应亦丰
上海世卓科技有限公司
上海 201323
摘 要：以舒博拉尼冻干机为例，从项目体系架构、系统开发需要的硬件准备工作、运行环境搭建、开发环境搭建、PLC通信协议、数据准备、编写代码等方面，介绍了冻干机数据云端化改造的具体解决方案，为其他制药装备的信息化、数据云端化改造提供参考。
关键词：冻干机；PLC数据采集；Host Link通信；ARM开发板；Java编程
0 引言
近年来，“互联网+”“物联网”“智能控制”“工业互联网”等概念层出不穷。同时，党的十九大报告指出：“加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”。一时间，各大企业纷纷加强了自身在信息化、智能化建设方面的投入。为满足制药企业信息化、智能化改造的需求，笔者经过潜心钻研，以较低的成本初步完成了舒博拉尼冻干机的信息化、数据云端化改造。
本文以舒博拉尼冻干机的信息化、数据云端化改造为例，具体阐述其详细的开发过程，为制药装备数据云端化改造提供参考。
1 项目体系架构
冻干机的数据云端化改造系统架构如图1所示。由于篇幅原因，本文只举例最简单、最必要的体系架构，从下至上只需要4个环节，即可实现制药装备数据在移动端的显示和查询功能。
在该项目中，使用了ARM开发板取代传统的PC机，与传统的PC系统架构相比，ARM开发板具有如下优势：
（1）体积小。ARM开发板只有一本小号笔记本的大小，某些型号的开发板甚至只有一张名片的大小。
（2）功耗低，发热量小。ARM开发板的供电一般都是DC 5 V、2A，发热量极小，主芯片上往往都不用加装散热片，很少发生因为发热造成系统死机的情况。
（3）操作系统稳定。ARM开发板的操作系统基本是经过调整的Linux系统，而Linux操作系统往往被国际软件开发商定制开发成服务器操作系统，如美国的RedHatLinux Server系列产品甚至可与微软的Windows SERVER在服务器领域分庭抗礼。因此，ARM开发板的操作系统具备长时间不间断运行的特性。
（4）安装方便。由于ARM开发板体积小，可将其安装在设备控制柜内部，通信线直接连接到附近的PLC上，程序调试稳定后，不用连接显示器、键盘和鼠标，开机程序自动运行。
市场上ARM开发板的品牌、型号琳琅满目，本文推荐使用通用型的、可安装Linux操作系统且自带RS232/485串口的ARM开发板。
2 系统开发需要的硬件准备工作
2.1 系统开发所需硬件
系统开发所需硬件如表1所示。
2.2 各硬件连接方式
各硬件连接方式如图2所示。
连接PLC上RS232串口线和USB转接线的串口线需要自己动手制作，购买RS232接头公、母头各一个，按图3方式连接就可以。
3 运行环境搭建
首先，要确定开发语言，ARM开发板的官方推荐开发语言是Python，基于特殊原因，最终决定采用Java来完成这个开发工作。
Java是一门历史比较悠久、成熟、跨平台、面向对象的开发语言，其第三方插件和开源库不计其数，几乎可以满足任何开发要求（该项目要使用到RXTXcomm开源库，以达到和PLC串口通信的目的）。其跨平台的特性，可以实现先在Windows系统上开发，完成后再部署到Linux系统上运行。
运行环境的搭建具体流程：
（1）登陆开发板官方网站下载页，下载Linux镜像文件，本文使用较新的版本：2017-07-05-jessie.img。
（2）下载win32_disk_imager烧录软件，将镜像文件烧录到TF卡。
（3）将所有硬件连接到位，包括显示器、USB键盘和鼠标，最后将TF卡插入开发板，打开电源，可以在屏幕上看到系统启动画面和启动信息。
（4）进入桌面环境，点击“打开终端”按钮，打开系统终端。这是个类似于微软DOS界面的终端，以后的所有工作基本上都是在这个终端界面里面完成。
（5）一般情况下，Linux发行版里面都会自带Java，可通过以下方式进行确认：在终端里面输入命令“java–version”并回车，可以看到如图4所示的提示信息，表明系统已经自带了1.8版本的Java运行库。
（6）接下来，安装第三方RXTXcomm开源库，没有它的支持，开发板无法访问串口。但是，RXTXcomm开源库最后的更新时间大致是在2006年左右，因为除了工业领域，商业市场上几乎99%的硬件都已经抛弃了串口这种连接方式，所以RXTX主页上压缩包里面的文件只支持Linux IA32/IA64的架构，并不支持ARM架构，需要通过编译源代码来完成RXTXcomm在开发板上的安装。
4 开发环境搭建
Linux系统虽然强大，但比较适合做服务器方面的应用。对于开发环境而言，还是在Windows系统上搭建比较便利。
4.1 下载适合操作系统的JDK开发包
下载适合操作系统的JDK开发包并安装（32位或64位），开发版本可以使用1.6、1.7或1.8。随后，根据提示安装，基本上是一路点击“下一步”和“确定”按钮。
4.2 系统环境配置
（1）添加Java的系统变量Path属性，如图5所示。打开Windows的“系统属性”对话框，点击“高级”标签页，再点击“环境变量”按钮。在“系统变量”中找到名为“Path”的系统变量，双击进入编辑模式。在“变量值”一栏的最后输入“;%JAVA_HOME%\bin;%JAVA_HOME%\jre\bin”。
（2）新增Java的JAVA_HOME系统变量属性，如图6所示。点击“环境变量”对话框的“新建”按钮，变量名一栏输入“JAVA_HOME”，变量值一栏输入Java程序的安装路径“C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_40”。
（3）新增Java的CLASSPATH系统变量属性，如图7所示。再次点击“环境变量”对话框的“新建”按钮，变量名一栏输入“CLASSPATH”，变量值一栏输入Java程序的安装路径“.;%JAVA_HOME%\lib;%JAVA_HOME%\lib\tools.jar”。
（4）下载Eclipse IDE开发软件，将其解压至一个文件夹，双击目录下“eclipse.exe”，打开IDE开发界面即可进行编程工作，至此开发环境搭建完成。
5 PLC通信协议
在动手写代码前，要先搞清楚冻干机的PLC通信协议。简单来说，就是开发板和PLC“交流”的一种规范，通常采用“一问一答”形式。开发板会首先发起一个请求代码，传送到PLC；PLC再根据请求码的内容，提取出合适的数据，再以相同的规范发回给开发板，这样就可以采集到PLC内存区中的实时数据并加以分析利用了。
舒博拉尼冻干机采用的是欧姆龙CJ2M-CPU13-V2.0的CPU单元，这种PLC遵循欧姆龙公司的Host Link协议，现在就具体分析一下这种协议的编码方式。
5.1 请求码
Host Link请求码规范如图8所示。
（1）请求码开头始终用@开始，回复码也是一样。
（2）单元号，指的是PLC编程时设定的序号，默认为0，可以在电脑上用欧姆龙CX-Programmer程序打开查看，如图9所示。
（3）头部代码：始终为FA，回复码也一样。
（4）响应时间：设置范围为0～F，单位为10 ms。例如，设置为1，则响应等待时间为10 ms。
（5）ICF、DA2、SA2、SID：通常固定设置为00。
（6）读/写命令：读命令（0101）、写命令（0102）。
（7）操作内容：包含3个请求内容，即请求PLC哪个区域的数据？从哪个地址开始操作？连续操作几个数据？区域代码查询如表2所示。
（8）校验码：算法比较复杂，这里不具体展开，可下载一个名为“Host Link校验码计算器”的软件进行计算，如图10所示，计算时需要输入请求码的前面所有字符，包括“@”。
（9）终止符：请求码和回复码都一样，始终是“*回车”。
5.2 回复码
Host Link回复码规范如图11所示。
回复码的前半部分定义和请求码相同，这里就不再重复解释。PLC返回的数据基本是包含在回复码的后半段。如图11所示：从校验码前面开始推算，最靠近校验码的是请求的最后一个数据，再往前推算是N-1个、N-2个，以此类推。
6 数据准备
舒博拉尼冻干机的过程数据都存放在PLC的DM区中，各参数对应地址如表3所示。
通过观察可以发现，参数地址基本上都在一个比较集中的区域，可以采取一种连续读取的方法，将D100～D152的数据一下子读取出来，再进行内部分析，对应到每个参数上。
7 编写代码
代码编写工程分为四个类，采用尽可能简单的架构。因为本文主要是为了阐述一个数据采集的过程，所以不引入Java的各种设计模式，力求让代码的逻辑过程简单易读。
7.1 获取开发板的串口表达字符串
串口一般在Windows系统上表达为“COM1、COM2”之类的。但是，在Linux系统下就完全不一样了。先要运行一个自己编写的小程序，列出开发板上可用的串口列表和在Linux系统下串口的表达字符串。这个字符串在接下来的数据采集代码中是要用到的。
小程序会收集所有串口列表并显示出来，将程序编译后的.class文件复制到开发板上，运行结果如图12所示。
从图12可以看到，串口的字符串是“/dev/ttyUSB0”，和Windows系统下的完全不一样，开发者一定要注意，不然串口通信是连接不上的。
7.2 冻干机数据采集程序
该套数据采集程序很简单，只有四个类，其调用关系如图13所示。
以上程序使用到了Java的线程机制，由于后期还将把这个程序功能扩展为将采集数据上传到SQL数据库、移动端手机显示数据等，加上网络原因等，一次读写操作耗时3～4 s是很常见的事情。有移动开发经验的工程师知道，在Andoird开发中，如果有涉及网络的操作都必须在子线程中完成，不得写入UI线程。因此，如果将数据采集和数据库读写操作都放在一个线程中，难免会导致线程阻塞。此处程序通过采用每隔30 s就从后台开辟一个新线程去读取PLC数据的方法，避免线程阻塞。
将所有程序编译后，所有.class文件复制到开发板中，运行程序最终结果如图14所示。
至此，冻干机的数据都被采集显示出来了，由于图14所显示的设备正处于二次干燥阶段，所以，干箱压力和冷凝器压力这两个压力传感器获取的是PLC默认值，并不反映现场实际的生产情况。
随后即可将采集的数据上传至位于云端的MySQL数据库中，再结合手机前端的编程即可在任意时间、任意地点远程监控车间中运行的冻干机实时参数了，如图15所示。
8 结语
通过本次对舒博拉尼冻干机的信息化、数据云端化改造，为其他各种类型的制药装备信息化改造提供了参考，更为重要的是，数据采集的过程已经将所有的制药装备运行数据存放于位于云端的SQL数据库中，对将来各种大数据的统计以及药品质量的追溯来说，具有重大的意义。
[参考文献]
[1] OMRON.CJ2m_CJ2H_编程手册[Z].
[2] OMRON.PLC_HostLink通信手册[Z].
[3] 李兴华.JAVA开发实战经典[M].北京：清华大学出版社，2009.
作者简介：
应亦丰（1976—），男，浙江宁波人，助理工程师
研究方向：
制药装备智能化、网络化改造