Petri网理论在PLC程序设计中的应用研究

1Petri网理论在PLC程序设计中的应用研究王泳1,王广2,刘东晓3(1平顶山师专物理系，河南平项山，467000；2平项山工学院电气与电子工程系、河南平项山，467001；3平项山工业职业技术学院机电工程系，河南平项山，467001)[摘要]：Petri网是一种解决并发、离散系统的数学建模方法，Petri网可以对PLC程序中具有竞争、协调的并发系统进行描述、分析、建模，并利用Petri网直接设计PLC程序。[关键词]:Petri网、PLC、竞争、控制lPetri网理论Petri网理论是由德国科学家Carl．Adam．Petri博士于1962年提出的一种解决并发、离散系统的建模方法，后来称之为Petri网模型[1]。目前已广泛应用于机械、通信、计算机、模糊控制等各种领域。Petri网作为一种图形化和数学化的建模工具，能够提供一个集成的建模、分析和控制环境，为系统的设计提供便利。Petri网是一种特殊的含有位置和转换的有向图，它包括两类节点：位置(Place)，用一个圆圈表示；转移(Transition)，用一短直线表示。Petri网可表示为：PN={P，T，F，K，W，M0}其中：P={P1，P2，…，Pm}是有限的位置集合；T={t1，t2，…，tn}是有限的转移集合；F=(P×T)(T×P)，是弧的集合；K：P→N+{ω}，是位置容量函数；K(P)=ω表示P的容量为无穷，N+={l，2，…}W：F→N+，弧上权，Mo：P→N，初始标志，要求：PT=ф，PT≠ф，(P，T，F)称为PN的基网，记为N。[2]图1Petri网模型Petri网模型见图1。2Petri网控制器的设计利用PLC实时模拟Petri网运行，即可实现Petri网控制。其设计步骤如下：(1)、首先将各个独立运行的子系统(例如机床、机器人、自动导向车、传送带等)按照规定的工作顺序，采用状态图或功能图设计出基本Petri网。(2)、根据设计要求，对并行单元进行协调设计。(3)、根据设计要求，对含有竞争的Petri网进行竞争设计。PLC实际控制系统中，主要存在三种类型的功能元件：执行元件、主令元件、控制器。Petri网用于构成主令元件与执行元件之间的逻辑关系，执行元件和外来动作控制必然使主令元件发出信号，表示执行元件的任务已经完成。PLC根据Petri网运行，实时接受传感器信号作为主令信号并按照Petri网确定的关系，决定执行元件是否动作，从而达到Petri网作为控制器的目的。2.1竞争控制的Petri网设计竞争控制是指两个以上的动作共同使用一种资源，而这种资源一次仅能为一个动作服务，当两个以上的动作同时要求服务就产生了竞争。竞争控制方法主要是先将独立运行的单元按照运行的顺序，设计出Petri网，然后针对各个独立运行单元中共用的资源设计一个资源位置元素，表示该资源是否已被占用，以此解决竞争问题。竞争程序的设计主要有两种类型，一种是并发型，即谁先到就选择谁；另一种是循环t1P1P2P3P4t3P5t22型。Petri网在设计时，将其竞争标志位置用辅助继电器代表，对于并发类型仅需要一个辅助继电器表示，其进入条件是各个竞争顺序进程的退出条件进行逻辑加(相或)，退出条件是各个进程的进入条件进行逻辑乘(相与)；对于循环类型是按照一定的顺序处理竞争。对于竞争系统，有几个竞争过程就需要几个竞争标志，每个标志用一个辅助继电器表示，进入条件为上一个进程的退出条件，退出条件为下一个进程的进入条件。2.2竞争控制的Petri网实例设计下面以柔性制造单元(FMS)的系统控制为例，介绍竞争控制的Petri网设计。[3]某一柔性制造单元，同时加工两种零件。单元中有三台机器(M2、M3、M4)，一个机械手(M1)，输入零件仓库(I1,I2)，输出零件仓库(O1、O2)。每个机器均有输入、输出缓冲区(Si，Si')，其加工顺序如下：零件1按照M1、M2、M1、M3、M1、的过程加工；零件2按照M1、M2、M1、M4、M1的过程加工。（1）Petri网设计该柔性制造单元有两个加工顺序：加工零件1和加工零件2。其物流过程如下：零件1：I1、S2、M2、S'2、M1`、S3、M3、S'3、M1，O1零件2：I2、S2、M2、S'2、M1、S4、M4、S'4、M1、O1以上述顺序中的符号作为Petri网的位置元素绘制Petri网，由于S2、M2、S'2、M1存在竞争关系，因此分别在其脚注上加注1、2，表示是零件1、零件2占用。在Petri网中每两个位置元素之间存在一个转移，并对共用位置元件设置标志位置：P1是机械手标志、P2是S2标志、P3是M2标志、P4是S'2标志。其Petri网控制器如图2。图2柔性制造系统Petri网在上图中共有三类位置元素：M类，即以M为标志的位置，它表示机器要执行的程序类型，如果为逻辑1，则执行相应的程序；S类，即以S为标志的位置元素，它表示零件所到达的位置，可以作为传感器信号使用；P类，作为竞争标志使用。图中M11、M'11、M11、M12、M'12、M''12等为M1执行的六种程序。（2）逻辑方程式M11：M11=(I1·P1+M11)S21M21：M21=(S21·P3+M21)S'21M'11：M'11=(S'21·P1+M'11)S31M'31：M'31=(S31+M'31)S'31M'11：M'11=(S'31·P1+M'11)O1M12：M12=(I2·P1+M12)S22M22：M22=(S22·P3+M22)S'22M'12：M'12=(S'22·P1+M'12)S42M42：M42=(S42+M42)S'4M12：M12=(S'4·P1+M12)O2NNI2M12S22M12M22S22M12S'22M22S22M12M'12S'22M22S22M12S42M'12S'22M22S22M12M42S42M'12S'22M22S22M12S'42M42S42M'12S'22M22S22M12M''12S'42M42S42M'12S'22M22S22M12O2M''12S'42M42S42M'12S'22M22S22M12I1I2M11M12S21S22M12M21M22S22M12S'21S'22M22S22M12M'11M'12S'22M22S22M12S31S42M'12S'22M22S22M12M31M42S42M'12S'22M22S22M12S'32S'42M42S42M'12S'22M22S22M12M''11M''12S'42M42S42M'12S'22M22S22M12O1O2M''12S'42M42S42M'12S'22M22S22M12P1M12P2M12P3M12P4M12P1M12P1M123P1：P1=(S21+S22+S31+S42+O1+O2+P1)(I1+I2+S'21+S'22+S'31+S'42)P2：P2=(M21+M22+P2)(S21+S22)P3：P3=(S'21+S'22+P32)(M21+M22)P4：P4=(M'11+M'12+P4)(S'21+S'22)（3）I/O接口每一个P、M元素采用一个辅助继电器表示，每一个S元素分配一个输入地址。采用SIMATICS7-200PLC[4]，具体地址分配如下；M11：M1.1M'11：M1.2M11：M1.3M12：M1.4M'12：Ml.5M12：M1.6M21：M2.1M22：M2.2M31：M2.3M41：M2.4P1：M3.1P2：M3.2P3：M3.3P4：M3.4I1：I1.1I2：I1.2O1：I1.3O2：I1.4S21：I2.1S'21：I2.2S31：I2.3S'31：I2.4S22：I2.5S'22：I2.6S42：I3.1S'42：I3.2根据逻辑方程式和输入、输出接口可以设计梯形图程序，由于篇幅限制在此略去。3结语Petri网是解决并行系统程序设计的一种有效工具。采用Petri网设计方法可以很好的解决具有协调、竞争关系的控制系统设计。由于Petri网具有图形性质，能够清晰的描述系统的功能，提供分析模型，构造系统模型，通过Petri网直接设计出PLC程序。随着Petri网理论的不断完善，利用Petri网实现PLC程序设计，成为PLC用于复杂控制系统的一种新的设计思路和途径。参考文献[1]董梅鹰.Petri网在PLC系统中的应用研究，兰州铁道学院学报．1998(4)：84~88[2]崔亚军．可编程控制器原理及程序设计．北京：电子工业出版社1993：165~184[3]吕景泉．可编程控制器技术教程．北京．高等教育出版社2001:50~54ApplicationofPetriNetintheProgramDesignofPLCWangYong1WangGuang2LiuDongxiao3(1.PhysicsDepartmentofPingdingshanTeachersCollege,Pingdingshan，Henan467000，China;2.Electric&ElectronicEngineeringDepartmentofPingdingshanIndustryCollege,Pingdingshan，Henan467001，China;3.Mechanical&ElectricEngineeringDepartmentofPingdingshanIndustrialCollegeofTechnology,Pingdingshan，Henan467001，China)Abstract：MathematicsthatPetrinetisakindofsolutiontoerupt,thedispersesystemsetupthemoldmethod，PetrinetcantoPLCprocedurehavethecompetition,moderateoferuptthesystemtoproceedtodescribe,analysis，setupthemold，andmakeuseofthedirectdesignPLCofPetrinettheprocedure．Keyword：PetriNet，PLC，competition，control[作者简介]1、王泳(1971)，男，河南安阳人，平顶山师专物理系讲师。2、王广(1955)，男，河南平顶山人，平顶山工学院电气与电子工程系高级工程师。联系电话：[e-mail]3、刘东晓(1965)，男，河南平顶山人，平顶山工业职业技术学院机电工程系助教。联系电话：135921589464