李俊英,景　亮,趙不賄,孫　文,邢　倩

(江蘇大學電氣信息工程學院,鎮(zhèn)江科達環(huán)境系統(tǒng)工程有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

?

基于Petri網(wǎng)的食用菌工廠控制系統(tǒng)研究*

李俊英,景亮*,趙不賄,孫文,邢倩

(江蘇大學電氣信息工程學院,鎮(zhèn)江科達環(huán)境系統(tǒng)工程有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要:現(xiàn)代化食用菌工廠規(guī)模不斷擴大,PLC控制系統(tǒng)也日趨復雜,傳統(tǒng)的經(jīng)驗法設計PLC控制系統(tǒng)出錯率增加,檢錯不易。因此,對系統(tǒng)進行建模和分析具有非常重要的意義。利用Petri網(wǎng)的圖形性質(zhì)和對并發(fā)事件的建模能力,以食用菌工廠出菇房的PLC控制系統(tǒng)為對象,進行建模、分析,包括新風機,排風機,加濕器,內(nèi)風機,壓縮機,抑制機等關鍵設備的控制運行,從而直觀地構建PLC控制系統(tǒng)的模型并編制程序,保證系統(tǒng)可靠、高效地運行。

關鍵詞:食用菌工廠;Petri網(wǎng);PLC;建模

食用菌工廠化生產(chǎn)是最具現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)特征的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方式,其采用工業(yè)化技術手段,實現(xiàn)食用菌的規(guī)?；⒓s化、標準化和周年化生產(chǎn)[1]。食用菌工廠中對溫度、濕度、光照強度和CO2濃度等環(huán)境參數(shù)的控制直接影響到食用菌的產(chǎn)量與質(zhì)量。PLC以其優(yōu)越的性能,在控制系統(tǒng)中被廣泛地采用。

隨著食用菌工廠規(guī)模的擴大化和控制系統(tǒng)的復雜化,傳統(tǒng)的PLC程序設計方法已無法滿足協(xié)調(diào)控制,競爭控制等控制要求[2]。PLC的梯形圖不能用數(shù)學方法進行分析,不能直觀地反映出自動控制系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)控制、競爭控制和并行控制,因此可讀性差,難于升級和維護。當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,檢查和維修不方便。

Petri網(wǎng)是一種圖形化建模工具,它不但有直觀的圖形表示,而且支持數(shù)學分析,能精確、直觀地描述事件之間的順序、并發(fā)、同步、資源共享、沖突等關系。因此,本文借助Petri網(wǎng)對食用菌工廠出菇房的PLC控制系統(tǒng)進行建模,賦予庫所和變遷實際意義,實現(xiàn)對出菇房控制系統(tǒng)的準確描述,并根據(jù)模型設計出控制程序。

1　Petri網(wǎng)簡介

Petri網(wǎng)理論由德國科學家Petri C A博士于1962年提出。Petri網(wǎng)是一種圖形化的建模工具,它能較好地描述離散事件的動態(tài)過程,并能精確地描述事件間的順序、并發(fā)和沖突關系,其模擬能力與圖靈機等價[3]。經(jīng)過多年的發(fā)展,Petri網(wǎng)理論不斷地充實和完善,已經(jīng)廣泛應用在計算機、通訊、機械等許多領域。從圖形工具角度看,Petri網(wǎng)具有類似流程圖、框圖和網(wǎng)圖的可視性描述功能;從數(shù)學工具角度看,Petri網(wǎng)可建立狀態(tài)方程,代數(shù)方程和其他數(shù)學模型來描述系統(tǒng)的行為。

1.1基本概念

定義1三元組N=(P,T;F)稱為有向網(wǎng)(Directed Net,簡稱(Net))的充分必要條件是[4]:

(1)P∩T=?;

(2)P∪T≠?;

(3)F?P×T∪T×P(其中“×”為笛卡爾積);

(4)dom(F)∪cod(F)=P∪T,其中dom(F)={x|?y:(x,y)∈F};cod(F)={x|?x:(x,y)∈F}分別是F的定義域和值域。

定義2六元組∑=(P,T;F,K,W,M0)構成網(wǎng)系統(tǒng)的條件是:

(1)N=(P,T;F)構成有向網(wǎng),稱為∑的基網(wǎng)。

(2)K,W,M0依次為N上的容量函數(shù)、權函數(shù)和標識。M0稱為∑的初始標識(Initial Marking)。

1.2Petri網(wǎng)的圖形表示方法

圖1是一個Petri網(wǎng)的圖形表示,庫所和變遷分別用“○”和“”表示,二者通過有向弧“→”連接,表示資源流動的方向,“?”稱為“托肯”(token),表示資源的數(shù)量。

圖1　Petri網(wǎng)的圖形表示

2　Petri網(wǎng)在PLC控制系統(tǒng)中的應用

傳統(tǒng)的PLC設計方法有狀態(tài)表法、功能圖法等,可以用來解決順序、隨機等類型的問題,但不適用于具有協(xié)調(diào)、競爭等事件的控制系統(tǒng)[5]。Petri網(wǎng)可以從邏輯層次上對離散事件進行建模和仿真,在PLC控制系統(tǒng)中,其應用主要體現(xiàn)在如下幾個方面:

(1)庫所:描述開關、線圈等執(zhí)行元件狀態(tài),體現(xiàn)局部狀態(tài);變遷:描述系統(tǒng)狀態(tài)的改變,如開關的動作,傳感器檢測到信號等。

(2)對系統(tǒng)進行層次化、模塊化分析,分別建立子系統(tǒng)。

(3)在系統(tǒng)設計之前,解決資源競爭問題。例如,將運行的單元按照運行順序設計Petri網(wǎng),針對其中共用的資源設計資源庫所元素,資源占用情況,以解決競爭問題。

利用Petri網(wǎng)建立PLC控制程序模型不但可以充分描述程序的實際執(zhí)行過程,而且還可以在程序執(zhí)行前檢測執(zhí)行模型的活性、互斥性等性質(zhì),因而可以在程序執(zhí)行前預先判斷出程序潛在的部分邏輯錯誤,從而減少調(diào)試時間[6]。

一般來說,PLC程序設計可以實現(xiàn)順序控制、并行控制、同步控制、競爭控制等。用Petri網(wǎng)來描述以上各種控制,如圖2所示。

圖2　順序、并行、同步和競爭控制的Petri網(wǎng)模型

建立Petri網(wǎng)模型后,首先要對模型進行仿真和分析,在確定模型滿足可達性、活性等性質(zhì)的條件下,才能進一步根據(jù)Petri網(wǎng)設計PLC控制程序。托肯的流動反映了控制過程的狀態(tài)變化,在此前提下,控制程序的設計遵循先由上到下,再由左到右的原則。

以臺達PLC為例,圖2中順序、并行、同步、競爭控制的Petri網(wǎng)模型(變遷T0、T1與臺達PLC中的輔助繼電器或輸入繼電器相對應)所對應的控制程序如下:

(a)SETP1;STLP1;LDM0;SETP2;

(b)SETP1;STLP1;LDM0;SETP2;SETP3;

(c)SETP1;SETP2;STLP1;STLP2;LDM0;SETP3;

(d)SETP1;STLP1;LDM0;SETP2;LDM1;SETP3;

3　食用菌工廠出菇房PLC控制系統(tǒng)

3.1食用菌工廠化生產(chǎn)的原理

食用菌工廠化生產(chǎn)的基本原理是:利用工業(yè)上的一些先進設備和設施,如溫、光、氣、濕的調(diào)控裝置和空氣凈化等裝置,在相對封閉保溫的食用菌生產(chǎn)車間內(nèi),通過對食用菌生產(chǎn)車間的溫度、濕度、通風、光照等主要環(huán)境條件的調(diào)控,形成一種適合于食用菌生產(chǎn)的最佳環(huán)境條件,并逐步發(fā)展和完善食用菌生產(chǎn)機械化,從而形成一套完整的工業(yè)化、標準化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系,實現(xiàn)食用菌全天候工廠化周年生產(chǎn)[7]。PLC具有可靠性高、使用方便等優(yōu)點,在控制系統(tǒng)中被廣泛采用。圖3所示的出菇房PLC控制系統(tǒng)中,包括新風機,排風機,加濕器,內(nèi)風機,壓縮機,抑制機等關鍵設備。

圖3　出菇房關鍵設備示意圖

圖4　出菇房控制系統(tǒng)主要流程

3.2出菇房PLC控制系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型

由食用菌栽培技術可知,不同的食用菌對生長環(huán)境的要求是不一樣的,相同的食用菌在不同的生長階段對生長環(huán)境的要求也不相同[8]。系統(tǒng)可選擇夏季或冬季工作模式,通過控制出菇房各環(huán)境因子,實現(xiàn)出菇房的PLC控制系統(tǒng)研究與設計。

該出菇房系統(tǒng)受啟動開關控制,控制系統(tǒng)流程如圖4所示。推上啟動開關,并選擇工作模式,系統(tǒng)開始工作。

(1)系統(tǒng)啟動后,首先進行初始化,包括通信參數(shù)設置和控制量初始值設定。

(2)系統(tǒng)初始化完成后,通過傳感器采集出菇房內(nèi)的溫度、濕度和CO2濃度,若采集值異常,則發(fā)出相應傳感器的故障報警。

(3)出菇房超過最低和最高生長溫度的范圍,食用菌的生命活動就會受到抑制,甚至死亡。因此,在食用菌的生產(chǎn)過程中,通過對溫度的調(diào)節(jié),來促進食用菌的生長極其重要。夏季模式:系統(tǒng)將溫度采集值與設定值、上限值進行比較,若采集值大于上限值,啟動壓縮機和內(nèi)風機(與壓縮機同步定時啟停)進行制冷;若小于設定值,關閉制冷設備。內(nèi)風機可在低速和高速兩種模式間進行切換。冬季模式:系統(tǒng)將溫度采集值與設定值、上限值進行比較,若采集值小于設定值,啟動電加熱器;若大于上限值,關閉電加熱器。

(4)水分是食用菌細胞的重要組成成分。在出菇期間應保證培養(yǎng)基濕度在最佳范圍內(nèi),通常高達90RH%。系統(tǒng)將濕度采集值與設定值、上限值進行比較,若采集值大于上限值,關閉加濕器;若小于設定值,啟動加濕器(間隔加濕)。

(5)食用菌是好氧性菌類。食用菌通過呼吸作用吸收氧氣并排出二氧化碳。為了防止CO2積貯過多,在食用菌栽培過程中,需要適時適量的通風換氣。系統(tǒng)將CO2濃度采集值與設定值進行比較,若采集值大于上限值,則開啟新風機和排風機,將新風室內(nèi)的潔凈空氣引入出菇房,降低CO2濃度;若采集值小于設定值,則關閉新風機和排風機。

(6)為使食用菌達到均勻生長的目的,通常采用風抑制和光抑制兩種方法。本系統(tǒng)的抑制機由行程開關觸發(fā)換向,并配有抑制燈光,同時實現(xiàn)風、光抑制。此外,若抑制機出現(xiàn)故障,則系統(tǒng)會報警提示。綜上所述,主要控制流程如圖4所示。

根據(jù)上述控制功能和要求,出菇房PLC控制系統(tǒng)可以用Petri網(wǎng)來建模(不包括報警提示系統(tǒng)模型)。如圖5所示,該Petri網(wǎng)模型著重描述系統(tǒng)的主體控制過程,對模數(shù)轉(zhuǎn)換、通信參數(shù)的初始化等數(shù)據(jù)處理過程這里不作詳述;對控制量的初始化只進行形式化的表達。

圖5　食用菌工廠出菇房PLC控制系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型

下面列出圖5中Petri網(wǎng)模型各庫所和變遷的實際意義。

P1=系統(tǒng)處于停止狀態(tài),P2=完成初始化,P3=抑制機靜止,P4=采集實時數(shù)據(jù),P5=抑制機A方向運行,P6=邏輯運算比較溫度值,P7=開啟內(nèi)風機并定時30 s,P8=開啟壓縮機,P9=關閉壓縮機內(nèi)風機,P10=邏輯運算比較溫度值,P11=關閉電加熱器,P12=開啟電加熱器,P13,P14=邏輯運算比較濕度值,P15=關閉加濕器,P16=開啟加濕器,P17=邏輯運算比較CO2值,P18=開啟新、排風機,P19=關閉新、排風機,P20=抑制機B方向運行,P21=抑制機保持運行。T1=啟動開關動作,T2=設置初始出廠值,T3=抑制機啟動常開開關,T4=夏季模式開關動作,T5=溫度采集值大于上限值,T6=溫度采集值小于設定值,T7=定時30 s完成,T10=冬季模式開關動作,T11=溫度采集值大于上限值,T12=溫度采集值小于設定值,T15=濕度采集值大于上限值,T16=濕度采集值小于設定值,T19=CO2采集值大于上限值,T20=CO2采集值小于設定值,T8、T9、T13、T14、T17、T18、T21、T22=系統(tǒng)保持運行,T23=觸發(fā)行程開關A,T24=觸發(fā)行程開關B,T25=抑制機停止常閉開關。本文中,庫所內(nèi)部可進行子程序設計,以達到控制目的。

系統(tǒng)啟動,庫所P1的托肯經(jīng)過變遷T1到達庫所P2,系統(tǒng)進行初始化;初始化完成后,托肯進入P4,分別采集溫度、濕度、CO2實時數(shù)據(jù)。若T4觸發(fā),系統(tǒng)工作在夏季模式,P6獲得托肯,進行邏輯運算比較溫度值,若溫度采集值大于上限值,P6的托肯經(jīng)過T5進入P7,內(nèi)風機啟動并開始30 s定時,30 s后托肯進入P8,壓縮機開始運行。內(nèi)風機可在低速、高速之間切換;若小于設定值,托肯經(jīng)過T6進入P9,關閉內(nèi)風機、壓縮機。若T10觸發(fā),系統(tǒng)工作在冬季模式,P10獲得托肯,進行邏輯運算比較溫度值,若溫度采集值大于上限值,P10的托肯經(jīng)過T11進入P11,關閉電加熱器;若小于設定值,則開啟電加熱器。接著,托肯進入P13/P14,系統(tǒng)進行邏輯運算比較濕度值,若濕度采集值小于設定值,托肯經(jīng)過T16進入P16,加濕器運行;若大于上限值,則托肯經(jīng)過T15進入P15,關閉加濕器。然后,托肯進入P17,系統(tǒng)進行邏輯運算比較CO2值,若CO2采集值小于設定值,托肯經(jīng)過T20進入P19,關閉新、排風機;若大于上限值,則托肯經(jīng)過T19進入P18,開啟新、排風機。最后托肯進入P4,循環(huán)執(zhí)行。抑制機子模塊類似。

圖6　系統(tǒng)仿真圖

利用Petri網(wǎng)理論的可達樹法、關聯(lián)矩陣法等,可對PLC控制系統(tǒng)進行活性(系統(tǒng)無死鎖)、可達性分析,利用建模、性能分析工具對模型進行仿真和驗證,確定控制系統(tǒng)的正確性并發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷。本文使用Visual Object Net++工具對該Petri網(wǎng)模型進行分析和仿真。以庫所P4為參照點,仿真結果顯示P4中托肯值周期性為1,說明Petri網(wǎng)循環(huán)執(zhí)行,無死鎖,是活性的。

仿真結果表明,該Petri網(wǎng)模型是活性的,出菇房PLC控制系統(tǒng)設計方案具有可行性。

根據(jù)Petri網(wǎng)模型進一步設計控制程序。本系統(tǒng)選用臺達DVP系列PLC作為控制器,部分IO口地址分配如表1所示。

表1　部分IO口地址分配表

從Petri網(wǎng)模型中可以分析出庫所和變遷之間的因果關系以及資源分配的情況。由上述關系可以進一步設計出PLC控制程序。例如,CO2部分的控制程序如下:

SET P17

STLP17

ZCPD480D406D432M55

LDT20

SETP18

LDT19

SETP19

STLP18

RSTM24

LDM250

ANIM24

OUTY24

……

4　結語

本文利用Petri網(wǎng)對食用菌工廠的出菇房PLC控制系統(tǒng)進行建模和仿真分析。此方法不僅可以結構化、層次化設計系統(tǒng),還可以預先發(fā)現(xiàn)設計的邏輯錯誤以減少調(diào)試時間。該系統(tǒng)設計了包括溫度、濕度和CO2濃度的采集,以及新風機、排風機、加濕器、內(nèi)風機、壓縮機、抑制機等關鍵設備的控制運行,并最終以PLC控制程序的形式實現(xiàn)實際應用。

參考文獻:

[1]高君輝,馮志勇,唐利華.食用菌工廠化生產(chǎn)及環(huán)境控制技術[J].食用菌,2010(4):3-5.

[2]林惠標,焦志剛.基于Petri網(wǎng)的柔性裝配單元建模及PLC程序設計[J].裝備制造技術,2007(4):40-42.

[3]孟慶春,劉云卿.應用于PLC控制程序的Petri網(wǎng)執(zhí)行模型[J].計算機科學,2009(10):150-152,159.

[4]袁崇義.Petri網(wǎng)原理與應用[M].電子工業(yè)出版社,2005:3.

[5]劉斌友,李赟.Petri網(wǎng)在PLC控制系統(tǒng)程序設計中的應用[J].兵工自動化,2008(10):70-72.

[6]李占山.基于Petri網(wǎng)的PLC程序設計[J].河北理工學院學報,2002(2):55-58.

[7]彭鎮(zhèn),景亮,陸繼遠,等.基于OPC技術的食用菌工廠化生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代科學儀器,2013(3):13-17.

[8]于海龍,郭倩,楊娟,等.環(huán)境因子對食用菌生長發(fā)育影響的研究進展[J].上海農(nóng)業(yè)學報,2009,25(3):100-104.

李俊英(1988-),男,漢族,江蘇南京人,碩士,江蘇大學電氣信息工程學院,212013,主要從事電氣自動化方面的研究,lijunying0808@163.com;

景亮(1966-),男,漢族,江蘇鎮(zhèn)江人,副教授,碩士生導師,江蘇大學電氣信息工程學院,212013,主要從事物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)電氣化與自動化等方面的工作,jl517@126.com。

StudiesonEdibleFungusIndustryControlSystemBasedonPetriNets*

LIJunying,JINGLiang*,ZHAOBuhui,SUNWen,XINGQian

(School of Electrical Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Keda Environmental System Engineering Co.,LTD.,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

Abstract:The scale of modern edible fungus industry expands unceasingly,and the PLC(Programmable Logic Controller) control system becomes more and more complex,the error rate increases when design PLC control system with traditional experience method and the error detection is difficult.Therefore,it is very important to model and analyze the system.Based on Petri Net’s graphic properties and ability of modeling concurrent events,the PLC control system of mushroom houses is focuses on modeling and analyzing in edible fungus factory,including some key equipments,such as blower,exhaust fan,humidifier,inside fan,compressor,restrain machine and so on.Finally,PLC control programs can be built easily and the system guarantees to work reliably and efficiently.

Key words:edible fungus industry;Petri Net;PLC;model

doi:EEACC:7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.028

中圖分類號:TM46

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0927-05

收稿日期:2013-09-26修改日期:2013-11-13

項目來源:江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐項目(BE2011335,BE2010348)