基于 Modbus TCP 的飛升 FSH-CF計量泵多段速控制優化研究
2025-7-3 來源： 湖北三沃力源航天科技有限公司 作者：李 治 崔兵彥 黃洛川
【摘要】: 針對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 計量泵的協議交互機制，設計分段速度控制策略（25g/s → 15g/s），將灌裝偏差從 ±40g 降低至 ±10g 內，節拍由 155 秒/ 臺縮短至 97 秒 / 臺。實驗表明，該方法有效平衡效率與精度，可為類似高精度流體控制場景提供參考。
【關鍵詞】: 匯川 EASY320、Modbus TCP通訊協議、飛升 FSH-CF 計量泵、多段速控制
1.引言
公司非標自動化產線 OP50 是一臺多品種灌裝全氟己酮的自動化設備，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，計量泵品牌為飛升 FSH CF 系列，通訊協議為 Modbus TCP。原系統采用恒速15g/s灌裝，節拍155秒/臺，偏差±10g（合格）; 當提速至 40g/s 時，流體慣性導致過沖，偏差增至 ±40g（超差 300%）。經分析，高速下流體慣性導致過沖，需動態調節速度。故需在Modbus TCP 通訊協議的基礎上開發多段速灌裝方式，經過初步計算發現灌裝初期以 25 克 / 秒速度運行，灌裝后期以 5 克 / 秒速度運行，灌裝偏差在 ±5g（合格），可以滿足工藝質量要求和節拍要求。
飛升 FSH-CF 系列計量泵工作原理
2.Modbus 協議簡介
Modbus 協 議 使 用 客 戶 端 / 服 務 器 體 系，是一種半雙工通信協議。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，僅有主設備能對傳輸進行初始化，從設備根據主設備的請求進行應答。它在工作時首先由主站向目的從機地址發送請求報文 ; 然后各個從站在接收到請求報文后，根據自己的地址、端口號來判斷接收的數據包是否是自己的數據包 ; 如果是，則對應從站會從主站報文中讀取功能碼來判斷主站的目的從而進行相應的操作（如讀取數據或設置參數）; 最后在操作完成后，將結果回傳給主站。Modbus協議是一種應用層報文傳輸協議。其協議包括ASCII、RTU 和 TCP 3 種傳輸格式，其數據幀結構主要由數據幀、地址碼、功能碼、數據區和校驗碼 5 個部分組成，各部分功能表如表 1 所示。Modbus 協議因其高效、簡練、實用性強、支持多種物理層通信介質等特點，適用于多種工業設備和工控系統之間的通信需求。其廣泛的應用范圍和深入的工業集成使得自身成為現代工業自動化領域不可或缺的一部分。
3.飛升 FSH-CF 系列計量泵協議解讀
FSH-CF 系列計量泵控制器具備以太網通訊功能，可作為服務器端與上位機（工控機、PLC 或觸摸屏）進行以太網通訊，通訊協議分為FINS TCP/UDP 和 Modbus TCP 兩種，此處匯川EASY320 PLC只支持Modbus TCP通訊協議，故通訊協議選擇 Modbus TCP。
3.1 字通訊地址表解讀
表 1 為 FSH-CF 系列計量泵 ModbusTCP字通訊地址的詳細定義說明，可以看到灌裝速度數據類型為 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 數據幀結構的主要構成及功能
3.2 位通訊地址解讀
表 2 為 FSH-CF 系列計量泵 ModbusTCP位通訊地址的詳細定義說明，這里需要注意的是因計量泵啟動方式是由 PLC 來控制，PLC 相對計量泵來說是屬于外部設備，故需要外部啟動 / 停止命令。可以看到外部啟動命令地址為 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. 通信協議實現與程序配置
多字寫入發送指令格式 :00 00 00 00 00 aa00 bb cc cc dd dd dd ee ee ee ee，aa 表示指令中該字節后面的字節數，bb 表示命令碼，多字寫入為 10，cc cc 表示 16 進制的 Modbus地址，dd dd dd: 前 4 位表示寫入字數，后 2 位表示寫入字節數，ee ee ee ee 表示寫入數值，
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 表示指令中該字節后面的字節數。bb 表示命令碼，多字寫入為 10。cc cc 表示 16 進制的 Modbus 地址。dd dd 表示寫入字數。
4.1 寫入灌裝速度
表 1 中可知灌裝速度地址為 4x 7002，數據類型為 Float, 數據長度為 32 位。假設寫入值為25克，以16進制發送指令為:00 00 00 00 00 0B00 10 1B 5A 00 02 04 00 00 41 C8，0B表示該字節后面有 11 個字節，1B 5A 表示寫入地址為7002。00 02 04 表示寫入 2 個字，也就是 4 個字節。00 00 41 C8 表示依照 IEEE754 標準轉換得到的數值為 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 個字長度的數據。
4.2 啟動/停止注液
啟動是置位 4x 100.0，往字地址 4x 100 寫入0000000000000001，也就是數值1。16進制發送: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，也就是數值 2。以 16 進制發送: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，我們對注液速度和精度進行了驗證。為平衡節拍和精度要求，最終將速度切換點設定為 2300g。即：
需特別說明的是，FSH-CF 系列計量泵在灌裝過程中無法實時調整速度。如需更改灌裝速度，需先停止灌裝，待新速度參數寫入完成后再重新啟動。為確保參數生效，程序中設置了 1 秒延時——新速度寫入后延遲 1 秒再啟動灌裝。
4.4 通訊程序配置
選擇匯川 EASY320 PLC PLC 做主站，IP地 址 設 置 為 192.168.1.1， 飛 升 FSH-CF 系列 計 量 泵 做 從 站， 從 站 地 址 為 1，IP 設 置 為192.168.1.88，端口號設置為 502。D200 為灌裝速度寄存器，對應灌裝速度。D300 為控制字，對應計量泵啟動與停止命令（1 啟動，2 停止）。寄存器 D200、D201 對應的浮點數通過 PLC 以500ms 周期寫入計量泵寄存器地址為 1B5A 的寄存器中。當寄存器啟動 / 停止條件滿足即 MO 的值為 1 時，PLC 將寄存器地址為 D300 的數值寫入地址為 64 的寄存器中。
圖 1 Modbus TCP 配置
在 M0 啟動條件滿足時，清零實時注液量D400、將 25g/s 傳送給灌裝速度 D200、同時將1 傳送給控制命令字 D300, 控制命令字 D300 值為 1 時灌裝啟動，值為 2 時灌裝停止。當注液量達到 2300g 時，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. 結束語
本文較詳細地解讀了飛升 FSH-CF 系列計量泵 Modbus TCP 通訊協議，在匯川 Autoshop軟件中，本地的 EASY320 PLC 作為主站，飛升FSH-CF 系列計量泵做從站進行 Modbus TCP通訊，有效解決了灌裝過程的過沖問題。未來可進一步研究自適應調速算法，以應對更復雜的流體工況。
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