关键词：DeviceNet;CompoBus/D;PLC;模糊;PID;温度;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公司独创出由DeviceNet（设备层）、ControlNet（控制层），EtherNet（信息层）组成的三层工业控制系统的网络结构。CompoBus/D网络就是一个欧姆龙公司的一种标准现场总线，属于设备生产线控制级别的网络。该总线也是基于DeviceNet的现场总线。
本文从提高性价比的角度出发，在注重性能的同时降低成本，提出了利用DeviceNet现场总线的开放性特点，采用不同公司产品来实现控制系统的构建，提高性价比，降低成本。
本文主要讨论：（1） ROCKWELL公司PLC和欧姆龙公司的PLC、变频器通过DeviceNet现场总线实现工业通信。（2） 通过工业以太网实现远程控制。（3） 模糊控制理论和PID控制的应用
2 系统硬件结构
图1为带配置器的系统结构图。该系统最大可以带64个节点，用主单元与从单元通信实现远程控制。
（1） 最上层是工业以太网Ethernet，由计算机、集线器、ROCKWELL公司SLC5/05 PLC组成。计算机主要进行远程监控，PLC主要是作为控制主站，把计算机的控制信息传送给最底层的设备层，同时把设备信息传送给台式计算机;自身也可以实现控制功能。SLC5/05自带以太网的接口。ROCKWELL公司也提供以太网的模块。
（2） 主站PLC的构成：使用ROCKWELL公司SLC5/05的PLC做主站，所带有的模块是：CPU：1747-L551，模拟量输入模块 1746-NI8，模拟量输出模块 1746-NO4I，数字量输入模块 1746-IB16，数字量输出模块 1746-OB16，数字量输出模块1746-OW16，DeviceNet扫描模块 1747-SDN 。DeviceNet扫描模块 1747-SDN负责底层DeviceNet网络的通信。
（3） 设备层由两个控制对象组成。其一是欧姆龙的PLC，主要是完成对电烤箱的控制。欧姆龙PLC的组成模块为：CPU模块 OMRON CQM1H-CPU51 模拟量输入输出模块OMRON CQM1H-MAB42 数字量输入输出模块CQM1H-ID212 数字量输出模块 OMRON
CQM1-OC222 CompoBus/D扫描模块OMRON CQM1-DRT21。电烤箱用4-20mA的电流传感器做为温度测量信号，接到欧姆龙PLC的模拟量输入端，用4-20mA电流信号做为输出信号。其二是欧姆龙公司的变频器 CompoBus/D通信卡。该卡为变频器的选装设备。液位传感器是4-20mA电流传感器，接到欧姆龙PLC的模拟量输入端。整个系统结构如下图：
图1 网络系统结构
3 数据信息交换的实现
对硬件完成接线以后，这里还要完成三部分的内容。
首先，对主站ROCKWELL PLC进行组态。用Rslogix软件。
其次是对欧姆龙PLC进行组态。这里使用的是CX-PROGRAM软件。
再次，用DeviceNet配置器对DeviceNet网络进行配置。第一步，设定各个DeviceNet从站的地址和通信波特率。整个网路的通信波特率必须一致。然后安装RSNetworx软件和DeviceNet配置器硬件。我选用了ROCKWELL公司的1770 KFD。由于非ROCKWELL公司产品，当扫描到OMRON公司的PLC和变频器时，根本不认这两个产品，在扫描到OMRON产品时显示两个问号。安装OMRON产品的EDS文件，DeviceNet便可以识别出该产品。
（1） 未安装EDS文件（图2）：
图2 未安装EDS文件组态画面
（2） 在DeviceNet组态成功后看见如下（图3）：
图3 组态成功后画面
采用RSLogix 500 对ROCKWELL PLC进行编程，用CX-Programmer 对OMRON公司的PLC进行编程。只需要几条简单指令即可实现上下位机的数据传输。
在计算机中采用组态王做出组态画面，通过Rslinx的OPC服务绑定变量，即可实现远程控制。
4 控制的实现
4.1 电烤箱的控制
4.1.1 电烤箱控制方法
由于电烤箱是一个具有大惯性、纯滞后、非线性等特点的系统，基于精确数学模型的常规控制很难保证加热曲线要求，例如PID控制。所以考虑采用模糊控制的方法。设Et为烤箱内部温度误差，E’t为误差Et随时间变化的变化率，Ct为控制加热作用。设PB、PM、PS、P0、N0、NS、NM、NB表示分别表示误差Et值为正大、正中、正小、比零稍大、比零稍小、负小、负中、负大，用PB、PM、PS、0、NS、NM、NB表示E′t和Ct值为正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。由电烤箱温度控制经验可以得出如下控制表（表1）：
表1 电烤箱模糊控制规则表
定义Et， E’t和Ct的模糊子集为：和Ct的模糊子集为：
｛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｝
规定其论域为：
｛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｝
采用正态分布描述各模糊变量对其相应论域的隶属度，由模糊控制计算规则，可先求模糊关系矩阵：
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）
依据上面的模糊控制规则，计算出Ct控制矩阵，按照隶属函数取大以原则，可以得到相应的模糊控制量。如下模糊控制表（表2）：
实际控制的控制量的选取可以根据实际测量的Et和E’t经过模糊处理后，通过查表法求得Ct，再转换为实际的精确控制量后输出。
所有的模糊处理完全可以在计算机内通过组态软件与VB的程序接口完成。但是，考虑到上位机的功能主要是监控，同时为了减少通信量和缩短通信延迟和降低上位机的负荷，本系统在PLC内通过语句实现，只是稍微繁琐。PLC扫描速度很快，不会有延迟影响。
表2 模糊控制表
4.1.2控制效果
对电烤箱采用模糊控制和PID控制的效果分别见图4和图5。经对比可见，电烤箱温度模糊控制效果优于PID控制。
图4 电烤箱温度模糊控制动态响应曲线
图5 电烤箱温度PID控制动态响应曲线
4.2水位控制
对水箱液位的控制采用PID控制。详细的控制原理如下图：
为了提高运行的精度与可靠性，所有的PID运算是在主战完成，欧姆拉PLC仅仅是作为接入设备。它将信号经DeviceNet总线传至上位机，变频器从DeviceNet总线接收上位机的控制指令。
水池的压力传感器提供4～20mA电流的水位信号，控制输出量反馈给欧姆龙 PLC的模拟量输入。注意，PID指令仅用于整型数，不允许客户输入浮点数。因此，如果有浮点数输入，将会发生浮点数到整型数的转换。
下图是输入PID命令的梯形图
控制块的长度固定为23字节，过程变量（Process Variable）是存储过程输入值的单元地址，此地址可以是存储输入A/D转换器数值的模拟量输入字的位置。控制变量（Control Variable）是存储PID指令输出单元的地址。通常是整数值。详细PID指令的参数设置见ROCKWELL文档。
在PID参数整定过程中使用了RSTune回路整定软件，利用它可方便、迅速、准确地整定PID控制回路，不另外需要编程。使用RSTune软件整定参数时，需要配合RSLinx以及RSLogix 中的梯形图程序。通过在RSLinx 中建立相应的Topic，在梯形图中使用相关PID指令（在此指令中实现PID参数初值的设定），这样，程序运行时，各实时值就能够直观地反映在RSTune提供的界面中，便于分析控制系统运行的好坏。同时，RSTune也会根据采集到的数据自动地完成对PID参数的整定。经整定后参数为：KC=1.1 TI=0.1 TD=0.03。
5 结束语
该控制系统经过调试已经成功运行。上位机采用组态软件作出人机交互界面并且保存网络中的控制信息为将来的管理提供数据。由于采用了两个公司的产品，ROCKWELL公司的高端产品性能优越，但价格昂贵，OMRON公司的低端产品性价比高，价格便宜，以ROCKWELL公司的产品作核心控制主站，OMRON公司产品作非核心从站，这样就可以兼顾性能和成本两方面。同时，我们可以看出对电烤箱的控制采用模糊控制方法要优于PID控制方法。
本文作者创新点:在于作者利用DeviceNet网络的开发性，采用不同公司产品，高低搭配，提高了整个系统的性价比，为降低成本提出了一条新思路。
参考文献
1 凌空 蒋式勤 基于DeviceNet的小区监控 微计算机信息 2003年第19卷第9期27～28页
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3 Allen-Bradley. Ethernet SLC 500 Processors August 5， 1997
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5 刘曙光 魏俊民 竺志超 模糊控制技术 中国纺织出版社，2001年6月
6 Allen-Bradley. RSTune user Manual [M].
