医药无菌车间PLC与DCS通讯困境：基于总线协议的Modbus TCP 转 Modbus RTU转换解决方案

一、项目背景：医药无菌车间的通讯困境

在工业自动化领域的医药无菌注射剂生产车间中，塔讯 TX 131-RE-RS/TCP网关对某企业采用巴赫曼PLC（Modbus RTU协议）负责药液灌装设备的精准控制（灌装精度±0.05ml），搭配和利时DCS系统（Modbus TCP协议）实现车间整体的温度（20-24℃）、湿度（45-65%RH）监控与安全联锁（如无菌门开关）。两者需实时交互关键数据：巴赫曼PLC需向DCS传输灌装速度（50瓶/分钟）、药液液位（ Tank 液位≥80%），DCS需向PLC下发启停指令、紧急停机信号（如无菌超标），以保障生产合规与产品质量。但因总线协议异构，原有“人工巡检+手动记录”的方式存在严重滞后，日均因数据不同步导致的灌装偏差达2次，单次偏差需销毁500瓶药液，直接损失超3万元。医药行业作为工业自动化领域高合规要求的前景行业，对工业物联网环境下的数据实时性与追溯性要求严苛（符合GMP标准）。

二、项目痛点

协议异构导致合规风险：巴赫曼 PLC 的 Modbus RTU 与和利时 DCS 的 Modbus TCP 无法直连，数据需人工每小时记录 1 次，导致 DCS 无法实时监控灌装液位，曾出现药液耗尽导致灌装空瓶的情况，违反 GMP “过程实时监控” 要求，面临监管处罚风险。

数据追溯断层：无专用数据采集器，灌装精度、车间温湿度等数据仅纸质记录，出现质量问题时需追溯 3 天内的记录，耗时超 4 小时，不符合 GMP 对数据 “可追溯、可查核” 的要求。

环境适应性差：车间为无菌环境，传统通讯模块需频繁拆卸维护，导致无菌屏障破坏，每月需停产消毒 2 次，每次损失超 5 万元；且模块抗湿度干扰差，通讯丢包率超 6%。

紧急响应延迟：DCS 的紧急停机信号需人工传递至 PLC，延迟超 10 秒，曾因无菌超标未及时停机，导致 2000 瓶药液报废，损失超 12 万元。

三、塔讯 TX 131-RE-RS/TCP系统结构拓扑图

四、塔讯 TX 131-RE-RS/TCP 网关功能简介

作为核心塔讯 TX 131-RE-RS/TCP工业网关，其功能深度适配医药无菌车间需求：

协议兼容：支持 Modbus RTU（9600-115200bps）与 Modbus TCP（10/100Mbps），自动匹配巴赫曼 PLC 的 RS485 参数与 DCS 的以太网参数，无需手动调试。

数据处理：转换延迟≤15μs，支持 1200 点数据映射，可同步传输灌装精度（浮点数）、温湿度（整数）等数据，满足 GMP 实时监控要求。

工业适配：IP30 防护 + 防尘设计，支持 24VDC 宽压供电，无需频繁拆卸，符合无菌车间维护要求；抗湿度干扰性能符合 EN 61000-6-4 标准。

物联扩展：支持数据加密存储（符合 GMP 数据安全要求），通过 MQTT 协议对接工业物联网平台，实现数据 7×24 小时追溯。

五、解决方案与实施过程

（一）方案设计

网关 RTU 侧接巴赫曼 PLC，采集灌装数据与设备状态；TCP 侧接和利时 DCS，传输数据并接收控制指令，同时上传数据至工业物联网平台，实现 “实时监控 + 合规追溯” 双目标。

（二）实施步骤

硬件部署：网关通过食品级屏蔽 RS485 电缆（长度 8 米）接巴赫曼 PLC，以太网口接 DCS 交换机（IP：192.168.2.100），安装于车间外控制柜（避免破坏无菌环境），采用 POE 供电（减少布线）。

参数配置：用塔讯软件映射数据 —— 巴赫曼 PLC 的灌装液位（VW200）→网关 40001，DCS 的紧急停机信号（Q0.0）→网关 30001，更新周期 50ms，启用 “数据日志” 功能。

联调测试：模拟灌装液位低（<20%）、无菌超标场景，测试数据传输延迟（12μs）与停机响应（<1 秒），连续运行 30 天，数据追溯符合 GMP 要求。

六、应用效果与前后对比

（一）实施后效果

合规风险消除：数据实时传输，DCS 可监控灌装过程，未再出现空瓶与超标停机延迟问题，通过 GMP 飞行检查。

追溯效率提升：质量问题排查时间从 4 小时缩短至 2 分钟，数据存储满足 GMP “保存 5 年” 要求。

维护成本降低：网关无需频繁拆卸，车间停产消毒次数从 2 次 / 月降至 0.5 次 / 月，每月减少损失 10 万元。

损失大幅减少：灌装偏差次数从 2 次 / 日降至 0，紧急停机响应 < 1 秒，每月减少损失超 15 万元。

（二）效果对比表

指标	实施前	实施后
数据传输延迟	>1 小时（人工）	≤15μs
灌装偏差次数	2 次 / 日	0 次 / 日
质量排查时间	>4 小时	<2 分钟
停机响应时间	>10 秒	<1 秒
月停产损失	>10 万元	<2.5 万元
数据合规性	不符合 GMP	符合 GMP

七、行业价值

医药行业全球市场规模超 10 万亿美元，无菌注射剂需求年增 12%，此方案可复制至疫苗、生物制剂车间，后续可扩展接入 MES 系统，实现生产全流程智能化。

审核编辑 黄宇