长期以来，工业称重仪表与PC机的数据通信都采用RS232串行通信协议——RS232是最原始的通信方式，是一种ASCII协议，满足了基本的通信要求，但是RS232通信方式也存在一些弊端。本文以某外资药厂口服固体制剂车间称量棚实际案例阐述通信服务器在药厂的应用。

应用背景及关键技术要求

某外资药厂，在泰州投资建设大规模的口服固体制剂厂，需要建立3个手工称量棚，每个称量棚配置大、中、小3台高精度称量设备；称量数据需要与Werum公司的PAS-X Weighing & Dispensing Software Business Function通信；每个称量棚配置一台工控机作为PAS-X的服务器及操作人机界面，条码扫描枪连接到工控机上。

称量设备满足称量工艺要求的高精度、满足GMP中设备要易清洗，对于大称量的称台，要求称台要可90°翻起，称台厚度小于35?mm并自带引坡；称重显示仪表与工控机的数据通信要满足高速、可靠、通信协议标准、易组网、可扩展的技术要求，同时还要满足药厂关于数据通信的功能验证，要求采用基于以太网的OPC Server通信服务器；称台与称重仪表之间的线缆要设计成快拆方式，方便墙面的清洁工作。

OPC Server背景介绍

长期以来，工业称重仪表与PC机的数据通信都采用RS232串行通信协议，RS232是最原始的通信方式，是一种ASCII协议，满足了基本的通信要求，但是RS232通信方式也存在一些弊端，如下：

每个厂商的RS232协议都是厂家自己的协议，作为PC软件开发商，需要面对每个厂商去开发不同的接口程序，或者我们称之为驱动程序Drive，给软件的开发工作带来了非常大的工作量；

RS232的通信速度一般为1200bps，通信线缆的长度限定为20m以内；

RS232通信方式本身不能定义地址，PC软件无法识别是哪台称发来的数据，只能依靠计算机的物理接口地址来区分；

目前计算机的数据通信主要以RJ45网口为主，标配的工控机没有RS232物理接口；如果需要用RS232方式通信，则需要额外采购，增加了成本；

RS232通信接口的调试工作比较繁琐，Windows XP系统的退市，给RS232调试带来了很大的麻烦，超级终端调试工具已经消失了；

如果一台计算机连接3台以下的称重仪表，RS232接口还能应付，如果一台计算机需要连接7、8台甚至十几台称重仪表，那么RS232接口将无法使用；

基于RS232开发的通信协议一般都是简单协议，无法满足大数据量的通信要求；

RS232物理接口经常由于插拔而烧毁，故障率高。

基于上述事实，1996年OPC基金会成立。OPC基金会的工作比其他许多标准化集团能够更高速运转，原因在于OPC是建立在已普遍使用的Mricrosoft标准基础上。而其他标准化集团必经完全从最基本开始定义标准，因此在其工作范围内达成一致的意见往往是费时费力，自然其工作效率是不能和OPC基金会比拟的。

基金会现有会员已超过360家，遍布全球各地，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司。其前身由一个Fisher-Rosemount、Rockwell Software、Siemens、Opto22、Intellution和Intuitive Technology等著名大公司组成专门的工作组，仅仅用了短短的一年时间便开发出一个基本的可运行的OPC技术规范。在1996年8月发布了简化的、一步到位的解决方案。

Micosoft是OPC基金会的一个成员，已给予OPC基金会强有力的支持。但Microsoft在OPC中的作用主要在于其强大的后援支持，而让具有丰富的行业经验的成员公司指导OPC基金会的工作。

OPC是开放式连接标准，它填补了自动化领域的一个空白，就像打印机驱动程序对于Windows系统一样。

传统的硬件与软件通信都是直接在软件中编写自定义接口和驱动实现的，但是这样不仅价格昂贵而且硬件通用性不高。有了OPC技术作为通信“中介”，这一切就变得很简单了。软件不再需要为每一种硬件都编写驱动，只需要做到的就是能与符合工业标准的OPC Server通信。

硬件提供商也不必再担心众多软件是否能支持他们的硬件，他们只需要提供支持硬件的符合标准的OPC Server就行了。因此OPC技术避免了重复开发，极大的降低了成本，加速了软件开发速度并提高了效率。如今OPC规范已经被上百家公司的上千个项目所应用。管理该标准的组织是OPC基金会。该基金会由1996的五家公司建立，如今全球已经有360个成员在促进和应用这项技术。

而与RS232相比，基于Ethernet TCP/IP的OPC Server具有如下优点：

组网方便，Ethernet TCP/IP非常容易组网，接口、线缆标准，故障率极低；

线缆长度100m，如果加中继可以继续延长；

数据传输速度快，10M/100M带宽；

OPC Server为标准驱动数据接口；

软、硬件厂商双方专注于开发自己的产品，而不必担心连接性问题；

世界上大多数自动化厂商、软件供应商都采用OPC Server通信服务器。

RS232转以太网串口转换器的问题

由于一些称重仪表型号比较老，没有配置以太网接口，或者即使有以太网接口可是不支持OPC Server通信，因此会使用中间转换器来实现以太网的数据传输，这么做降低了成本，解决了以太网数据传输的技术要求，可是在药厂，这么做的问题和风险就出现了。

对于药厂，在做设备验证的时候要记录称重设备的Serial Number设备串号，如果采用了串口转换器，那么系统识别的就是串口转换器的设备号，而不是称重仪表，这个在GMP中是不允许的。

串口转换器与称重仪表的RS232/RS485接口之间长时间通信会出现线路老化，而且两个硬件之间的不匹配，在使用一段时间会有丢失数据的现象，这个故障现象屡见不鲜，在药厂我们选择设备要基于风险评估，我们认为这个是有风险的，而且是可见的。

非常重要的一个风险就是，称重数据经过串口转换器后，计算机是通过虚拟串口读取称重数据的，不是通过物理RJ45接口。普通称重仪表将RS232/485/422串口数据转换至以太网后，事实上串口协议不具备完整的7层OSI协议，无法分清哪些是纯数据，哪些是指令，哪些是报警信息，这使得数据与OPC Server连接时，不能完整还原重量数据、指令、状态和报警信息。而Sartorius提供的称重仪表是内置的网卡和RJ45接口，具有完整的7层OSI协议模型，本身具有网关，可以清晰地将纯数据、指令、状态信息以及报警信息传递给OPC Server。

串口转换器需要额外供电；每台称重仪表增加一个串口转换器，也就是增加了一个故障点。

Sartorius OPC Server优势

Sartorius的很多称重仪表都具有OPC Server通信功能，常用的有PR5410，PR5230，PR5220，这些仪表、变送器都可以提供基于Ethernet TCP/IP的OPC Server通信功能。新款的称重控制器Maxxis 5除了具有上述OPC Server的通信功能外，本身还具有内置的应用程序，并且支持客户定制开发，其中Phase application 可以与计算机上的OPC client程序进行双向实时数据交换，完成batching功能，或者与汽车衡称重仪表连接完成数据管理功能。

在这个药厂项目中，我们选择了PR5410称重显示仪表，3台PR5410通过Switch组网与预装在计算机上的GWT.OPCServer.1服务器进行数据交换，安装在计算机上的OPC client PAS-X通过GWT.OPCServer.1进行数据的读取Data Access。数据的读取以OPC item为对象，PR5410提供了丰富的OPC Item对象可供使用，见文中详细列表。

Werum的PAS-X 软件在配置时，只要将所需要的OPC Item拖入即可，就可以一直在读取这些OPC Item的状态信息或者数值，也可以通过OPC Server写入预制皮重值到PR5410仪表的寄存器，或者发出Tare，ReTare，Zero指令通过OPC Server到PR5410称重仪表，除了这些常用的功能之外，还具有在药厂倍加关注的报警信息和状态信息，比如：COMM_OK、ADU_ERROR、Aboved FSD、Overload、Below_Zero、Stand_still、Power_fail、Serial_Number、Tare_Active等。

上述这些状态信息以及报警信息能够实时地为操作人员提供及时的设备状态，防止称量误操作，导致难以估量的严重后果。

比如如果没有溢出报警（超载，过载，低于零点），一些简单的OPC Server将给出上一次的称量数据，如果操作者忽略了，出现称量错误，却没有被发现，会有严重的后果发生；如果称重设备断电而没有发出报警信息给操作者，也会出现称量错误；如果通信线缆出现故障而没有发出报警信息，同样也会出现称量错误。

每次称量的时候，之后Standstill状态为1的时候才可以采集当前的重量值保存到数据库中，如果称量还没有达到稳定状态就采集数据，就会出现错误，因此Standstill的状态位应该与数据采集进行连锁，才能够采集到一个准确的重量值。

Sartorius在这个药厂的验证流程中，针对上述功能和状态进行了完整的测试，保证了整个称量系统的可靠性，以及出现故障后能够在第一时间发现故障，避免错误的发生，满足了GAMP5中要求的基于风险的评估、验证是最好的设计的观念。