基于Petri网的PLC控制系统设计研究

焦志刚， 杨慧远, 杜 宁

(1.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连 116033)

基于Petri网的PLC控制系统设计研究

焦志刚1， 杨慧远2, 杜 宁1

(1.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连 116033)

我国中大口径榴弹广泛采用分步压装药法，该方法装药效率高、质量好、稳定，但分步压装药机机电控制系统以继电器为控制主体，该机电系统存在控制过程不可靠、变品种变工艺适应能力差、接线复杂和维修维护困难等问题。而PLC控制系统由于采用大规模集成电路和先进的抗干扰技术，具有可靠性高、抗干扰能力强、功能完善、容易改造、维护方便、体积小、能耗低等优点，因而能很好地解决上述问题。但PLC梯形图编程困难，且传统的PLC编程方法无法满足诸如协调控制、竞争控制等复杂工业控制要求。针对以上问题提出了一种新型PLC梯形图设计方法——Petri网法，详细介绍了Petri网控制模型的建立方法以及Petri网模型与梯形图的转换关系，采用该编程方法完成了分步压装药工艺流程的Petri网建模，并将该控制模型转换为PLC控制程序。实际仿真测试表明，该控制系统能很好地满足生产控制要求。

PLC； Petri网; 控制； 建模； 可靠性； 仿真

0 引言

分步压装药法是我国中大口径榴弹广泛采用的装药方法，具有装药质量好、密度大、效率高、稳定性好等优点[1]。但分步压装药机的机电控制系统仍以继电器逻辑控制为主，其可靠性、扩展性以及柔性、变品种生产能力较差，且接线复杂、维修维护困难，难以满足现代化的控制要求[2-3]。

可编程逻辑控制器(Programmable logic controller,PLC)作为工业控制计算机，以其优越的性能，已广泛应用于生产控制的各领域[4]。PLC程序常用的设计方法有经验法、状态表法和功能图法等。但随着工业控制复杂性的增加，传统的设计方法已难以满足诸如协调控制、竞争控制等控制要求，且PLC梯形图可读性差、修改升级困难，不能用数学方法对其进行评估和分析[5]。基于带抑制弧的Petri网法能很好地满足以上控制要求。

1 Petri网模型的建立

1.1 Petri网模型的建立方法

Petri网由库所(place，P)、变迁(transition，T)、有向线段(arc)构成[6]。为建立控制系统的Petri网模型，需建立P、T与实际控制对象的对应关系。

将实际信号输入/动作输出与库所P相对应。当有控制信号输入或变迁激发时，P得到标志并输出相应的控制动作；当控制信号消失或与P相连的下一个T激发时，P失去标志并终止相应输出[7]。

将控制条件(由事件输入与上一级P输入构成)和T相对应。当满足控制条件时，T立即激发,并将标志传送到下一级P。

可编程逻辑控制器(programmable logic controcler,PLC)有顺序、并行、同步三种基本控制模型，这三种控制模型的Petri网描述如图1所示。其中，库所P1、P4、P8、P9各含有一标志，分别为系统的初始状态；P2、P7、P11为实际控制信号；P3、P5、P6、P10为实际输出；变迁T1～T3为实际控制条件。图1(a)中，由于P1含有一标志，系统运行后，当有信号输入时，P2得到标志，T1立即激发并将标志传送到P3，P3被激发后输出实际动作。图1(b)中，当P7得到标志时，控制条件得到满足，T2激发并由P4分别将标志传送到P5和P6；P4失去标志后被抑制，P5、P6得到标志后被激发。图1(c)中，只有当P8、P9和控制条件P11同时含有标志时，T3才被激发，并将标志传送到P10。

图1 Petri网模型图

1.2 Petri网控制模型的梯形图转换

在Petri网中，托肯(token，T)在P中的分布情况构成了Petri网的标志，标志的变化过程则反映了整个系统的控制过程[8]。为描述Petri网中标志的变化规律，定义以下表达式：

式中：Ci(t) 和Ej(t)分别为与Ti(t)相对应的控制条件和输入事件。

根据Petri网标志的运行规则，描述变迁激发的表达式为：

(1)

式中：Ti为T输入P的集合。

(2)

式中：Pi为P的输入T的集合;Po为P输出T的集合；

将式(1)与式(2)中的“·”和“+”分别与逻辑运算中的“与”和“或”相对应，则图1中描述三种Petri模型的逻辑表达式分别如下。

①顺序。P1=P1·T1、T1=P1·P2、P3=P3+T1。

②并行。P4=P3·T2、T2=P4·P7、P5=P5+T2

P6=P6+T2。

③同步。P8=P8·T3、P9=P9·T3、T3=P8·P9·P11、P10=P10+T3。

对上述逻辑表达式中的P、T分配相应的PLC地址，并将其中的“与”、“或”逻辑连接关系分别与梯形图中的串、并联触点相对应，便可将上述逻辑表达式转化为梯形图。变迁激发梯形图如图2所示。

图2 变迁激发梯形图

2 分步压装药控制过程实现

2.1 工艺过程

分步压装药工艺过程为： ①炸药装入漏斗→运弹小车将弹体运送到装药位置→大小闸门关闭→装药器下降，夹紧弹体→提升电机反转，压药压头下降到位→主传动离合器闭合，压药工作头上、下运动并旋转，开始装药、压药；②压药工作头向上运动→全给料开，搅拌器启动，冲头旋转，向弹底输送炸药→压药工作头向下运动→冲头停转，压药工作头带动螺杆冲头对弹体内炸药施加压力→螺杆冲头与炸药之间的相互作用力大于主油缸溢流阀设定值→液压油溢出主油缸，冲头逐渐退出弹体药室；③冲头上升到设定位置→主传动离合器断开并停止压药→提升电机正转，压药压头上升回到原位→装药器上升，松开弹体→大小闸门打开→运弹小车退出抗爆间[9-10]。

2.2 Petri网建模

为建立分步压装药的Petri网模型，须将开关输入信号、传感器信号及压药机的动作输出与Petri网的P相对应，将控制条件及动作输入与Petri网的T相对应，然后将P和T按照压装药工艺流程用弧线顺序连接，便可得到分步压装药的Petri网模型，如图3所示。

以循环压装药过程T5～T9为例(如图3虚线框所示)，当压头下降到位(P35得到标志)且充油阀打开后(P6得到标志)，T5满足控制条件立即激发并将标志传送至P7、P8、P9，从而开启循环压装药过程。压药离合器闭合后，压药工作头在曲柄滑块机构带动下作上、下往复运动。当P9得到标志后，工作头向上运动，经T6激发，P10、P11、P12得到标志，全给料开、搅拌器启动、冲头旋转，向弹底输送炸药。T7激发后，P13得到标志，压药工作头向下运动，冲头停转、全给料关、搅拌器停转，压药工作头带动冲头对弹体内炸药施加压力。T8激发后，P9得到标志并开始下一个压药循环。当螺杆冲头上升到位即炸药装满时，P14得到标志，T8被抑制，P13经T9激发，将标志传送到P15，从而退出循环装药过程。

2.3 Petri网模型的PLC梯形图转换

根据Petri网模型与逻辑表达式的转换规则，描述循环压装药过程T5～T9的逻辑表达式如下：

图4 循环压装药PLC梯形图

2.4 PLC控制梯形图的仿真与调试

为验证分步压装药PLC程序的运行控制性能，使用S7-300 PLC仿真软件S7-PLC-SIM1对该程序进行仿真。测试结果表明，该控制程序完全满足设计要求。

3 结束语

在工业自动化过程中，随着控制复杂性的提升，人们越来越需要采用系统工程的方法来完成控制系统的设计，基于Petri网的梯形图设计方法是完成上述任务的有效工具[3]。该设计方法将PLC程序编译流程化，降低了编程难度，提高了复杂工况下的编程效率和可靠性。经仿真调试，利用该设计方法完成的分步压装药控制程序完全满足生产的控制要求。

[1] 张恒志，王天宏.火炸药应用技术[M].北京：北京理工大学出版社，2010：121-122.

[2] 张方宇.我国弹药生产技术和装备技术现状及其发展对策初探[J].兵工自动化，2008，27(4)：1-7.

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[11]林惠标.机构合件柔性装配系统的Petri网建模及其控制系统设计[J].测控技术，2011，40(4)：73-75.

Design and Research on PLC Control System Based on Petri Net

JIAO Zhigang1, YANG Huiyuan2, DU Ning1

(1. School of Equipment Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110159, China；2. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology , Dalian 116033, China)

In China, for middle and large sized grenades, the widely used detonator loading method is the procedure press-charge detonator method. This method features high efficiency, good quality, and stable; but the electromechanical control system of existing procedure press-charge detonator machine is mainly using relays, so it is not reliable and poor in adaptability for variable species and technological processes, as well as complex wiring and difficult maintenance. The PLC control system, due to using the large scale integrated circuits and advanced anti-interference technology, is highly reliable and provides advantages of anti-interference capability, comprehensive functions, easy to reconstruct and maintain, compact, low power consumption, etc., so it can well solve the problems above. Anyhow, the programming for ladder diagram of PLC is difficult, and the traditional PLC programming method cannot meet the requirements for some of the complex industrial controls, such as coordinated control and competition control. Aiming at these problems, a new design method of PLC ladder diagram is put forward, i.e., the Petri net method. The building method of Petri net control model and the conversion relationship between Petri net model and ladder diagram are introduced in detail, and the Petri net modeling for procedure press-charge detonator technology is achieved by using this programming method; and this control model is converted into PLC control program. The practical simulation tests show that the control system can well meet the control requirements of production control.

PLC; Petri net; Control; Modeling； Reliability; Simulation

国家科技计划资助项目(2015BAK16B04)

焦志刚(1963—)，男，硕士，教授，硕士研究生导师，主要从事弹箭现代设计方法与仿真、弹箭远程技术尾翼稳定技术、弹药终点效应、自动装配技术等方向的研究。E-mail: f1912356@163.com。

TH86;TP271+.4

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702005

修改稿收到日期:2016-07-19