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(xué)電氣信息工程學(xué)院,鎮(zhèn)江科達(dá)環(huán)境系統(tǒng)工程有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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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(xué)電氣信息工程學(xué)院,鎮(zhèn)江科達(dá)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(kuò)大,PLC控制系統(tǒng)也日趨復(fù)雜,傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)出錯(cuò)率增加,檢錯(cuò)不易。因此,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(duì)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(duì)象,進(jìn)行建模、分析,包括新風(fēng)機(jī),排風(fēng)機(jī),加濕器,內(nèi)風(fēng)機(jī),壓縮機(jī),抑制機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的控制運(yùn)行,從而直觀地構(gòu)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(yùn)行。

關(guān)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(shù)手段,實(shí)現(xiàn)食用菌的規(guī)?；?、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化和周年化生產(chǎn)[1]。食用菌工廠中對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)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(kuò)大化和控制系統(tǒng)的復(fù)雜化,傳統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿(mǎn)足協(xié)調(diào)控制,競(jìng)爭(zhēng)控制等控制要求[2]。PLC的梯形圖不能用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析,不能直觀地反映出自動(dòng)控制系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)控制、競(jìng)爭(zhēng)控制和并行控制,因此可讀性差,難于升級(jí)和維護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),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?jǐn)?shù)學(xué)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(guān)系。因此,本文借助Petri網(wǎng)對(duì)食用菌工廠出菇房的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行建模,賦予庫(kù)所和變遷實(shí)際意義,實(shí)現(xiàn)對(duì)出菇房控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確描述,并根據(jù)模型設(shè)計(jì)出控制程序。

1　Petri網(wǎng)簡(jiǎn)介

Petri網(wǎng)理論由德國(guó)科學(xué)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(dòng)態(tài)過(guò)程,并能精確地描述事件間的順序、并發(fā)和沖突關(guān)系,其模擬能力與圖靈機(jī)等價(jià)[3]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,Petri網(wǎng)理論不斷地充實(shí)和完善,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、通訊、機(jī)械等許多領(lǐng)域。從圖形工具角度看,Petri網(wǎng)具有類(lèi)似流程圖、框圖和網(wǎng)圖的可視性描述功能;從數(shù)學(xué)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(xué)模型來(lái)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(chēng)為有向網(wǎng)(Directed Net,簡(jiǎn)稱(chēng)(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(gòu)成網(wǎng)系統(tǒng)的條件是:

(1)N=(P,T;F)構(gòu)成有向網(wǎng),稱(chēng)為∑的基網(wǎng)。

(2)K,W,M0依次為N上的容量函數(shù)、權(quán)函數(shù)和標(biāo)識(shí)。M0稱(chēng)為∑的初始標(biāo)識(shí)(Initial Marking)。

1.2Petri網(wǎng)的圖形表示方法

圖1是一個(gè)Petri網(wǎng)的圖形表示,庫(kù)所和變遷分別用“○”和“”表示,二者通過(guò)有向弧“→”連接,表示資源流動(dòng)的方向,“?”稱(chēng)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(yīng)用

傳統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)方法有狀態(tài)表法、功能圖法等,可以用來(lái)解決順序、隨機(jī)等類(lèi)型的問(wèn)題,但不適用于具有協(xié)調(diào)、競(jìng)爭(zhēng)等事件的控制系統(tǒng)[5]。Petri網(wǎng)可以從邏輯層次上對(duì)離散事件進(jìn)行建模和仿真,在PLC控制系統(tǒng)中,其應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:

(1)庫(kù)所:描述開(kāi)關(guān)、線(xiàn)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(kāi)關(guān)的動(dòng)作,傳感器檢測(cè)到信號(hào)等。

(2)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行層次化、模塊化分析,分別建立子系統(tǒng)。

(3)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前,解決資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。例如,將運(yùn)行的單元按照運(yùn)行順序設(shè)計(jì)Petri網(wǎng),針對(duì)其中共用的資源設(shè)計(jì)資源庫(kù)所元素,資源占用情況,以解決競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)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(shí)際執(zhí)行過(guò)程,而且還可以在程序執(zhí)行前檢測(cè)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(yù)先判斷出程序潛在的部分邏輯錯(cuò)誤,從而減少調(diào)試時(shí)間[6]。

一般來(lái)說(shuō),PLC程序設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)順序控制、并行控制、同步控制、競(jìng)爭(zhēng)控制等。用Petri網(wǎng)來(lái)描述以上各種控制,如圖2所示。

圖2　順序、并行、同步和競(jìng)爭(zhēng)控制的Petri網(wǎng)模型

建立Petri網(wǎng)模型后,首先要對(duì)模型進(jìn)行仿真和分析,在確定模型滿(mǎn)足可達(dá)性、活性等性質(zhì)的條件下,才能進(jìn)一步根據(jù)Petri網(wǎng)設(shè)計(jì)PLC控制程序。托肯的流動(dòng)反映了控制過(guò)程的狀態(tài)變化,在此前提下,控制程序的設(shè)計(jì)遵循先由上到下,再由左到右的原則。

以臺(tái)達(dá)PLC為例,圖2中順序、并行、同步、競(jìng)爭(zhēng)控制的Petri網(wǎng)模型(變遷T0、T1與臺(tái)達(dá)PLC中的輔助繼電器或輸入繼電器相對(duì)應(yīng))所對(duì)應(yīng)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(jìn)設(shè)備和設(shè)施,如溫、光、氣、濕的調(diào)控裝置和空氣凈化等裝置,在相對(duì)封閉保溫的食用菌生產(chǎn)車(chē)間內(nèi),通過(guò)對(duì)食用菌生產(chǎn)車(chē)間的溫度、濕度、通風(fēng)、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(jī)械化,從而形成一套完整的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系,實(shí)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(diǎn),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(fēng)機(jī),排風(fēng)機(jī),加濕器,內(nèi)風(fēng)機(jī),壓縮機(jī),抑制機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備。

圖3　出菇房關(guān)鍵設(shè)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(shù)可知,不同的食用菌對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求是不一樣的,相同的食用菌在不同的生長(zhǎng)階段對(duì)生長(zhǎng)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(guò)控制出菇房各環(huán)境因子,實(shí)現(xiàn)出菇房的PLC控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)。

該出菇房系統(tǒng)受啟動(dòng)開(kāi)關(guān)控制,控制系統(tǒng)流程如圖4所示。推上啟動(dòng)開(kāi)關(guān),并選擇工作模式,系統(tǒng)開(kāi)始工作。

(1)系統(tǒng)啟動(dòng)后,首先進(jìn)行初始化,包括通信參數(shù)設(shè)置和控制量初始值設(shè)定。

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

(3)出菇房超過(guò)最低和最高生長(zhǎng)溫度的范圍,食用菌的生命活動(dòng)就會(huì)受到抑制,甚至死亡。因此,在食用菌的生產(chǎn)過(guò)程中,通過(guò)對(duì)溫度的調(diào)節(jié),來(lái)促進(jìn)食用菌的生長(zhǎng)極其重要。夏季模式:系統(tǒng)將溫度采集值與設(shè)定值、上限值進(jìn)行比較,若采集值大于上限值,啟動(dòng)壓縮機(jī)和內(nèi)風(fēng)機(jī)(與壓縮機(jī)同步定時(shí)啟停)進(jìn)行制冷;若小于設(shè)定值,關(guān)閉制冷設(shè)備。內(nèi)風(fēng)機(jī)可在低速和高速兩種模式間進(jìn)行切換。冬季模式:系統(tǒng)將溫度采集值與設(shè)定值、上限值進(jìn)行比較,若采集值小于設(shè)定值,啟動(dòng)電加熱器;若大于上限值,關(guān)閉電加熱器。

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

(5)食用菌是好氧性菌類(lèi)。食用菌通過(guò)呼吸作用吸收氧氣并排出二氧化碳。為了防止CO2積貯過(guò)多,在食用菌栽培過(guò)程中,需要適時(shí)適量的通風(fēng)換氣。系統(tǒng)將CO2濃度采集值與設(shè)定值進(jìn)行比較,若采集值大于上限值,則開(kāi)啟新風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī),將新風(fēng)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(shè)定值,則關(guān)閉新風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)。

(6)為使食用菌達(dá)到均勻生長(zhǎng)的目的,通常采用風(fēng)抑制和光抑制兩種方法。本系統(tǒng)的抑制機(jī)由行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)換向,并配有抑制燈光,同時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光抑制。此外,若抑制機(jī)出現(xiàn)故障,則系統(tǒng)會(huì)報(bào)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(lái)建模(不包括報(bào)警提示系統(tǒng)模型)。如圖5所示,該P(yáng)etri網(wǎng)模型著重描述系統(tǒng)的主體控制過(guò)程,對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換、通信參數(shù)的初始化等數(shù)據(jù)處理過(guò)程這里不作詳述;對(duì)控制量的初始化只進(jìn)行形式化的表達(dá)。

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(kù)所和變遷的實(shí)際意義。

P1=系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài),P2=完成初始化,P3=抑制機(jī)靜止,P4=采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),P5=抑制機(jī)A方向運(yùn)行,P6=邏輯運(yùn)算比較溫度值,P7=開(kāi)啟內(nèi)風(fēng)機(jī)并定時(shí)30 s,P8=開(kāi)啟壓縮機(jī),P9=關(guān)閉壓縮機(jī)內(nèi)風(fēng)機(jī),P10=邏輯運(yùn)算比較溫度值,P11=關(guān)閉電加熱器,P12=開(kāi)啟電加熱器,P13,P14=邏輯運(yùn)算比較濕度值,P15=關(guān)閉加濕器,P16=開(kāi)啟加濕器,P17=邏輯運(yùn)算比較CO2值,P18=開(kāi)啟新、排風(fēng)機(jī),P19=關(guān)閉新、排風(fēng)機(jī),P20=抑制機(jī)B方向運(yùn)行,P21=抑制機(jī)保持運(yùn)行。T1=啟動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作,T2=設(shè)置初始出廠值,T3=抑制機(jī)啟動(dòng)常開(kāi)開(kāi)關(guān),T4=夏季模式開(kāi)關(guān)動(dòng)作,T5=溫度采集值大于上限值,T6=溫度采集值小于設(shè)定值,T7=定時(shí)30 s完成,T10=冬季模式開(kāi)關(guān)動(dòng)作,T11=溫度采集值大于上限值,T12=溫度采集值小于設(shè)定值,T15=濕度采集值大于上限值,T16=濕度采集值小于設(shè)定值,T19=CO2采集值大于上限值,T20=CO2采集值小于設(shè)定值,T8、T9、T13、T14、T17、T18、T21、T22=系統(tǒng)保持運(yùn)行,T23=觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)A,T24=觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)B,T25=抑制機(jī)停止常閉開(kāi)關(guān)。本文中,庫(kù)所內(nèi)部可進(jìn)行子程序設(shè)計(jì),以達(dá)到控制目的。

系統(tǒng)啟動(dòng),庫(kù)所P1的托肯經(jīng)過(guò)變遷T1到達(dá)庫(kù)所P2,系統(tǒng)進(jìn)行初始化;初始化完成后,托肯進(jìn)入P4,分別采集溫度、濕度、CO2實(shí)時(shí)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(jìn)行邏輯運(yùn)算比較溫度值,若溫度采集值大于上限值,P6的托肯經(jīng)過(guò)T5進(jìn)入P7,內(nèi)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)并開(kāi)始30 s定時(shí),30 s后托肯進(jìn)入P8,壓縮機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。內(nèi)風(fēng)機(jī)可在低速、高速之間切換;若小于設(shè)定值,托肯經(jīng)過(guò)T6進(jìn)入P9,關(guān)閉內(nèi)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)。若T10觸發(fā),系統(tǒng)工作在冬季模式,P10獲得托肯,進(jìn)行邏輯運(yùn)算比較溫度值,若溫度采集值大于上限值,P10的托肯經(jīng)過(guò)T11進(jìn)入P11,關(guān)閉電加熱器;若小于設(shè)定值,則開(kāi)啟電加熱器。接著,托肯進(jìn)入P13/P14,系統(tǒng)進(jìn)行邏輯運(yùn)算比較濕度值,若濕度采集值小于設(shè)定值,托肯經(jīng)過(guò)T16進(jìn)入P16,加濕器運(yùn)行;若大于上限值,則托肯經(jīng)過(guò)T15進(jìn)入P15,關(guān)閉加濕器。然后,托肯進(jìn)入P17,系統(tǒng)進(jìn)行邏輯運(yùn)算比較CO2值,若CO2采集值小于設(shè)定值,托肯經(jīng)過(guò)T20進(jìn)入P19,關(guān)閉新、排風(fēng)機(jī);若大于上限值,則托肯經(jīng)過(guò)T19進(jìn)入P18,開(kāi)啟新、排風(fēng)機(jī)。最后托肯進(jìn)入P4,循環(huán)執(zhí)行。抑制機(jī)子模塊類(lèi)似。

圖6　系統(tǒng)仿真圖

利用Petri網(wǎng)理論的可達(dá)樹(shù)法、關(guān)聯(lián)矩陣法等,可對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行活性(系統(tǒng)無(wú)死鎖)、可達(dá)性分析,利用建模、性能分析工具對(duì)模型進(jìn)行仿真和驗(yàn)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(duì)該P(yáng)etri網(wǎng)模型進(jìn)行分析和仿真。以庫(kù)所P4為參照點(diǎn),仿真結(jié)果顯示P4中托肯值周期性為1,說(shuō)明Petri網(wǎng)循環(huán)執(zhí)行,無(wú)死鎖,是活性的。

仿真結(jié)果表明,該P(yáng)etri網(wǎng)模型是活性的,出菇房PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有可行性。

根據(jù)Petri網(wǎng)模型進(jìn)一步設(shè)計(jì)控制程序。本系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)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(kù)所和變遷之間的因果關(guān)系以及資源分配的情況。由上述關(guān)系可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)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(jié)語(yǔ)

本文利用Petri網(wǎng)對(duì)食用菌工廠的出菇房PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析。此方法不僅可以結(jié)構(gòu)化、層次化設(shè)計(jì)系統(tǒng),還可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的邏輯錯(cuò)誤以減少調(diào)試時(shí)間。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了包括溫度、濕度和CO2濃度的采集,以及新風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、加濕器、內(nèi)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、抑制機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的控制運(yùn)行,并最終以PLC控制程序的形式實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

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李俊英(1988-),男,漢族,江蘇南京人,碩士,江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,212013,主要從事電氣自動(dòng)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(dǎo)師,江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,212013,主要從事物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)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(lèi)號(hào):TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)05-0927-05

收稿日期:2013-09-26修改日期:2013-11-13

項(xiàng)目來(lái)源:江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐項(xiàng)目(BE2011335,BE2010348)