摘 要：本文主要介紹基于當今流行的現場總線DeviceNet （設備網）和CompoBus/D的控制系統，闡述了三級計算機通信網絡體系和工業控制網絡技術的應用。作者基于此網絡對同一個對象（電烤箱）采用模糊控制和PID控制兩種控制方法進行控制。構建控制系統時，作者兼顧性能與成本兩個方面。結果表明：采用DeviceNet現場總線實現的控制效果十分理想，對電烤箱采用模糊控制的方法要優于PID控制方法。 關鍵詞：DeviceNet;CompoBus/D;PLC;模糊;PID;溫度;水位 Abstract: This paper introduces a controlling system based on the fieldbus of DeviceNet and CompoBus/D, which are popular fieldbus currently, describes three-level communication network architecture composed by two kinds of fieldbus and the application of industrial control network. During the designing the controlling system, the author takes into account two sides of the performance and the cost of the system. The author controls the same object with tow kinds of methods, which are fuzzy control and PID control. The result shows：The effect of control based on DeviceNet fieldbus is fine，the method of fuzzy control excels the method of PID control in controlling electronic oven. Key words: DeviceNet; CompoBus/D; PLC; fuzzy; PID; temperature; water level 1 引言 　　ROCKWELL公司獨創出由DeviceNet（設備層）、ControlNet（控制層），EtherNet（信息層）組成的三層工業控制系統的網絡結構。CompoBus/D網絡就是一個歐姆龍公司的一種標準現場總線，屬于設備生產線控制級別的網絡。該總線也是基于DeviceNet的現場總線。 　　本文從提高性價比的角度出發，在注重性能的同時降低成本，提出了利用DeviceNet現場總線的開放性特點，采用不同公司產品來實現控制系統的構建，提高性價比，降低成本。 　　本文主要討論：（1） ROCKWELL公司PLC和歐姆龍公司的PLC、變頻器通過DeviceNet現場總線實現工業通信。（2） 通過工業以太網實現遠程控制。（3） 模糊控制理論和PID控制的應用 2 系統硬件結構 　　圖1為帶配置器的系統結構圖。該系統最大可以帶64個節點，用主單元與從單元通信實現遠程控制。 　　（1） 最上層是工業以太網Ethernet，由計算機、集線器、ROCKWELL公司SLC5/05 PLC組成。計算機主要進行遠程監控，PLC主要是作為控制主站，把計算機的控制信息傳送給最底層的設備層，同時把設備信息傳送給臺式計算機;自身也可以實現控制功能。SLC5/05自帶以太網的接口。ROCKWELL公司也提供以太網的模塊。 　　（2） 主站PLC的構成：使用ROCKWELL公司SLC5/05的PLC做主站，所帶有的模塊是：CPU：1747-L551，模擬量輸入模塊 1746-NI8，模擬量輸出模塊 1746-NO4I，數字量輸入模塊 1746-IB16，數字量輸出模塊 1746-OB16，數字量輸出模塊1746-OW16，DeviceNet掃描模塊 1747-SDN 。DeviceNet掃描模塊 1747-SDN負責底層DeviceNet網絡的通信。 　　（3） 設備層由兩個控制對象組成。其一是歐姆龍的PLC，主要是完成對電烤箱的控制。歐姆龍PLC的組成模塊為：CPU模塊 OMRON CQM1H-CPU51 模擬量輸入輸出模塊OMRON CQM1H-MAB42 數字量輸入輸出模塊CQM1H-ID212 數字量輸出模塊 OMRON 　　CQM1-OC222 CompoBus/D掃描模塊OMRON CQM1-DRT21。電烤箱用4-20mA的電流傳感器做為溫度測量信號，接到歐姆龍PLC的模擬量輸入端，用4-20mA電流信號做為輸出信號。其二是歐姆龍公司的變頻器 CompoBus/D通信卡。該卡為變頻器的選裝設備。液位傳感器是4-20mA電流傳感器，接到歐姆龍PLC的模擬量輸入端。整個系統結構如下圖： [align=center] 圖1 網絡系統結構[/align] 3 數據信息交換的實現 　　對硬件完成接線以后，這里還要完成三部分的內容。 　　首先，對主站ROCKWELL PLC進行組態。用Rslogix軟件。 　　其次是對歐姆龍PLC進行組態。這里使用的是CX-PROGRAM軟件。 　　再次，用DeviceNet配置器對DeviceNet網絡進行配置。第一步，設定各個DeviceNet從站的地址和通信波特率。整個網路的通信波特率必須一致。然后安裝RSNetworx軟件和DeviceNet配置器硬件。我選用了ROCKWELL公司的1770 KFD。由于非ROCKWELL公司產品，當掃描到OMRON公司的PLC和變頻器時，根本不認這兩個產品，在掃描到OMRON產品時顯示兩個問號。安裝OMRON產品的EDS文件，DeviceNet便可以識別出該產品。 　　（1） 未安裝EDS文件（圖2）： [align=center] 圖2 未安裝EDS文件組態畫面[/align] 　　（2） 在DeviceNet組態成功后看見如下（圖3）： [align=center] 圖3 組態成功后畫面[/align] 　　采用RSLogix 500 對ROCKWELL PLC進行編程，用CX-Programmer 對OMRON公司的PLC進行編程。只需要幾條簡單指令即可實現上下位機的數據傳輸。 　　在計算機中采用組態王做出組態畫面，通過Rslinx的OPC服務綁定變量，即可實現遠程控制。 4 控制的實現 　　4.1 電烤箱的控制 　　4.1.1 電烤箱控制方法 　　由于電烤箱是一個具有大慣性、純滯后、非線性等特點的系統，基于精確數學模型的常規控制很難保證加熱曲線要求，例如PID控制。所以考慮采用模糊控制的方法。設Et為烤箱內部溫度誤差，E’t為誤差Et隨時間變化的變化率，Ct為控制加熱作用。設PB、PM、PS、P0、N0、NS、NM、NB表示分別表示誤差Et值為正大、正中、正小、比零稍大、比零稍小、負小、負中、負大，用PB、PM、PS、0、NS、NM、NB表示E′t和Ct值為正大、正中、正小、零、負小、負中、負大。由電烤箱溫度控制經驗可以得出如下控制表（表1）： 　　表1 電烤箱模糊控制規則表 　　定義Et， E’t和Ct的模糊子集為：和Ct的模糊子集為： 　　｛Et｝=｛NB，NM，NS，N0，P0，PS，PM，PB｝ 　　｛E’t｝=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝ 　　｛Ct｝=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝ 　　規定其論域為： 　　｛Et｝=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝ 　　｛E’t｝=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝ 　　｛Ct｝=｛-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7｝ 　　采用正態分布描述各模糊變量對其相應論域的隸屬度，由模糊控制計算規則，可先求模糊關系矩陣： 　　Rt=R1∪R2∪…∪Rk　（k=i，j） 　　式中: RL=（Et（i） ×E’t（j））·Ct（i，j） （i=1～8，j=1～7，L=1～i× j） 　　依據上面的模糊控制規則，計算出Ct控制矩陣，按照隸屬函數取大以原則，可以得到相應的模糊控制量。如下模糊控制表（表2）： 　　實際控制的控制量的選取可以根據實際測量的Et和E’t經過模糊處理后，通過查表法求得Ct，再轉換為實際的精確控制量后輸出。 　　所有的模糊處理完全可以在計算機內通過組態軟件與VB的程序接口完成。但是，考慮到上位機的功能主要是監控，同時為了減少通信量和縮短通信延遲和降低上位機的負荷，本系統在PLC內通過語句實現，只是稍微繁瑣。PLC掃描速度很快，不會有延遲影響。 　　表2 模糊控制表 　　4.1.2控制效果 　　對電烤箱采用模糊控制和PID控制的效果分別見圖4和圖5。經對比可見，電烤箱溫度模糊控制效果優于PID控制。 [align=center] 圖4 電烤箱溫度模糊控制動態響應曲線 圖5 電烤箱溫度PID控制動態響應曲線[/align] 　　4.2水位控制 　　對水箱液位的控制采用PID控制。詳細的控制原理如下圖： 　　 　　為了提高運行的精度與可靠性，所有的PID運算是在主戰完成，歐姆拉PLC僅僅是作為接入設備。它將信號經DeviceNet總線傳至上位機，變頻器從DeviceNet總線接收上位機的控制指令。 　　水池的壓力傳感器提供4～20mA電流的水位信號，控制輸出量反饋給歐姆龍 PLC的模擬量輸入。注意，PID指令僅用于整型數，不允許客戶輸入浮點數。因此，如果有浮點數輸入，將會發生浮點數到整型數的轉換。 　　下圖是輸入PID命令的梯形圖 　　控制塊的長度固定為23字節，過程變量（Process Variable）是存儲過程輸入值的單元地址，此地址可以是存儲輸入A/D轉換器數值的模擬量輸入字的位置。控制變量（Control Variable）是存儲PID指令輸出單元的地址。通常是整數值。詳細PID指令的參數設置見ROCKWELL文檔。 　　在PID參數整定過程中使用了RSTune回路整定軟件，利用它可方便、迅速、準確地整定PID控制回路，不另外需要編程。使用RSTune軟件整定參數時，需要配合RSLinx以及RSLogix 中的梯形圖程序。通過在RSLinx 中建立相應的Topic，在梯形圖中使用相關PID指令（在此指令中實現PID參數初值的設定），這樣，程序運行時，各實時值就能夠直觀地反映在RSTune提供的界面中，便于分析控制系統運行的好壞。同時，RSTune也會根據采集到的數據自動地完成對PID參數的整定。經整定后參數為：KC=1.1 TI=0.1 TD=0.03。 5 結束語 　　該控制系統經過調試已經成功運行。上位機采用組態軟件作出人機交互界面并且保存網絡中的控制信息為將來的管理提供數據。由于采用了兩個公司的產品，ROCKWELL公司的高端產品性能優越，但價格昂貴，OMRON公司的低端產品性價比高，價格便宜，以ROCKWELL公司的產品作核心控制主站，OMRON公司產品作非核心從站，這樣就可以兼顧性能和成本兩方面。同時，我們可以看出對電烤箱的控制采用模糊控制方法要優于PID控制方法。 　　本文作者創新點:在于作者利用DeviceNet網絡的開發性，采用不同公司產品，高低搭配，提高了整個系統的性價比，為降低成本提出了一條新思路。 參考文獻 　　1 凌空 蔣式勤 基于DeviceNet的小區監控 微計算機信息 2003年第19卷第9期27～28頁 　　2 Allen-Bradley. SLC 500 DeviceNet Scanner Module 1747-SDN August 2000 　　3 Allen-Bradley. Ethernet SLC 500 Processors August 5， 1997 　　4 OMRON C200HW-DRT21 CQM1-DRT21 DRT1 Series DeviceNet Slaves OPERATION MANUAL 1998 　　5 劉曙光 魏俊民 竺志超 模糊控制技術 中國紡織出版社，2001年6月 　　6 Allen-Bradley. RSTune user Manual [M].