一种车间制造系统Petri网模型的PLC硬件实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种车间制造系统中Petri网模型转换到PLC梯形图的方法。首先，使用Petri网对车间制造系统进行建模，再把Petri网模型转化为工业控制系统中常用控制器PLC对应的梯形图。将系统Petri网模型的PLC梯形图分为三个模块，包括初始化模块，侦测模块和演变模块。初始化模块用于将Petri网的初始状态M0传递给梯形图，即把Petri网模型的初始托肯信息传递给对应的线圈或加法器。侦测模块用于检测每个变迁的使能信息，用于判断冲突变迁的优先级，用于解决冲突问题，用于从结构上避免雪崩效应。演变模块用于接收侦测模块传递的信息，将使能的变迁发射，并更新各个库所的托肯数量。本发明专利技术以车间制造系统为对象，解决了系统Petri网转换到PLC梯形图中存在的冲突问题和雪崩效应。

【技术实现步骤摘要】
一种车间制造系统Petri网模型的PLC硬件实现方法
本专利技术属于车间工业制造系统与控制
，特别是一种车间制造系统Petri网模型的PLC硬件实现方法。
技术介绍
科学技术的高速发展推动了工业制造水平的提高，同时也使车间工业制造系统的自动化水平不断提高。现代的车间制造系统的设计与实现过程比较复杂，所以在系统投入使用前，要找到一个合适的车间制造系统建模方法进行清晰准确描述整个系统的各个要素。要能够在设计开始时就能够有效避免一些严重的错误或缺陷，在系统运转时，要能方便的监督和完善。目前，涉及车间制造系统建模的方法有很多种，且侧重点各有不同，其中Petri网建模与设计是其中的主流技术之。Petri网是一种用于异步、并发和动态的系统的图形化、数学化建模工具，用于分析、设计、模拟和研究异步、并发、不确定性和随机的离散事件动态系统。根据有关系统结构和动态行为方面的信息，可以对要开发或者维护的系统进行评价和改进。而且Petri网是基于结构图和流程图形式，所以可以很直观、形象地观察和分析模型，同时，作为一种数学工具Petri网可以建立状态方程、代数方程以及系统行为的其他数学模型，便于计算和验证。另一方面，在车间工业制造中存在大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，使PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。把PLC应用于离散事件系统的控制，是因为PLC本身的低成本、耐用性和易编程的性质。PLC编程语言包括顺序功能图语言、梯形图语言、功能块语言、语句表语言以及结构化文本语言。不同的编程语言编写的程序一般可以相互转换，不同的语言形式可以表达相同的逻辑关系。其中，梯形图语言以其简单和直观的特性，成为实际应用中最常用的PLC编程语言。对于简单的系统，使用启发式方法，很容易写出PLC程序。但是，当开发多产品、并行任务或周期性交互任务时，梯形图语言难以提供足够的结构支持，同时系统也会极为复杂以至于难以调试。所以需要一种更高层次的工具去帮助解决这些问题。在离散事件系统的描述问题上，Petri网被公认为是一高效的工具。由于Petri网在描述离散事件上的优势和PLC在自动化工业上的广泛应用，由Petri网转化至PLC梯形图也经历了学者的大量研究。D.C.McFarlane等提出了一种基于时序逻辑的转化方法。该方法罗列库所与变迁之间的结构形式，给出对应转化后的梯形图。该方法的特点是结构简单，并且考虑到了对外部事件输出的组合逻辑。但是该方法只适用于安全Petri网，并且没有考虑冲突问题和雪崩效应。在实际的离散事件系统Petri网建模中，安全Petri网适用性低，这大大降低了它的实用性。(ChirnJL,McfarlaneDC.PETRINETSBASEDDESIGNOFLADDERLOGICDIAGRAMS[J].2000.)MuratUZAM等提出了一种基于TPL(TokenPassingLogic)的转化技术(UzamDM,JonesAH.DiscreteeventcontrolsystemdesignusingautomationPetrinetsandtheirladderdiagramimplementation[J].InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,1998,14(10):716-728.)。它的主要思想是利用托肯在库所之间的演变作为转化的主要依据。在Uzam的另一篇相关文章中提出了冲突问题，并给出了两种解决方案(UzamM,IB,GelenG,etal.ASYNCHRONOUSIMPLEMENTATIONOFAPETRINETBASEDDISCRETEEVENTCONTROLSYSTEMUSINGAXILINXFPGA[J].2008.)。其核心思想是对冲突结构设置优先级。但这两种方法都要对原有模型进行扩展，增加了结构的复杂性，也没有考虑雪崩效应。纵观Petri网至PLC梯形图转化的研究，在很多方面已经取得了巨大进展。比如转化方法对各种扩展Petri网的适用性，转化方法的简洁性，控制逻辑的完整性等等。但还是存在一些问题，主要是：1)雪崩效应。雪崩效应是由PLC扫描特性带来的。PLC总是从上至下，从左至右依次扫描。在某些特定条件下，系统状态会连续演变，造成不可预知的状态。2)冲突问题。冲突问题是Petri网中结构本身存在的问题，当两个或两个以上变迁竞争同一库所资源时，冲突有可能发生。把Petri网转化为梯形图，也要考虑解决冲突问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为车间制造系统提供一种基于Petri网状态方程的Petri网模型转化为PLC梯形图的方法，使Petri网对离散事件系统高效的建模能力应用于生产系统PLC实际应用中。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种车间制造系统Petri网模型的PLC硬件实现方法，包括以下步骤：步骤1、利用Petri网实现工业上离散时间系统建模过程如下：归类生产系统主要有工作部件和共享资源，工作部件按照一定的规则并发执行和共享系统的资源。使用Petri网的库所中的托肯数表示资源数，使用Petri网的变迁表示工作部件，使用Petri网中库所与变迁间的关系弧表示生产系统中的规则。这样即可将现实的企业车间生产系统模型化，使用Petri网模型表示，并且通过分析、处理Petri网模型来实现对实际系统的研究和控制。步骤2、初始化模块，其求解过程如下：对于Petri网模型全部库所集合P＝{p1,p2,p3...pn}(n为系统中库所总数)，找出所有且pi的托肯数最多为1的库所，记为集合PA。找出所有且pj的托肯数有可能大于1的库所，记为集合PB。对于为pi设置一个布尔代数，即其中m为集合PA中元素的数量。对于使用PLC中间继电器来存储pj信息，用来表示库所中托肯的数量。在系统初始状态M0状态下，把拥有托肯的库所及其数量信息传递到梯形图中。若则用一个PLC线圈S来表示p。若则把托肯数量信息传递到对应的寄存器中。步骤3、侦测模块采用先侦测所有变迁的使能情况，再统一发射变迁，从结构上避免了雪崩效应。雪崩效应为PLC扫描过程中，布尔表达式序贯赋值引起的结果。雪崩效应类似于流水线指令的RAW(写后读)数据相关，即后一指令所需的数据被前一指令所更改，这并不是我们预期的结果，会导致Petri网状态的雪崩，引起无法预知的后果。使用先侦测所有变迁的使能情况，再对使能变迁统一发射，从结构上避免了判断变迁使能状况同时发射容易引起的雪崩效应，提高了系统的稳定性。步骤4、侦测模块在侦测时同时设置涉及冲突问题库所的优先级，解决冲突问题。其求解过程如下：通过检查Petri网模型的关联矩阵[N](p,t)，确定系统中是否存在冲突问题。若系统存在冲突问题，则通过设置各个变迁的优先级，解决Petri网模型中存在的冲突问题。具体做法为：在PLC梯形图编程语言执行过程中，总是按照从上至下、从左至右依次扫描的。在涉及冲突库所的转化时，把优先级较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车间制造系统中Petri网转换到PLC梯形图的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将车间制造系统中Petri网的初始状态M0传递给梯形图，即把Petri网模型的初始托肯信息传递给对应的库所；步骤2、检测每个变迁的使能信息，并利用该使能信息判断冲突变迁的优先级，从结构上解决雪崩效应；步骤3、将使能的变迁发射，之后更新各个库所的托肯数量，从而完成Petri网到PLC梯形图的转换。

【技术特征摘要】
1.一种车间制造系统中Petri网转换到PLC梯形图的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将车间制造系统中Petri网的初始状态M0传递给梯形图，即把Petri网模型的初始托肯信息传递给对应的库所；步骤2、检测每个变迁的使能信息，并利用该使能信息判断冲突变迁的优先级，从结构上解决雪崩效应；步骤3、将使能的变迁发射，之后更新各个库所的托肯数量，从而完成Petri网到PLC梯形图的转换。2.根据权利要求1所述的车间制造系统中Petri网转换到PLC梯形图的方法，其特征在于，步骤1中把Petri网模型的初始托肯信息传递给对应的库所具体为：步骤1-1、对于Petri网模型全部库所集合P＝{p1，p2，p3…pn}，n为系统中库所总数，找出所有且pi的托肯数最多为1的库所，记为集合PA；找出所有且pj的托肯数有可能大于1的库所，记为集合PB；步骤1-2、对于为pi设置一个布尔代数，即其中m为集合PA中元素的数量；对于使用PLC中间继电器来存储pj信息，PLC中间继电器用于表示库所中托肯的数量；步骤1-3、在系统初始状态M0状态下，把拥有托肯的库所及其数量信息传递到梯形图中；若则用一个PLC线圈来表示p；若则把托肯数量信息传递到对应的继电器中。3.根据权利要求1所述的车间制造系统中Petri网转换到PLC梯形图的方法，其特征在于，步骤2检测每个变迁的使能信息，并利用该使能信息判断冲突变迁的优先级具体为：步骤2-1、检查Petri网模型的关联矩阵[N](p,t)，t为Petri网模型中的变迁；确定系统中是否存在冲突问题，若系统中存在冲突问题，则转至步骤2-2，否则转至步骤2-3；所述冲突问题定义为：令TC为库所的输出变迁集合，n为非空集合TC中元素的数量，冲突问题K＝<pi,TC>存在，当且仅当TC中元素数量大于1，TC中变迁使能，并且其中，tCi为集合TC中第i个变迁，w(pi,tCi)为库所pi到其对应输出变迁的权值；步骤2-2、设置各个变迁的优先级，具体为：在PLC梯形图编程语言执...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄波，丁高瞻，张皓明，蔡志成，杨余旺，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32