焦志剛， 楊慧遠(yuǎn), 杜 寧

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116033)

基于Petri網(wǎng)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

焦志剛1， 楊慧遠(yuǎn)2, 杜 寧1

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116033)

我國(guó)中大口徑榴彈廣泛采用分步壓裝藥法，該方法裝藥效率高、質(zhì)量好、穩(wěn)定，但分步壓裝藥機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)以繼電器為控制主體，該機(jī)電系統(tǒng)存在控制過程不可靠、變品種變工藝適應(yīng)能力差、接線復(fù)雜和維修維護(hù)困難等問題。而PLC控制系統(tǒng)由于采用大規(guī)模集成電路和先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能完善、容易改造、維護(hù)方便、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，因而能很好地解決上述問題。但PLC梯形圖編程困難，且傳統(tǒng)的PLC編程方法無法滿足諸如協(xié)調(diào)控制、競(jìng)爭(zhēng)控制等復(fù)雜工業(yè)控制要求。針對(duì)以上問題提出了一種新型PLC梯形圖設(shè)計(jì)方法——Petri網(wǎng)法，詳細(xì)介紹了Petri網(wǎng)控制模型的建立方法以及Petri網(wǎng)模型與梯形圖的轉(zhuǎn)換關(guān)系，采用該編程方法完成了分步壓裝藥工藝流程的Petri網(wǎng)建模，并將該控制模型轉(zhuǎn)換為PLC控制程序。實(shí)際仿真測(cè)試表明，該控制系統(tǒng)能很好地滿足生產(chǎn)控制要求。

PLC； Petri網(wǎng); 控制； 建模； 可靠性； 仿真

0 引言

分步壓裝藥法是我國(guó)中大口徑榴彈廣泛采用的裝藥方法，具有裝藥質(zhì)量好、密度大、效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。但分步壓裝藥機(jī)的機(jī)電控制系統(tǒng)仍以繼電器邏輯控制為主，其可靠性、擴(kuò)展性以及柔性、變品種生產(chǎn)能力較差，且接線復(fù)雜、維修維護(hù)困難，難以滿足現(xiàn)代化的控制要求[2-3]。

可編程邏輯控制器(Programmable logic controller,PLC)作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，以其優(yōu)越的性能，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)控制的各領(lǐng)域[4]。PLC程序常用的設(shè)計(jì)方法有經(jīng)驗(yàn)法、狀態(tài)表法和功能圖法等。但隨著工業(yè)控制復(fù)雜性的增加，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已難以滿足諸如協(xié)調(diào)控制、競(jìng)爭(zhēng)控制等控制要求，且PLC梯形圖可讀性差、修改升級(jí)困難，不能用數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)估和分析[5]?；趲б种苹〉腜etri網(wǎng)法能很好地滿足以上控制要求。

1 Petri網(wǎng)模型的建立

1.1 Petri網(wǎng)模型的建立方法

Petri網(wǎng)由庫(kù)所(place，P)、變遷(transition，T)、有向線段(arc)構(gòu)成[6]。為建立控制系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型，需建立P、T與實(shí)際控制對(duì)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

將實(shí)際信號(hào)輸入/動(dòng)作輸出與庫(kù)所P相對(duì)應(yīng)。當(dāng)有控制信號(hào)輸入或變遷激發(fā)時(shí)，P得到標(biāo)志并輸出相應(yīng)的控制動(dòng)作；當(dāng)控制信號(hào)消失或與P相連的下一個(gè)T激發(fā)時(shí)，P失去標(biāo)志并終止相應(yīng)輸出[7]。

將控制條件(由事件輸入與上一級(jí)P輸入構(gòu)成)和T相對(duì)應(yīng)。當(dāng)滿足控制條件時(shí)，T立即激發(fā),并將標(biāo)志傳送到下一級(jí)P。

可編程邏輯控制器(programmable logic controcler,PLC)有順序、并行、同步三種基本控制模型，這三種控制模型的Petri網(wǎng)描述如圖1所示。其中，庫(kù)所P1、P4、P8、P9各含有一標(biāo)志，分別為系統(tǒng)的初始狀態(tài)；P2、P7、P11為實(shí)際控制信號(hào)；P3、P5、P6、P10為實(shí)際輸出；變遷T1～T3為實(shí)際控制條件。圖1(a)中，由于P1含有一標(biāo)志，系統(tǒng)運(yùn)行后，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，P2得到標(biāo)志，T1立即激發(fā)并將標(biāo)志傳送到P3，P3被激發(fā)后輸出實(shí)際動(dòng)作。圖1(b)中，當(dāng)P7得到標(biāo)志時(shí)，控制條件得到滿足，T2激發(fā)并由P4分別將標(biāo)志傳送到P5和P6；P4失去標(biāo)志后被抑制，P5、P6得到標(biāo)志后被激發(fā)。圖1(c)中，只有當(dāng)P8、P9和控制條件P11同時(shí)含有標(biāo)志時(shí)，T3才被激發(fā)，并將標(biāo)志傳送到P10。

圖1 Petri網(wǎng)模型圖

1.2 Petri網(wǎng)控制模型的梯形圖轉(zhuǎn)換

在Petri網(wǎng)中，托肯(token，T)在P中的分布情況構(gòu)成了Petri網(wǎng)的標(biāo)志，標(biāo)志的變化過程則反映了整個(gè)系統(tǒng)的控制過程[8]。為描述Petri網(wǎng)中標(biāo)志的變化規(guī)律，定義以下表達(dá)式：

式中：Ci(t) 和Ej(t)分別為與Ti(t)相對(duì)應(yīng)的控制條件和輸入事件。

根據(jù)Petri網(wǎng)標(biāo)志的運(yùn)行規(guī)則，描述變遷激發(fā)的表達(dá)式為：

(1)

式中：Ti為T輸入P的集合。

(2)

式中：Pi為P的輸入T的集合;Po為P輸出T的集合；

將式(1)與式(2)中的“·”和“+”分別與邏輯運(yùn)算中的“與”和“或”相對(duì)應(yīng)，則圖1中描述三種Petri模型的邏輯表達(dá)式分別如下。

①順序。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。

對(duì)上述邏輯表達(dá)式中的P、T分配相應(yīng)的PLC地址，并將其中的“與”、“或”邏輯連接關(guān)系分別與梯形圖中的串、并聯(lián)觸點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，便可將上述邏輯表達(dá)式轉(zhuǎn)化為梯形圖。變遷激發(fā)梯形圖如圖2所示。

圖2 變遷激發(fā)梯形圖

2 分步壓裝藥控制過程實(shí)現(xiàn)

2.1 工藝過程

分步壓裝藥工藝過程為： ①炸藥裝入漏斗→運(yùn)彈小車將彈體運(yùn)送到裝藥位置→大小閘門關(guān)閉→裝藥器下降，夾緊彈體→提升電機(jī)反轉(zhuǎn)，壓藥壓頭下降到位→主傳動(dòng)離合器閉合，壓藥工作頭上、下運(yùn)動(dòng)并旋轉(zhuǎn)，開始裝藥、壓藥；②壓藥工作頭向上運(yùn)動(dòng)→全給料開，攪拌器啟動(dòng)，沖頭旋轉(zhuǎn)，向彈底輸送炸藥→壓藥工作頭向下運(yùn)動(dòng)→沖頭停轉(zhuǎn)，壓藥工作頭帶動(dòng)螺桿沖頭對(duì)彈體內(nèi)炸藥施加壓力→螺桿沖頭與炸藥之間的相互作用力大于主油缸溢流閥設(shè)定值→液壓油溢出主油缸，沖頭逐漸退出彈體藥室；③沖頭上升到設(shè)定位置→主傳動(dòng)離合器斷開并停止壓藥→提升電機(jī)正轉(zhuǎn)，壓藥壓頭上升回到原位→裝藥器上升，松開彈體→大小閘門打開→運(yùn)彈小車退出抗爆間[9-10]。

2.2 Petri網(wǎng)建模

為建立分步壓裝藥的Petri網(wǎng)模型，須將開關(guān)輸入信號(hào)、傳感器信號(hào)及壓藥機(jī)的動(dòng)作輸出與Petri網(wǎng)的P相對(duì)應(yīng)，將控制條件及動(dòng)作輸入與Petri網(wǎng)的T相對(duì)應(yīng)，然后將P和T按照壓裝藥工藝流程用弧線順序連接，便可得到分步壓裝藥的Petri網(wǎng)模型，如圖3所示。

以循環(huán)壓裝藥過程T5～T9為例(如圖3虛線框所示)，當(dāng)壓頭下降到位(P35得到標(biāo)志)且充油閥打開后(P6得到標(biāo)志)，T5滿足控制條件立即激發(fā)并將標(biāo)志傳送至P7、P8、P9，從而開啟循環(huán)壓裝藥過程。壓藥離合器閉合后，壓藥工作頭在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下作上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)P9得到標(biāo)志后，工作頭向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)T6激發(fā)，P10、P11、P12得到標(biāo)志，全給料開、攪拌器啟動(dòng)、沖頭旋轉(zhuǎn)，向彈底輸送炸藥。T7激發(fā)后，P13得到標(biāo)志，壓藥工作頭向下運(yùn)動(dòng)，沖頭停轉(zhuǎn)、全給料關(guān)、攪拌器停轉(zhuǎn)，壓藥工作頭帶動(dòng)沖頭對(duì)彈體內(nèi)炸藥施加壓力。T8激發(fā)后，P9得到標(biāo)志并開始下一個(gè)壓藥循環(huán)。當(dāng)螺桿沖頭上升到位即炸藥裝滿時(shí)，P14得到標(biāo)志，T8被抑制，P13經(jīng)T9激發(fā)，將標(biāo)志傳送到P15，從而退出循環(huán)裝藥過程。

2.3 Petri網(wǎng)模型的PLC梯形圖轉(zhuǎn)換

根據(jù)Petri網(wǎng)模型與邏輯表達(dá)式的轉(zhuǎn)換規(guī)則，描述循環(huán)壓裝藥過程T5～T9的邏輯表達(dá)式如下：

圖4 循環(huán)壓裝藥PLC梯形圖

2.4 PLC控制梯形圖的仿真與調(diào)試

為驗(yàn)證分步壓裝藥PLC程序的運(yùn)行控制性能，使用S7-300 PLC仿真軟件S7-PLC-SIM1對(duì)該程序進(jìn)行仿真。測(cè)試結(jié)果表明，該控制程序完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

在工業(yè)自動(dòng)化過程中，隨著控制復(fù)雜性的提升，人們?cè)絹碓叫枰捎孟到y(tǒng)工程的方法來完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于Petri網(wǎng)的梯形圖設(shè)計(jì)方法是完成上述任務(wù)的有效工具[3]。該設(shè)計(jì)方法將PLC程序編譯流程化，降低了編程難度，提高了復(fù)雜工況下的編程效率和可靠性。經(jīng)仿真調(diào)試，利用該設(shè)計(jì)方法完成的分步壓裝藥控制程序完全滿足生產(chǎn)的控制要求。

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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

國(guó)家科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAK16B04)

焦志剛(1963—)，男，碩士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事彈箭現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與仿真、彈箭遠(yuǎn)程技術(shù)尾翼穩(wěn)定技術(shù)、彈藥終點(diǎn)效應(yīng)、自動(dòng)裝配技術(shù)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