【摘要】: 針對(duì)全氟己酮灌裝過程中速度與精度矛盾問題，本文提出一種基于 Modbus TCP通訊的多段速控制方法。通過解析匯川 EASY320PLC 與飛升 FSH-CF 計(jì)量泵的協(xié)議交互機(jī)制，設(shè)計(jì)分段速度控制策略（25g/s → 15g/s），將灌裝偏差從 ±40g 降低至 ±10g 內(nèi)，節(jié)拍由 155 秒/ 臺(tái)縮短至 97 秒 / 臺(tái)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法有效平衡效率與精度，可為類似高精度流體控制場(chǎng)景提供參考。

【關(guān)鍵詞】: 匯川 EASY320、Modbus TCP通訊協(xié)議、飛升 FSH-CF 計(jì)量泵、多段速控制

1.引言

公司非標(biāo)自動(dòng)化產(chǎn)線 OP50 是一臺(tái)多品種灌裝全氟己酮的自動(dòng)化設(shè)備，為 1.5L、2.0L、2.5L等等容量滅火器罐體灌裝全氟己酮。PLC 品牌為匯川 EASY320 系列，計(jì)量泵品牌為飛升 FSH CF 系列，通訊協(xié)議為 Modbus TCP。原系統(tǒng)采用恒速15g/s灌裝，節(jié)拍155秒/臺(tái)，偏差±10g（合格）; 當(dāng)提速至 40g/s 時(shí)，流體慣性導(dǎo)致過沖，偏差增至 ±40g（超差 300%）。經(jīng)分析，高速下流體慣性導(dǎo)致過沖，需動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)速度。故需在Modbus TCP 通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上開發(fā)多段速灌裝方式，經(jīng)過初步計(jì)算發(fā)現(xiàn)灌裝初期以 25 克 / 秒速度運(yùn)行，灌裝后期以 5 克 / 秒速度運(yùn)行，灌裝偏差在 ±5g（合格），可以滿足工藝質(zhì)量要求和節(jié)拍要求。

飛升 FSH-CF 系列計(jì)量泵工作原理

2.Modbus 協(xié)議簡(jiǎn)介

Modbus 協(xié) 議 使 用 客 戶 端 / 服 務(wù) 器 體 系，是一種半雙工通信協(xié)議。主要包含串行鏈路上的 Modbus 和 TCP/IP 上 的 Modbus 兩 大 類。Modbus 采用主從通信模式，僅有主設(shè)備能對(duì)傳輸進(jìn)行初始化，從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備的請(qǐng)求進(jìn)行應(yīng)答。它在工作時(shí)首先由主站向目的從機(jī)地址發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文 ; 然后各個(gè)從站在接收到請(qǐng)求報(bào)文后，根據(jù)自己的地址、端口號(hào)來判斷接收的數(shù)據(jù)包是否是自己的數(shù)據(jù)包 ; 如果是，則對(duì)應(yīng)從站會(huì)從主站報(bào)文中讀取功能碼來判斷主站的目的從而進(jìn)行相應(yīng)的操作（如讀取數(shù)據(jù)或設(shè)置參數(shù)）; 最后在操作完成后，將結(jié)果回傳給主站。Modbus協(xié)議是一種應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議。其協(xié)議包括ASCII、RTU 和 TCP 3 種傳輸格式，其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)幀、地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和校驗(yàn)碼 5 個(gè)部分組成，各部分功能表如表 1 所示。Modbus 協(xié)議因其高效、簡(jiǎn)練、實(shí)用性強(qiáng)、支持多種物理層通信介質(zhì)等特點(diǎn)，適用于多種工業(yè)設(shè)備和工控系統(tǒng)之間的通信需求。其廣泛的應(yīng)用范圍和深入的工業(yè)集成使得自身成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域不可或缺的一部分。

3.飛升 FSH-CF 系列計(jì)量泵協(xié)議解讀

FSH-CF 系列計(jì)量泵控制器具備以太網(wǎng)通訊功能，可作為服務(wù)器端與上位機(jī)（工控機(jī)、PLC 或觸摸屏）進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，通訊協(xié)議分為FINS TCP/UDP 和 Modbus TCP 兩種，此處匯川EASY320 PLC只支持Modbus TCP通訊協(xié)議，故通訊協(xié)議選擇 Modbus TCP。

3.1 字通訊地址表解讀

表 1 為 FSH-CF 系列計(jì)量泵 ModbusTCP字通訊地址的詳細(xì)定義說明，可以看到灌裝速度數(shù)據(jù)類型為 Float、Modbus 地址為 4x 7002、可讀可寫、單位為克 / 秒、下限為 1 克 / 秒、上限為 40 克 / 秒。

表 1 Modbus 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成及功能

3.2 位通訊地址解讀

表 2 為 FSH-CF 系列計(jì)量泵 ModbusTCP位通訊地址的詳細(xì)定義說明，這里需要注意的是因計(jì)量泵啟動(dòng)方式是由 PLC 來控制，PLC 相對(duì)計(jì)量泵來說是屬于外部設(shè)備，故需要外部啟動(dòng) / 停止命令。可以看到外部啟動(dòng)命令地址為 4x100.0，停止命令地址為 4x 100.1。

表 2 字通訊地址一欄表

表 3 位通訊地址一欄表

4. 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與程序配置

多字寫入發(fā)送指令格式 :00 00 00 00 00 aa00 bb cc cc dd dd dd ee ee ee ee，aa 表示指令中該字節(jié)后面的字節(jié)數(shù)，bb 表示命令碼，多字寫入為 10，cc cc 表示 16 進(jìn)制的 Modbus地址，dd dd dd: 前 4 位表示寫入字?jǐn)?shù)，后 2 位表示寫入字節(jié)數(shù)，ee ee ee ee 表示寫入數(shù)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 表示指令中該字節(jié)后面的字節(jié)數(shù)。bb 表示命令碼，多字寫入為 10。cc cc 表示 16 進(jìn)制的 Modbus 地址。dd dd 表示寫入字?jǐn)?shù)。

4.1 寫入灌裝速度

表 1 中可知灌裝速度地址為 4x 7002，數(shù)據(jù)類型為 Float, 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 32 位。假設(shè)寫入值為25克，以16進(jìn)制發(fā)送指令為:00 00 00 00 00 0B00 10 1B 5A 00 02 04 00 00 41 C8，0B表示該字節(jié)后面有 11 個(gè)字節(jié)，1B 5A 表示寫入地址為7002。00 02 04 表示寫入 2 個(gè)字，也就是 4 個(gè)字節(jié)。00 00 41 C8 表示依照 IEEE754 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)值為 25，低字在前，高字在后。00 00 為低字，41 C8 為高字。返回指令為 :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 寫入 2 個(gè)字長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。

4.2 啟動(dòng)/停止注液

啟動(dòng)是置位 4x 100.0，往字地址 4x 100 寫入0000000000000001，也就是數(shù)值1。16進(jìn)制發(fā)送:00 00 00 00 00 06 00 06 00 64 00 01，00 64表示寫入地址 100;00 01 表示數(shù)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 寫入數(shù)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 寫入 0000000000000010，也就是數(shù)值 2。以 16 進(jìn)制發(fā)送:00 00 00 00 00 06 00 06 00 64 00 02，0064 表示寫入地址 100;00 02 表示數(shù)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 寫入數(shù)值 2，也就是置位地址 4x 100.1。其他寫入命令指令類似。

4.3 多段速控制算法

考慮到注液泵的極限速度為 30g/s，我們對(duì)注液速度和精度進(jìn)行了驗(yàn)證。為平衡節(jié)拍和精度要求，最終將速度切換點(diǎn)設(shè)定為 2300g。即：

需特別說明的是，F(xiàn)SH-CF 系列計(jì)量泵在灌裝過程中無法實(shí)時(shí)調(diào)整速度。如需更改灌裝速度，需先停止灌裝，待新速度參數(shù)寫入完成后再重新啟動(dòng)。為確保參數(shù)生效，程序中設(shè)置了 1 秒延時(shí)——新速度寫入后延遲 1 秒再啟動(dòng)灌裝。

4.4 通訊程序配置

選擇匯川 EASY320 PLC PLC 做主站，IP地 址 設(shè) 置 為 192.168.1.1， 飛 升 FSH-CF 系列 計(jì) 量 泵 做 從 站， 從 站 地 址 為 1，IP 設(shè) 置 為192.168.1.88，端口號(hào)設(shè)置為 502。D200 為灌裝速度寄存器，對(duì)應(yīng)灌裝速度。D300 為控制字，對(duì)應(yīng)計(jì)量泵啟動(dòng)與停止命令（1 啟動(dòng)，2 停止）。寄存器 D200、D201 對(duì)應(yīng)的浮點(diǎn)數(shù)通過 PLC 以500ms 周期寫入計(jì)量泵寄存器地址為 1B5A 的寄存器中。當(dāng)寄存器啟動(dòng) / 停止條件滿足即 MO 的值為 1 時(shí)，PLC 將寄存器地址為 D300 的數(shù)值寫入地址為 64 的寄存器中。

圖 1 Modbus TCP 配置

在 M0 啟動(dòng)條件滿足時(shí)，清零實(shí)時(shí)注液量D400、將 25g/s 傳送給灌裝速度 D200、同時(shí)將1 傳送給控制命令字 D300, 控制命令字 D300 值為 1 時(shí)灌裝啟動(dòng)，值為 2 時(shí)灌裝停止。當(dāng)注液量達(dá)到 2300g 時(shí)，需將 2 傳送給給控制命令字D300 停止灌裝，然后將 5g/s 傳送給灌裝速度D200, 在停止灌裝 1 秒后，再將 1 傳送給控制命令字 D300，重新啟動(dòng)灌裝，即完成多段速控制。樣例程序如圖 2 所示。

圖 2 樣例程序

5. 結(jié)束語

本文較詳細(xì)地解讀了飛升 FSH-CF 系列計(jì)量泵 Modbus TCP 通訊協(xié)議，在匯川 Autoshop軟件中，本地的 EASY320 PLC 作為主站，飛升FSH-CF 系列計(jì)量泵做從站進(jìn)行 Modbus TCP通訊，有效解決了灌裝過程的過沖問題。未來可進(jìn)一步研究自適應(yīng)調(diào)速算法，以應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的流體工況。

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審核編輯 黃宇