基于Petri网的PLC程序设计

1、文章编号:100722829(2002s020095205基于Petri 网的P LC 程序设计李占山,侯国强,都会敏(河北理工学院自动化系,河北唐山063009关键词:Petri 网;P LC ;程序设计摘要:随着生产过程复杂性的增加,对系统的控制也更加复杂。传统的P LC 程序设计方法,已不适用于诸如协调、竞争等控制的设计。需要寻求新的程序设计方法来满足复杂的控制要求。本文介绍了基于Petri 网的P LC 程序设计。中图分类号:TP 31111文献标识码:A0引言可编性程序控制器(P LC 以其优越的性能,已广泛应用在生产及生活的各个领域。在P LC 的程序设计中,对不太复杂的控制,可使

2、用状态表法、功能图法等,有时甚至根据经验。但随着生产过程复杂性的增加,对系统的控制也更加复杂。例如:一个柔性制造系统(E MS ,它有许多组成要素机床,机器人,自动导引小车,传送带等。每个独立的要素除有自己的工作程序外,有的要素间还要协调动作和具有竞争性(例如两台机床要求同一辆小车服务。传统的P LC 程序设计方法,已难以满足诸如协调控制,竞争控制等控制要求。并且,P LC 的梯级图不能用数学方法进行分析和计算,对其性能难已评价。从复杂的梯级图中不容易了解控制目的,当控制出现问题时,检查和维修不方便,梯级图的可读性差。因此需要寻求新的程序设计方法来满足日益复杂的控制要求。在计算机等领域中已广泛

3、应用Petri 网方法,为P LC 的程序设计提供了良好的前景。1Petri 网简介Petri 网的概念是在1962年由德国科学家Carl Adam Petri 博士提出,经过多年的研究,Petri 网理论不断地充实和完善,已经广泛应用在计算机、通讯、机械等许多领域。作为图形工具,Petri 网具有类似流程图、框图和网图的可视性描述功能,并且可通过标记(token 的流动模拟系统的动态和活动行为。作为数学工具,Petri 网可建立状态方程,代数方程和其它数学模型来描述系统的行为。理论工作者和实践者可利用Petri 网进行交流。Petri 网可定义如下:收稿日期:2002223210作者简介:李

4、占山(19502,男,河北滦县人,河北理工学院自动化系副教授。第24卷第2期河北理工学院学报Vol 124No 122002年5月Journal of H ebei I nstitute of T echnology May.2002PN =(P ,T ,I ,O ,M 0(1P =P 1,P 2,P m 是一组有限的位置(place ,可用以描述系统的局部状态(条件或状况。例如:按钮、开关、传感器等。在图中用圆圈来表示。(2T =t 1,t 2,t n 是一组有限的变迁(transition ,可用以描述系统状态的改变。例如:计算机的信息处理,按钮的动作引起的执行元件状态的改变等。P T (

5、网非空,P T =(二元性(3I :(P ×T |N 是输入函数,表示从位置到变迁的弧。为一组正整数。(4O :(P ×T |N 是输出函数,表示从变迁到位置的弧。为正整数。(5M 0:P |N 是初始标记(token ,包含在位置中。标记表现在位置中,条件为真,否则为假。在计算机系统中可表示处理的信息单元,资源单元等。Petri 网的实施规则(firing rule (1在变迁的所有输入位置至少包含一个标记,那么这个变迁可实施,称为可实施变迁。(2可实施变迁实施后,在变迁的输出位置各增加一个标记,在变迁的各输入位置都清除一个标记。例如,一个Petri 网如图1所示,初始标

6、记(用小圆点表示在位置P 1中,变迁t 1(用一个长方形表示,但为节省空间,仅用一段黑线表示可实施。t 1实施后,P 1的标记被消除,位置P 2和P 3各增加一个标记,如图2所示。此后变迁t 2和t 3可实施。如果标记是某种物资,通过Petri 网的实施,可清楚看出物资的流动情况,因此Petri 网是动态图形描述工具。利用可达树法,关联矩阵法,可对Petri 网模型进行分析,从而确定程序的合理性及发现潜在的缺陷。2Petri 网模型的建立图1图2图369河北理工学院学报第24卷为实现对某一系统的控制,以及把控制要求转化为计算机或可编程序控制器的可执行程序,首先应对控制系统建模。所建模型必须准确

7、反映控制系统的控制要求,从而通过对模型的模拟运行可得出模型的性能指标。模型应有良好的可读性,以便使设计者、拥有者和用户之间进行关于系统行为的深入对话。Petri 网可满足上述建模要求。利用Petri 网建模时,用位置表示状态,用变迁作为状态改变的条件,用弧来连接位置和变迁。对于一个具体的控制系统,如何确定位置和变迁以及它们之间又如何联接,也即如何建立符合控制要求的Petri 网呢?这就是要求设计者应做下面工作。(1对控制系统中各个工作单元的工作情况,单元之间的联系和逻辑关系等进行充分、细致的了解和研究,从而确定出能实现控制要求的位置和变迁以及它们的因果关系。把开关、传感器,机器和接触器等看成位

8、置。找全变迁实施的条件。在位置中标明初始标记。(2把位置和变迁按着因果关系用弧相连接,形成Petri 网或称为Petri 网控制器。在Petri 网中,对独立的要素,例如机器人、传送带、自动导引小车等有自己工作程序的要素,可建立子网。如果它们是顺序工作的,按传统的P LC 的程序设计方法就可设计出。对于资源共享而出现竞争时,就要进行竞争控制的设计。竞争控制是指两个或两个以上的要素共同使用一种资源,而这种资源在一个时间只能为一个要素服务。当两个要素同时要求服务时,就产生了竞争,为了避免由竞争造成的故障,必须加以控制。在Petri 网中解决竞争问题是对共用资源设置一个资源位置元素,来表明资源是否被

9、占用,作为变迁实施的条件。图3描述两个机械手R 1和R 2为两个机器服务,共用一个零件库的Petri 网。P 1P 2P 3t 1t 2t 3描述了机械手取零件的活动。P 4P 5P 6t 4t 5t 6描述了机械手R 2取零件的活动。零件库在一个时间只允许一个机械手进入,为了避免碰撞设置了位置元素P 7。据Petri 网的实施规则,当t 2可实施时,即R 1进入零件库,P 7的标记被清除,此时t 5不能实施,也即不允许R 2进入零件库。只有R 2从零件库出来,t 3实施后把标记返回P 7,t 5才可实施。为了详细说明Petri 网的建立过程,举例如下:某一柔性制是带单元,有3台机器(M 1,

10、M 2,M 3和一台机械手R ,同时加工两种零件。两种零件分别存放在两个输入零件库(I 1,I 2,加工完的零件分别放入两个输出零件库(O 1,O 2。为了节省零件加载和卸载的时间,每台机器设有输入输出缓冲区(I ij ,O ij 。零件加工要求如下:零件1:I 1M 1M 2O 1零件2:I 2M 1M 3O 2零件的取放全由机械手R 来完成。通过对零件加工过程的分析,零件的详细流动过程如下:零件1:I 1R 1I 11M 11O 11R 1I 21M 21O 21R 1O 1零件2:I 2R 2I 12M 12O 12R 2I 32M 32O 32R 2O 2位置元素的设置:输入输出零件库

11、,机械手,机器和缓冲都是零件活动的组成部分,它们状态的改变影79增刊李占山,等:基于Petri 网的P LC 程序设计响着零件的流动,都要设置位置元素。而且从零件的流动过程看,它们都是顺序工作的。因此可把它们设置为两个顺序工作的子网。机械手R 既要存取零件,又要为三台机器服务,是一个共享资源。在一个时间,它只能为一个机器服务,因此机器会对机器手的使用出现竞争。机器M 1既要加工零件1,又要加工零件2。两个零件同时要求加工时,也出现了竞争。机器M 1的缓冲区也有为零件1或零件2服务的问题有竞争。根据解决竞争的方法,要设竞争元素。综合上面的考虑就可确定出位置元素。把引起位置改变的变迁的条件综合起来

12、,按变迁和位置的因果关系用弧连接起来,组成的Petri 网如图(d 所示 。I 1,I 2:输入零件库,O 1,O 2:输出零件库R j :机械手,I ij :机械O ij :输出缓冲区,M ij :机器P 1:机器手R 的竞争标志P 2:机器M 1的输入缓冲区竞争标志P 3:机器M 1的竞争标志P 4:机器M 1的输出缓冲区竞争标志下标i 表示同类位置元素的第几个下标j 表示位置元素被第几个零件占用图4零件加工Petri 网图中的t i 表示变迁。根据情况变迁有两种。一种为瞬时变迁,可瞬时实施。另一种为时间变迁,它的实施需经一定的时间。例如t 4的实施应在机器M 1经一段时间加工零件完毕后。

13、在程序设计中应做不同的处理。3利用Petri 网设计P LC 程序根据零件的加工要求,已建立起了Petri 网。从Petri 网中很容易看出零件的流动过程、变迁与位置的因果关系以及资源共享等情况。因此Petri 网可读性好。但为了用P LC 实现这种控制,必须把Petri 网转变成P LC 的可执行程序。因此我们先把Petri 网转换为P LC 的梯级图,再从梯级图写出程序。311对Petri 网中的位置元素进行地址分配在P LC 的梯级图中是用输入、输出继电器,辅助继电器等构成,它们都有自己的相应地址。用这些地址才能写出P LC 程序。机械手、机器、竞争标志位置元素,用辅助继电器表示。而输入

14、、输出缓冲区位置元素表示零件到达的位置,作为传感器信号,分配输入地址。用CY S M AC -P5R30F P LC ,地址分配见表1:89河北理工学院学报第24卷表1输入、输出地址分配表R 1074M 32082I 1000I 12008M 1075R 2083I 2001O 12009R 1076P 1084O 1002I 32010M 21077P 2085O 2003O 32011R 1078P 3086I 11004R 2079P 14087O 11005M 12080I 21006R 2081O 21007312列逻辑方程每个位置元素状态的改变,只有满足一定的条件才能实现。例如:机

15、械手位置元素R 1状态的改变应满足:输入零件库I 1有零件,机械手没有被占用,或是机械手已有零件,缓冲区I 11没有被占用。把每个位置元素的条件及它们的逻辑关系找清楚,就可写出逻辑表达式,由逻辑表达式就可得到P LC 的梯级图。位置元素的逻辑方程如下:R 1=(I 1P 1+R 1I 11M 11=(I 11P 3+M 11O 11R 1=(O 11P 1+R 1I 21M 21=(I 21+M 21O 21R 1=(O 21P 1+R 1O 1M 12=(I 12P 3+M 12O 12R 2=(I 2P 1+R 2I 12M 32=(I 32+M 32O 32R 2=(O 12P 1+R

16、2I 32R 2=(O 32P 1+R 2O 2P 1=(I 11+I 12+I 21+I 32+O 1+O 2+P 1R 1+R 1+R 1+R 2+R 2+R 2P 2=(M 11+M 12+P 2(I 11+I 12P 3=(O 11+O 12+P 3(M 11+M 12P 4=(R 1+R 2+P 4(O 11+O 12313由逻辑方程画出P LC 的梯级图和写出程序在P LC 的程序设计中,使用了辅助继电器并已得到了它的逻辑方程。但辅助继电器不能直接去控制执行元件,它还要与其它信号进行综合才能控制执行元件。例如:机器M 1对零件加工的逻辑关系已得出,但还应知道加工零件的时间等。这些由加工要求确定。4结束语在工业自动化中,程序控制器的设计方法起着非常重要的作