摘 要：本文主要介紹基于當(dāng)今流行的現(xiàn)場總線DeviceNet （設(shè)備網(wǎng)）和CompoBus/D的控制系統(tǒng)，闡述了三級計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)體系和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。作者基于此網(wǎng)絡(luò)對同一個(gè)對象（電烤箱）采用模糊控制和PID控制兩種控制方法進(jìn)行控制。構(gòu)建控制系統(tǒng)時(shí)，作者兼顧性能與成本兩個(gè)方面。結(jié)果表明：采用DeviceNet現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)的控制效果十分理想，對電烤箱采用模糊控制的方法要優(yōu)于PID控制方法。 關(guān)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(dú)創(chuàng)出由DeviceNet（設(shè)備層）、ControlNet（控制層），EtherNet（信息層）組成的三層工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。CompoBus/D網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)歐姆龍公司的一種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線，屬于設(shè)備生產(chǎn)線控制級別的網(wǎng)絡(luò)。該總線也是基于DeviceNet的現(xiàn)場總線。 　　本文從提高性價(jià)比的角度出發(fā)，在注重性能的同時(shí)降低成本，提出了利用DeviceNet現(xiàn)場總線的開放性特點(diǎn)，采用不同公司產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的構(gòu)建，提高性價(jià)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(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)工業(yè)通信。（2） 通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。（3） 模糊控制理論和PID控制的應(yīng)用 2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　圖1為帶配置器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)最大可以帶64個(gè)節(jié)點(diǎn)，用主單元與從單元通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 　?。?） 最上層是工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet，由計(jì)算機(jī)、集線器、ROCKWELL公司SLC5/05 PLC組成。計(jì)算機(jī)主要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，PLC主要是作為控制主站，把計(jì)算機(jī)的控制信息傳送給最底層的設(shè)備層，同時(shí)把設(shè)備信息傳送給臺式計(jì)算機(jī);自身也可以實(shí)現(xiàn)控制功能。SLC5/05自帶以太網(wǎng)的接口。ROCKWELL公司也提供以太網(wǎng)的模塊。 　?。?） 主站PLC的構(gòu)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(shù)字量輸入模塊 1746-IB16，數(shù)字量輸出模塊 1746-OB16，數(shù)字量輸出模塊1746-OW16，DeviceNet掃描模塊 1747-SDN 。DeviceNet掃描模塊 1747-SDN負(fù)責(zé)底層DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的通信。 　?。?） 設(shè)備層由兩個(gè)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(shù)字量輸入輸出模塊CQM1H-ID212 數(shù)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(shè)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(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖： [align=center] 圖1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[/align] 3 數(shù)據(jù)信息交換的實(shí)現(xiàn) 　　對硬件完成接線以后，這里還要完成三部分的內(nèi)容。 　　首先，對主站ROCKWELL PLC進(jìn)行組態(tài)。用Rslogix軟件。 　　其次是對歐姆龍PLC進(jìn)行組態(tài)。這里使用的是CX-PROGRAM軟件。 　　再次，用DeviceNet配置器對DeviceNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。第一步，設(shè)定各個(gè)DeviceNet從站的地址和通信波特率。整個(gè)網(wǎng)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(chǎn)品，當(dāng)掃描到OMRON公司的PLC和變頻器時(shí)，根本不認(rèn)這兩個(gè)產(chǎn)品，在掃描到OMRON產(chǎn)品時(shí)顯示兩個(gè)問號。安裝OMRON產(chǎn)品的EDS文件，DeviceNet便可以識別出該產(chǎn)品。 　?。?） 未安裝EDS文件（圖2）： [align=center] 圖2 未安裝EDS文件組態(tài)畫面[/align] 　　（2） 在DeviceNet組態(tài)成功后看見如下（圖3）： [align=center] 圖3 組態(tài)成功后畫面[/align] 　　采用RSLogix 500 對ROCKWELL PLC進(jìn)行編程，用CX-Programmer 對OMRON公司的PLC進(jìn)行編程。只需要幾條簡單指令即可實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。 　　在計(jì)算機(jī)中采用組態(tài)王做出組態(tài)畫面，通過Rslinx的OPC服務(wù)綁定變量，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 4 控制的實(shí)現(xiàn) 　　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(gè)具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)的系統(tǒng)，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)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(shè)Et為烤箱內(nèi)部溫度誤差，E’t為誤差Et隨時(shí)間變化的變化率，Ct為控制加熱作用。設(shè)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(fù)小、負(fù)中、負(fù)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(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。由電烤箱溫度控制經(jīng)驗(yàn)可以得出如下控制表（表1）： 　　表1 電烤箱模糊控制規(guī)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｝ 　?。鸈’t｝=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝ 　?。鸆t｝=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝ 　　規(guī)定其論域?yàn)椋? 　?。鸈t｝=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝ 　?。鸈’t｝=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝ 　?。鸆t｝=｛-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7｝ 　　采用正態(tài)分布描述各模糊變量對其相應(yīng)論域的隸屬度，由模糊控制計(jì)算規(guī)則，可先求模糊關(guān)系矩陣： 　　Rt=R1∪R2∪…∪Rk?。╧=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(jù)上面的模糊控制規(guī)則，計(jì)算出Ct控制矩陣，按照隸屬函數(shù)取大以原則，可以得到相應(yīng)的模糊控制量。如下模糊控制表（表2）： 　　實(shí)際控制的控制量的選取可以根據(jù)實(shí)際測量的Et和E’t經(jīng)過模糊處理后，通過查表法求得Ct，再轉(zhuǎn)換為實(shí)際的精確控制量后輸出。 　　所有的模糊處理完全可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)通過組態(tài)軟件與VB的程序接口完成。但是，考慮到上位機(jī)的功能主要是監(jiān)控，同時(shí)為了減少通信量和縮短通信延遲和降低上位機(jī)的負(fù)荷，本系統(tǒng)在PLC內(nèi)通過語句實(shí)現(xiàn)，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(jīng)對比可見，電烤箱溫度模糊控制效果優(yōu)于PID控制。 [align=center] 圖4 電烤箱溫度模糊控制動態(tài)響應(yīng)曲線 圖5 電烤箱溫度PID控制動態(tài)響應(yīng)曲線[/align] 　　4.2水位控制 　　對水箱液位的控制采用PID控制。詳細(xì)的控制原理如下圖： 　　 　　為了提高運(yùn)行的精度與可靠性，所有的PID運(yùn)算是在主戰(zhàn)完成，歐姆拉PLC僅僅是作為接入設(shè)備。它將信號經(jīng)DeviceNet總線傳至上位機(jī)，變頻器從DeviceNet總線接收上位機(jī)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(shù)，不允許客戶輸入浮點(diǎn)數(shù)。因此，如果有浮點(diǎn)數(shù)輸入，將會發(fā)生浮點(diǎn)數(shù)到整型數(shù)的轉(zhuǎn)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(jié)，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(zhuǎn)換器數(shù)值的模擬量輸入字的位置?？刂谱兞浚–ontrol Variable）是存儲PID指令輸出單元的地址。通常是整數(shù)值。詳細(xì)PID指令的參數(shù)設(shè)置見ROCKWELL文檔。 　　在PID參數(shù)整定過程中使用了RSTune回路整定軟件，利用它可方便、迅速、準(zhǔn)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(shù)時(shí)，需要配合RSLinx以及RSLogix 中的梯形圖程序。通過在RSLinx 中建立相應(yīng)的Topic，在梯形圖中使用相關(guān)PID指令（在此指令中實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)初值的設(shè)定），這樣，程序運(yùn)行時(shí)，各實(shí)時(shí)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(tǒng)運(yùn)行的好壞。同時(shí)，RSTune也會根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自動地完成對PID參數(shù)的整定。經(jīng)整定后參數(shù)為：KC=1.1 TI=0.1 TD=0.03。 5 結(jié)束語 　　該控制系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試已經(jīng)成功運(yùn)行。上位機(jī)采用組態(tài)軟件作出人機(jī)交互界面并且保存網(wǎng)絡(luò)中的控制信息為將來的管理提供數(shù)據(jù)。由于采用了兩個(gè)公司的產(chǎn)品，ROCKWELL公司的高端產(chǎn)品性能優(yōu)越，但價(jià)格昂貴，OMRON公司的低端產(chǎn)品性價(jià)比高，價(jià)格便宜，以ROCKWELL公司的產(chǎn)品作核心控制主站，OMRON公司產(chǎn)品作非核心從站，這樣就可以兼顧性能和成本兩方面。同時(shí)，我們可以看出對電烤箱的控制采用模糊控制方法要優(yōu)于PID控制方法。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):在于作者利用DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)性，采用不同公司產(chǎn)品，高低搭配，提高了整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比，為降低成本提出了一條新思路。 參考文獻(xiàn) 　　1 凌空 蔣式勤 基于DeviceNet的小區(qū)監(jiān)控 微計(jì)算機(jī)信息 2003年第19卷第9期27～28頁 　　2 Allen-Bradley. 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