志毅，赵志诚，等.组态软件MCGS在锅炉液位控制中的应用[J].控制工程，2004,11（1）：84-86.

[5]师玉宝,张志富.基于组态技术的干燥设备控制系统[J].制造业自动化,2010,32(6):111-113.

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

[7]华镕.从Modbus到透明就绪—施耐德电气工业网络的协议、设计、安装和应用[M].北京:机械工业出版社,2009:177-190.

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

孔亚广（1976-），男，江苏泰州人，副教授，博士，从事分布式控制系统、超声波发生器的研究。

杨凯（1991-），男，E-mail：380591002@qq.com。