基于 Modbus TCP 的飞升 FSH-CF计量泵多段速控制优化研究

     1.引言

  

     公司非标自动化产线 OP50 是一台多品种灌装全氟己酮的自动化设备，为 1.5L、2.0L、2.5L等等容量灭火器罐体灌装全氟己酮。PLC 品牌为汇川 EASY320 系列，计量泵品牌为飞升 FSH CF 系列，通讯协议为 Modbus TCP。原系统采用恒速15g/s灌装，节拍155秒/台，偏差±10g（合格）; 当提速至 40g/s 时，流体惯性导致过冲，偏差增至 ±40g（超差 300%）。经分析，高速下流体惯性导致过冲，需动态调节速度。故需在Modbus TCP 通讯协议的基础上开发多段速灌装方式，经过初步计算发现灌装初期以 25 克 / 秒速度运行，灌装后期以 5 克 / 秒速度运行，灌装偏差在 ±5g（合格），可以满足工艺质量要求和节拍要求。

   

飞升 FSH-CF 系列计量泵工作原理

     2.Modbus 协议简介

     Modbus 协 议 使 用 客 户 端 / 服 务 器 体 系，是一种半双工通信协议。主要包含串行链路上的 Modbus 和 TCP/IP 上 的 Modbus 两 大 类。Modbus 采用主从通信模式，仅有主设备能对传输进行初始化，从设备根据主设备的请求进行应答。它在工作时首先由主站向目的从机地址发送请求报文 ; 然后各个从站在接收到请求报文后，根据自己的地址、端口号来判断接收的数据包是否是自己的数据包 ; 如果是，则对应从站会从主站报文中读取功能码来判断主站的目的从而进行相应的操作（如读取数据或设置参数）; 最后在操作完成后，将结果回传给主站。Modbus协议是一种应用层报文传输协议。其协议包括ASCII、RTU 和 TCP 3 种传输格式，其数据帧结构主要由数据帧、地址码、功能码、数据区和校验码 5 个部分组成，各部分功能表如表 1 所示。Modbus 协议因其高效、简练、实用性强、支持多种物理层通信介质等特点，适用于多种工业设备和工控系统之间的通信需求。其广泛的应用范围和深入的工业集成使得自身成为现代工业自动化领域不可或缺的一部分。

     3.飞升 FSH-CF 系列计量泵协议解读

     FSH-CF 系列计量泵控制器具备以太网通讯功能，可作为服务器端与上位机（工控机、PLC 或触摸屏）进行以太网通讯，通讯协议分为FINS TCP/UDP 和 Modbus TCP 两种，此处汇川EASY320 PLC只支持Modbus TCP通讯协议，故通讯协议选择 Modbus TCP。

     3.1 字通讯地址表解读

     表 1 为 FSH-CF 系列计量泵 ModbusTCP字通讯地址的详细定义说明，可以看到灌装速度数据类型为 Float、Modbus 地址为 4x 7002、可读可写、单位为克 / 秒、下限为 1 克 / 秒、上限为 40 克 / 秒。

表 1 Modbus 数据帧结构的主要构成及功能

  

     3.2 位通讯地址解读

     表 2 为 FSH-CF 系列计量泵 ModbusTCP位通讯地址的详细定义说明，这里需要注意的是因计量泵启动方式是由 PLC 来控制，PLC 相对计量泵来说是属于外部设备，故需要外部启动 / 停止命令。可以看到外部启动命令地址为 4x100.0，停止命令地址为 4x 100.1。

表 2 字通讯地址一栏表

 表 3 位通讯地址一栏表

     4. 通信协议实现与程序配置

     多字写入发送指令格式 :00 00 00 00 00 aa00 bb cc cc dd dd dd ee ee ee ee，aa 表示指令中该字节后面的字节数，bb 表示命令码，多字写入为 10，cc cc 表示 16 进制的 Modbus地址，dd dd dd: 前 4 位表示写入字数，后 2 位表示写入字节数，ee ee ee ee 表示写入数值，

低字在前，高字在后。返回指令格式 :00 00 0000 00 aa 00 bb cc cc dd dd ,aa 表示指令中该字节后面的字节数。bb 表示命令码，多字写入为 10。cc cc 表示 16 进制的 Modbus 地址。dd dd 表示写入字数。

     4.1 写入灌装速度

     表 1 中可知灌装速度地址为 4x 7002，数据类型为 Float, 数据长度为 32 位。假设写入值为25克，以16进制发送指令为:00 00 00 00 00 0B00 10 1B 5A 00 02 04 00 00 41 C8，0B表示该字节后面有 11 个字节，1B 5A 表示写入地址为7002。00 02 04 表示写入 2 个字，也就是 4 个字节。00 00 41 C8 表示依照 IEEE754 标准转换得到的数值为 25，低字在前，高字在后。00 00 为低字，41 C8 为高字。返回指令为 :00 00 00 0000 06 00 10 1B 5A 00 02，返回本指令表示成功往地址 1B 5A 写入 2 个字长度的数据。

     4.2 启动/停止注液

     启动是置位 4x 100.0，往字地址 4x 100 写入0000000000000001，也就是数值1。16进制发送:00 00 00 00 00 06 00 06 00 64 00 01，00 64表示写入地址 100;00 01 表示数值 1。返回 :0000 00 00 00 06 00 06 00 64 00 01。返回本指令表示成功往地址 00 64 写入数值 1，也就是置位地址 4x 100.0。

     停止是置位 4x 100.1，往字地址 4x 100 写入 0000000000000010，也就是数值 2。以 16 进制发送:00 00 00 00 00 06 00 06 00 64 00 02，0064 表示写入地址 100;00 02 表示数值 2。返回:0000 00 00 00 06 00 06 00 64 00 02。返回本指令表示成功往地址 00 64 写入数值 2，也就是置位地址 4x 100.1。其他写入命令指令类似。

     4.3 多段速控制算法

     考虑到注液泵的极限速度为 30g/s，我们对注液速度和精度进行了验证。为平衡节拍和精度要求，最终将速度切换点设定为 2300g。即：

                                 

  

     需特别说明的是，FSH-CF 系列计量泵在灌装过程中无法实时调整速度。如需更改灌装速度，需先停止灌装，待新速度参数写入完成后再重新启动。为确保参数生效，程序中设置了 1 秒延时——新速度写入后延迟 1 秒再启动灌装。

     4.4 通讯程序配置

     选择汇川 EASY320 PLC PLC 做主站，IP地 址 设 置 为 192.168.1.1， 飞 升 FSH-CF 系列 计 量 泵 做 从 站， 从 站 地 址 为 1，IP 设 置 为192.168.1.88，端口号设置为 502。D200 为灌装速度寄存器，对应灌装速度。D300 为控制字，对应计量泵启动与停止命令（1 启动，2 停止）。寄存器 D200、D201 对应的浮点数通过 PLC 以500ms 周期写入计量泵寄存器地址为 1B5A 的寄存器中。当寄存器启动 / 停止条件满足即 MO 的值为 1 时，PLC 将寄存器地址为 D300 的数值写入地址为 64 的寄存器中。

图 1 Modbus TCP 配置

  

     在 M0 启动条件满足时，清零实时注液量D400、将 25g/s 传送给灌装速度 D200、同时将1 传送给控制命令字 D300, 控制命令字 D300 值为 1 时灌装启动，值为 2 时灌装停止。当注液量达到 2300g 时，需将 2 传送给给控制命令字D300 停止灌装，然后将 5g/s 传送给灌装速度D200, 在停止灌装 1 秒后，再将 1 传送给控制命令字 D300，重新启动灌装，即完成多段速控制。样例程序如图 2 所示。

图 2 样例程序

  

     5. 结束语

     本文较详细地解读了飞升 FSH-CF 系列计量泵 Modbus TCP 通讯协议，在汇川 Autoshop软件中，本地的 EASY320 PLC 作为主站，飞升FSH-CF 系列计量泵做从站进行 Modbus TCP通讯，有效解决了灌装过程的过冲问题。未来可进一步研究自适应调速算法，以应对更复杂的流体工况。

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