李俊英,景　亮,赵不贿,孙　文,邢　倩

(江苏大学电气信息工程学院,镇江科达环境系统工程有限公司,江苏 镇江 212013)



基于Petri网的食用菌工厂控制系统研究*

李俊英,景亮*,赵不贿,孙文,邢倩

(江苏大学电气信息工程学院,镇江科达环境系统工程有限公司,江苏 镇江 212013)

摘要:现代化食用菌工厂规模不断扩大,PLC控制系统也日趋复杂,传统的经验法设计PLC控制系统出错率增加,检错不易。因此,对系统进行建模和分析具有非常重要的意义。利用Petri网的图形性质和对并发事件的建模能力,以食用菌工厂出菇房的PLC控制系统为对象,进行建模、分析,包括新风机,排风机,加湿器,内风机,压缩机,抑制机等关键设备的控制运行,从而直观地构建PLC控制系统的模型并编制程序,保证系统可靠、高效地运行。

关键词:食用菌工厂;Petri网;PLC;建模

食用菌工厂化生产是最具现代化农业特征的产业化生产方式,其采用工业化技术手段,实现食用菌的规模化、集约化、标准化和周年化生产[1]。食用菌工厂中对温度、湿度、光照强度和CO2浓度等环境参数的控制直接影响到食用菌的产量与质量。PLC以其优越的性能,在控制系统中被广泛地采用。

随着食用菌工厂规模的扩大化和控制系统的复杂化,传统的PLC程序设计方法已无法满足协调控制,竞争控制等控制要求[2]。PLC的梯形图不能用数学方法进行分析,不能直观地反映出自动控制系统中的协调控制、竞争控制和并行控制,因此可读性差,难于升级和维护。当系统出现问题时,检查和维修不方便。

Petri网是一种图形化建模工具,它不但有直观的图形表示,而且支持数学分析,能精确、直观地描述事件之间的顺序、并发、同步、资源共享、冲突等关系。因此,本文借助Petri网对食用菌工厂出菇房的PLC控制系统进行建模,赋予库所和变迁实际意义,实现对出菇房控制系统的准确描述,并根据模型设计出控制程序。

1　Petri网简介

Petri网理论由德国科学家Petri C A博士于1962年提出。Petri网是一种图形化的建模工具,它能较好地描述离散事件的动态过程,并能精确地描述事件间的顺序、并发和冲突关系,其模拟能力与图灵机等价[3]。经过多年的发展,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。从图形工具角度看,Petri网具有类似流程图、框图和网图的可视性描述功能;从数学工具角度看,Petri网可建立状态方程,代数方程和其他数学模型来描述系统的行为。

1.1基本概念

定义1三元组N=(P,T;F)称为有向网(Directed Net,简称(Net))的充分必要条件是[4]:

(1)P∩T=∅;

(2)P∪T≠∅;

(3)F⊆P×T∪T×P(其中“×”为笛卡尔积);

(4)dom(F)∪cod(F)=P∪T,其中dom(F)={x|∃y:(x,y)∈F};cod(F)={x|∃x:(x,y)∈F}分别是F的定义域和值域。

定义2六元组∑=(P,T;F,K,W,M0)构成网系统的条件是:

(1)N=(P,T;F)构成有向网,称为∑的基网。

(2)K,W,M0依次为N上的容量函数、权函数和标识。M0称为∑的初始标识(Initial Marking)。

1.2Petri网的图形表示方法

图1是一个Petri网的图形表示,库所和变迁分别用“○”和“”表示,二者通过有向弧“→”连接,表示资源流动的方向,“•”称为“托肯”(token),表示资源的数量。

图1　Petri网的图形表示

2　Petri网在PLC控制系统中的应用

传统的PLC设计方法有状态表法、功能图法等,可以用来解决顺序、随机等类型的问题,但不适用于具有协调、竞争等事件的控制系统[5]。Petri网可以从逻辑层次上对离散事件进行建模和仿真,在PLC控制系统中,其应用主要体现在如下几个方面:

(1)库所:描述开关、线圈等执行元件状态,体现局部状态;变迁:描述系统状态的改变,如开关的动作,传感器检测到信号等。

(2)对系统进行层次化、模块化分析,分别建立子系统。

(3)在系统设计之前,解决资源竞争问题。例如,将运行的单元按照运行顺序设计Petri网,针对其中共用的资源设计资源库所元素,资源占用情况,以解决竞争问题。

利用Petri网建立PLC控制程序模型不但可以充分描述程序的实际执行过程,而且还可以在程序执行前检测执行模型的活性、互斥性等性质,因而可以在程序执行前预先判断出程序潜在的部分逻辑错误,从而减少调试时间[6]。

一般来说,PLC程序设计可以实现顺序控制、并行控制、同步控制、竞争控制等。用Petri网来描述以上各种控制,如图2所示。

图2　顺序、并行、同步和竞争控制的Petri网模型

建立Petri网模型后,首先要对模型进行仿真和分析,在确定模型满足可达性、活性等性质的条件下,才能进一步根据Petri网设计PLC控制程序。托肯的流动反映了控制过程的状态变化,在此前提下,控制程序的设计遵循先由上到下,再由左到右的原则。

以台达PLC为例,图2中顺序、并行、同步、竞争控制的Petri网模型(变迁T0、T1与台达PLC中的辅助继电器或输入继电器相对应)所对应的控制程序如下:

(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　食用菌工厂出菇房PLC控制系统

3.1食用菌工厂化生产的原理

食用菌工厂化生产的基本原理是:利用工业上的一些先进设备和设施,如温、光、气、湿的调控装置和空气净化等装置,在相对封闭保温的食用菌生产车间内,通过对食用菌生产车间的温度、湿度、通风、光照等主要环境条件的调控,形成一种适合于食用菌生产的最佳环境条件,并逐步发展和完善食用菌生产机械化,从而形成一套完整的工业化、标准化现代农业生产管理体系,实现食用菌全天候工厂化周年生产[7]。PLC具有可靠性高、使用方便等优点,在控制系统中被广泛采用。图3所示的出菇房PLC控制系统中,包括新风机,排风机,加湿器,内风机,压缩机,抑制机等关键设备。

图3　出菇房关键设备示意图

图4　出菇房控制系统主要流程

3.2出菇房PLC控制系统的Petri网模型

由食用菌栽培技术可知,不同的食用菌对生长环境的要求是不一样的,相同的食用菌在不同的生长阶段对生长环境的要求也不相同[8]。系统可选择夏季或冬季工作模式,通过控制出菇房各环境因子,实现出菇房的PLC控制系统研究与设计。

该出菇房系统受启动开关控制,控制系统流程如图4所示。推上启动开关,并选择工作模式,系统开始工作。

(1)系统启动后,首先进行初始化,包括通信参数设置和控制量初始值设定。

(2)系统初始化完成后,通过传感器采集出菇房内的温度、湿度和CO2浓度,若采集值异常,则发出相应传感器的故障报警。

(3)出菇房超过最低和最高生长温度的范围,食用菌的生命活动就会受到抑制,甚至死亡。因此,在食用菌的生产过程中,通过对温度的调节,来促进食用菌的生长极其重要。夏季模式:系统将温度采集值与设定值、上限值进行比较,若采集值大于上限值,启动压缩机和内风机(与压缩机同步定时启停)进行制冷;若小于设定值,关闭制冷设备。内风机可在低速和高速两种模式间进行切换。冬季模式:系统将温度采集值与设定值、上限值进行比较,若采集值小于设定值,启动电加热器;若大于上限值,关闭电加热器。

(4)水分是食用菌细胞的重要组成成分。在出菇期间应保证培养基湿度在最佳范围内,通常高达90RH%。系统将湿度采集值与设定值、上限值进行比较,若采集值大于上限值,关闭加湿器;若小于设定值,启动加湿器(间隔加湿)。

(5)食用菌是好氧性菌类。食用菌通过呼吸作用吸收氧气并排出二氧化碳。为了防止CO2积贮过多,在食用菌栽培过程中,需要适时适量的通风换气。系统将CO2浓度采集值与设定值进行比较,若采集值大于上限值,则开启新风机和排风机,将新风室内的洁净空气引入出菇房,降低CO2浓度;若采集值小于设定值,则关闭新风机和排风机。

(6)为使食用菌达到均匀生长的目的,通常采用风抑制和光抑制两种方法。本系统的抑制机由行程开关触发换向,并配有抑制灯光,同时实现风、光抑制。此外,若抑制机出现故障,则系统会报警提示。综上所述,主要控制流程如图4所示。

根据上述控制功能和要求,出菇房PLC控制系统可以用Petri网来建模(不包括报警提示系统模型)。如图5所示,该Petri网模型着重描述系统的主体控制过程,对模数转换、通信参数的初始化等数据处理过程这里不作详述;对控制量的初始化只进行形式化的表达。

图5　食用菌工厂出菇房PLC控制系统Petri网模型

下面列出图5中Petri网模型各库所和变迁的实际意义。

P1=系统处于停止状态,P2=完成初始化,P3=抑制机静止,P4=采集实时数据,P5=抑制机A方向运行,P6=逻辑运算比较温度值,P7=开启内风机并定时30 s,P8=开启压缩机,P9=关闭压缩机内风机,P10=逻辑运算比较温度值,P11=关闭电加热器,P12=开启电加热器,P13,P14=逻辑运算比较湿度值,P15=关闭加湿器,P16=开启加湿器,P17=逻辑运算比较CO2值,P18=开启新、排风机,P19=关闭新、排风机,P20=抑制机B方向运行,P21=抑制机保持运行。T1=启动开关动作,T2=设置初始出厂值,T3=抑制机启动常开开关,T4=夏季模式开关动作,T5=温度采集值大于上限值,T6=温度采集值小于设定值,T7=定时30 s完成,T10=冬季模式开关动作,T11=温度采集值大于上限值,T12=温度采集值小于设定值,T15=湿度采集值大于上限值,T16=湿度采集值小于设定值,T19=CO2采集值大于上限值,T20=CO2采集值小于设定值,T8、T9、T13、T14、T17、T18、T21、T22=系统保持运行,T23=触发行程开关A,T24=触发行程开关B,T25=抑制机停止常闭开关。本文中,库所内部可进行子程序设计,以达到控制目的。

系统启动,库所P1的托肯经过变迁T1到达库所P2,系统进行初始化;初始化完成后,托肯进入P4,分别采集温度、湿度、CO2实时数据。若T4触发,系统工作在夏季模式,P6获得托肯,进行逻辑运算比较温度值,若温度采集值大于上限值,P6的托肯经过T5进入P7,内风机启动并开始30 s定时,30 s后托肯进入P8,压缩机开始运行。内风机可在低速、高速之间切换;若小于设定值,托肯经过T6进入P9,关闭内风机、压缩机。若T10触发,系统工作在冬季模式,P10获得托肯,进行逻辑运算比较温度值,若温度采集值大于上限值,P10的托肯经过T11进入P11,关闭电加热器;若小于设定值,则开启电加热器。接着,托肯进入P13/P14,系统进行逻辑运算比较湿度值,若湿度采集值小于设定值,托肯经过T16进入P16,加湿器运行;若大于上限值,则托肯经过T15进入P15,关闭加湿器。然后,托肯进入P17,系统进行逻辑运算比较CO2值,若CO2采集值小于设定值,托肯经过T20进入P19,关闭新、排风机;若大于上限值,则托肯经过T19进入P18,开启新、排风机。最后托肯进入P4,循环执行。抑制机子模块类似。

图6　系统仿真图

利用Petri网理论的可达树法、关联矩阵法等,可对PLC控制系统进行活性(系统无死锁)、可达性分析,利用建模、性能分析工具对模型进行仿真和验证,确定控制系统的正确性并发现潜在的缺陷。本文使用Visual Object Net++工具对该Petri网模型进行分析和仿真。以库所P4为参照点,仿真结果显示P4中托肯值周期性为1,说明Petri网循环执行,无死锁,是活性的。

仿真结果表明,该Petri网模型是活性的,出菇房PLC控制系统设计方案具有可行性。

根据Petri网模型进一步设计控制程序。本系统选用台达DVP系列PLC作为控制器,部分IO口地址分配如表1所示。

表1　部分IO口地址分配表

从Petri网模型中可以分析出库所和变迁之间的因果关系以及资源分配的情况。由上述关系可以进一步设计出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　结语

本文利用Petri网对食用菌工厂的出菇房PLC控制系统进行建模和仿真分析。此方法不仅可以结构化、层次化设计系统,还可以预先发现设计的逻辑错误以减少调试时间。该系统设计了包括温度、湿度和CO2浓度的采集,以及新风机、排风机、加湿器、内风机、压缩机、抑制机等关键设备的控制运行,并最终以PLC控制程序的形式实现实际应用。

参考文献:

[1]高君辉,冯志勇,唐利华.食用菌工厂化生产及环境控制技术[J].食用菌,2010(4):3-5.

[2]林惠标,焦志刚.基于Petri网的柔性装配单元建模及PLC程序设计[J].装备制造技术,2007(4):40-42.

[3]孟庆春,刘云卿.应用于PLC控制程序的Petri网执行模型[J].计算机科学,2009(10):150-152,159.

[4]袁崇义.Petri网原理与应用[M].电子工业出版社,2005:3.

[5]刘斌友,李赟.Petri网在PLC控制系统程序设计中的应用[J].兵工自动化,2008(10):70-72.

[6]李占山.基于Petri网的PLC程序设计[J].河北理工学院学报,2002(2):55-58.

[7]彭镇,景亮,陆继远,等.基于OPC技术的食用菌工厂化生产远程监控系统[J].现代科学仪器,2013(3):13-17.

[8]于海龙,郭倩,杨娟,等.环境因子对食用菌生长发育影响的研究进展[J].上海农业学报,2009,25(3):100-104.

李俊英(1988-),男,汉族,江苏南京人,硕士,江苏大学电气信息工程学院,212013,主要从事电气自动化方面的研究,lijunying0808@163.com;

景亮(1966-),男,汉族,江苏镇江人,副教授,硕士生导师,江苏大学电气信息工程学院,212013,主要从事物联网、农业电气化与自动化等方面的工作,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

中图分类号:TM46

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0927-05

收稿日期:2013-09-26修改日期:2013-11-13

项目来源:江苏省农业科技支撑项目(BE2011335,BE2010348)