基于Petri網的食用菌工廠控制系統研究*

李俊英,景　亮,趙不賄,孫　文,邢　倩

(江蘇大學電氣信息工程學院,鎮江科達環境系統工程有限公司,江蘇 鎮江 212013)

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基于Petri網的食用菌工廠控制系統研究*

李俊英,景亮*,趙不賄,孫文,邢倩

(江蘇大學電氣信息工程學院,鎮江科達環境系統工程有限公司,江蘇 鎮江 212013)

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

關鍵詞:食用菌工廠;Petri網;PLC;建模

食用菌工廠化生產是最具現代化農業特征的產業化生產方式,其采用工業化技術手段,實現食用菌的規模化、集約化、標準化和周年化生產[1]。食用菌工廠中對溫度、濕度、光照強度和CO2濃度等環境參數的控制直接影響到食用菌的產量與質量。PLC以其優越的性能,在控制系統中被廣泛地采用。

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

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

1　Petri網簡介

Petri網理論由德國科學家Petri C A博士于1962年提出。Petri網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過程,并能精確地描述事件間的順序、并發和沖突關系,其模擬能力與圖靈機等價[3]。經過多年的發展,Petri網理論不斷地充實和完善,已經廣泛應用在計算機、通訊、機械等許多領域。從圖形工具角度看,Petri網具有類似流程圖、框圖和網圖的可視性描述功能;從數學工具角度看,Petri網可建立狀態方程,代數方程和其他數學模型來描述系統的行為。

1.1基本概念

定義1三元組N=(P,T;F)稱為有向網(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)構成網系統的條件是:

(1)N=(P,T;F)構成有向網,稱為∑的基網。

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

1.2Petri網的圖形表示方法

圖1是一個Petri網的圖形表示,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),表示資源的數量。

圖1　Petri網的圖形表示

2　Petri網在PLC控制系統中的應用

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

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

(2)對系統進行層次化、模塊化分析,分別建立子系統。

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

一般來說,PLC程序設計可以實現順序控制、并行控制、同步控制、競爭控制等。用Petri網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網模型

建立Petri網模型后,首先要對模型進行仿真和分析,在確定模型滿足可達性、活性等性質的條件下,才能進一步根據Petri網設計PLC控制程序。托肯的流動反映了控制過程的狀態變化,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

3.1食用菌工廠化生產的原理

食用菌工廠化生產的基本原理是:利用工業上的一些先進設備和設施,如溫、光、氣、濕的調控裝置和空氣凈化等裝置,在相對封閉保溫的食用菌生產車間內,通過對食用菌生產車間的溫度、濕度、通風、光照等主要環境條件的調控,形成一種適合于食用菌生產的最佳環境條件,并逐步發展和完善食用菌生產機械化,從而形成一套完整的工業化、標準化現代農業生產管理體系,實現食用菌全天候工廠化周年生產[7]。PLC具有可靠性高、使用方便等優點,在控制系統中被廣泛采用。圖3所示的出菇房PLC控制系統中,包括新風機,排風機,加濕器,內風機,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　出菇房控制系統主要流程

3.2出菇房PLC控制系統的Petri網模型

由食用菌栽培技術可知,不同的食用菌對生長環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境的要求也不相同[8]。系統可選擇夏季或冬季工作模式,通過控制出菇房各環境因子,實現出菇房的PLC控制系統研究與設計。

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

(1)系統啟動后,首先進行初始化,包括通信參數設置和控制量初始值設定。

(2)系統初始化完成后,通過傳感器采集出菇房內的溫度、濕度和CO2濃度,若采集值異常,則發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,在食用菌的生產過程中,通過對溫度的調節,來促進食用菌的生長極其重要。夏季模式:系統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。內風機可在低速和高速兩種模式間進行切換。冬季模式:系統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基濕度在最佳范圍內,通常高達90RH%。系統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。本系統的抑制機由行程開關觸發換向,并配有抑制燈光,同時實現風、光抑制。此外,若抑制機出現故障,則系統會報警提示。綜上所述,主要控制流程如圖4所示。

根據上述控制功能和要求,出菇房PLC控制系統可以用Petri網來建模(不包括報警提示系統模型)。如圖5所示,該Petri網模型著重描述系統的主體控制過程,對模數轉換、通信參數的初始化等數據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Petri網模型

下面列出圖5中Petri網模型各庫所和變遷的實際意義。

P1=系統處于停止狀態,P2=完成初始化,P3=抑制機靜止,P4=采集實時數據,P5=抑制機A方向運行,P6=邏輯運算比較溫度值,P7=開啟內風機并定時30 s,P8=開啟壓縮機,P9=關閉壓縮機內風機,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=系統保持運行,T23=觸發行程開關A,T24=觸發行程開關B,T25=抑制機停止常閉開關。本文中,庫所內部可進行子程序設計,以達到控制目的。

系統啟動,庫所P1的托肯經過變遷T1到達庫所P2,系統進行初始化;初始化完成后,托肯進入P4,分別采集溫度、濕度、CO2實時數據。若T4觸發,系統工作在夏季模式,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的托肯經過T5進入P7,內風機啟動并開始30 s定時,30 s后托肯進入P8,壓縮機開始運行。內風機可在低速、高速之間切換;若小于設定值,托肯經過T6進入P9,關閉內風機、壓縮機。若T10觸發,系統工作在冬季模式,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,托肯經過T16進入P16,加濕器運行;若大于上限值,則托肯經過T15進入P15,關閉加濕器。然后,托肯進入P17,系統進行邏輯運算比較CO2值,若CO2采集值小于設定值,托肯經過T20進入P19,關閉新、排風機;若大于上限值,則托肯經過T19進入P18,開啟新、排風機。最后托肯進入P4,循環執行。抑制機子模塊類似。

圖6　系統仿真圖

利用Petri網理論的可達樹法、關聯矩陣法等,可對PLC控制系統進行活性(系統無死鎖)、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,確定控制系統的正確性并發現潛在的缺陷。本文使用Visual Object Net++工具對該Petri網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網循環執行,無死鎖,是活性的。

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

根據Petri網模型進一步設計控制程序。本系統選用臺達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網對食用菌工廠的出菇房PLC控制系統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,還可以預先發現設計的邏輯錯誤以減少調試時間。該系統設計了包括溫度、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實際應用。

參考文獻:

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[8]于海龍,郭倩,楊娟,等.環境因子對食用菌生長發育影響的研究進展[J].上海農業學報,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,主要從事物聯網、農業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:江蘇省農業科技支撐項目(BE2011335,BE2010348)