基于Petri网的自动化立体仓库系统的PLC程序设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动化立体仓库系统的出库流程领域，特别是一种基于Petri网设计 其可编程逻辑控制器（PLC)程序的方法。
【背景技术】
[0002] 随着自动化技术的不断发展，自动化立体仓库已逐渐进入工厂，它不仅可以减 少劳动力，而且节约了时间成本，被认为是物流技术的一项革命性突破。自动化立体仓 库是一个复杂的综合自动化系统，它使用了可编程逻辑控制器（programmablelogical controller，PLC)、传感器和位置控制等技术，具有货物的自动提取和存放功能，它是以高 层货架、托盘、堆垛机、输送机和自动导引小车（automatedguidedvehicle，AGV)等多种设 备构成了物料传输线，将企业生产线、传输线和立体仓库紧密连接在一起。
[0003] 然而，立体仓库系统的生产流程的描述、PLC程序的设计和系统调度问题非常复 杂，如今对PLC程序的验证和检测往往依靠人工的反复运行调试和反复试错的方法，在逻 辑状态比较多的时候，很难检测全部状态，错误率自然上升。这样不仅对机器设备是一种损 害，而且会消耗开发人员的大量精力，延长了设计周期，增加了开发成本。目前PLC软件中 的程序自检功能主要是这对语法或者硬件连接错误的检查，对于一些逻辑状态间的容易产 生的一些错误（如违反"顺序"规范等）是无法检测出来的。如果使用存在逻辑错误的程 序，将存在极大的隐患。因为目前立体仓库系统设计和调试的成本昂贵，人工调度错误难以 避免，所以亟待实现系统分析、仿真调度和监控的自动化。
[0004] 利用Petri网设计立体仓库系统的可编程逻辑控制器（PLC)程序主要分为两个方 面：一是利用Petri网对立体仓库系统的进行形式化建模和设计顺序控制器；二是将Petri 网转化为PLC梯形图。现有的研宄成果存在如下3个不足之处：
[0005] 1、均以扩展Petri网对仓库系统进行建模，虽然扩展Petri网的网规模相比于普 通Petri网要小，但是扩展Petri网是将变迀定义为一个特定的事件，不具有一般性，难以 给出统一的建模方法，并且，扩展Petri网妨碍了成熟Petri网分析方法的应用；
[0006] 2、对于仓库系统建模方法的研宄，通常是将系统的资源（物理位置、运输设备等） 描述成库所，这虽然可以清楚地描述各种物流活动，但是从监控的角度分析，系统是一组分 散布置的控制元件，包括传感器、执行机构等，它们的状态切换才是有价值的信息；
[0007] 3、对于Petri网到PLC梯形图程序转化方法的研宄，通常是针对某一特定的例子 给出Petri网模型，再将其转化为梯形图，尚未形成一个完整统一的算法，现有成果的实际 应用有一定的局限性。
【发明内容】
[0008] 本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种利用普通Petri网 设计其PLC程序的方法。
[0009] 本发明采用如下技术方案：
[0010] 基于Petri网的自动化立体仓库系统的PLC程序设计方法，其特征在于：包括如下 部分：
[0011] 4)建立自动化仓库系统出库流程的对象Petri网模型
[0012] 控制元件其包括I个传感器元件和J个执行机构，分别对每个传感器元件和每个 执行机构进行建模：定义一个控制元件x，其Petri网模型为Nx={Px,Tx,FJ;库所集是Px ={wx,ix}，其中wx对应x的"工作"状态，ix对应x的"休息"状态；变迀集是Tx= {〇 x,cx}， 变迀〇x表示"打开"事件，而cx表示"关闭"事件；有向弧集合Fx= {(wx，cx)，（cx，ix)，（ix，o x)，（〇x，wx)};初始标识是 = (0,1)''，既有< (u\) = 0，叫;(/_,.) = 1;
[0013] 5)建立自动化仓库系统的闭合Petri网模型
[0014] 在初始状态下，闭合Petri网的库所集、变迀集和有向弧集合均为对象Petri网的 库所集、变迀集和有向弧集，即Pe=Pp，!；=Tp，Fe=Fp;对于所有的执行机构e」（1 <j<J)， 结合系统控制规范描述对前1-2个执行机构状态转换条件进行描述，增加其有向弧集合； 再对剩余的执行机构状态转换条件进行描述，增加其有向弧集合；最后得到执行机构的闭 合Petri网模型Nc: = {(Pc，Tc，Fc)，m0};
[0015] 6)将闭合Petri网模型转换为PLC梯形图程序。
[0016] 优选的，步骤3)具体包括如下：
[0017] 3. 1)对于N。： = {(P。，T。，F。)，，〇,cx是任意一个控制元件x对应的变迀，在 变迀〇x(cx)输入库所的集合中易1J除掉变?cx(〇x)的输出库所得到的集合，称为变迀〇x(cx) 的自库所集，记做
【主权项】
1. 基于Petri网的自动化立体仓库系统的PLC程序设计方法，其特征在于：包括如下 部分： 1) 建立自动化仓库系统出库流程的对象Petri网模型 控制元件其包括I个传感器元件和J个执行机构，分别对每个传感器元件和每个执行 机构进行建模：定义一个控制元件x，其Petri网模型为Nx={Px,Tx,FJ;库所集是Px = {wx，ix}，其中wx对应x的"工作"状态，ix对应x的"休息"状态；变迀集是1\= {〇x，cx}，变 迀〇!￡表示"打开"事件，而(3!￡表示"关闭"事件；有向弧集合？ !￡={(?!￡，(3!￡)，（(3!￡，〇，（1 !￡，〇!￡) ，（ox,wx)};初始标识是"<;=(0,1)'，既有(u\.) = 0，m,; (/'A) = 1; 2) 建立自动化仓库系统的闭合Petri网模型 在初始状态下，闭合Petri网的库所集、变迀集和有向弧集合均为对象Petri网的库所 集、变迀集和有向弧集，即Pc=Pp，!；=Tp，Fe=Fp;对于所有的执行机构e」(1彡j彡J)，结 合系统控制规范描述对前1-2个执行机构状态转换条件进行描述，增加其有向弧集合；再 对剩余的执行机构状态转换条件进行描述，增加其有向弧集合；最后得到执行机构的闭合 Petri网模型Nc: = {(Pc，Tc，Fc)，m0}; 3) 将闭合Petri网模型转换为PLC梯形图程序。
2. 如权利要求1所述的基于Petri网的自动化立体仓库系统的PLC程序设计方法，其 特征在于：步骤3)具体包括如下： 3. 1)对于N。： = {(P。，T。，F。)，mj，（^和cx是任意一个控制元件x对应的变迀，在变迀 〇x(cx)输入库所的集合中剔除掉变迀(^(〇!￡)的输出库所得到的集合，称为变迀 〇x(cx)的自 库所集，记做々：冲e 〇e 八/，名匕々：=! ▽/，e巧IPe \八/，芒，怂是控制 元件x的自库所集；办即对任一个库所p，〇x表示变迀〇x的输入库所，cx'表示变迀Cx的输 出库戶斤，4 :=C丨Pe }表示属于变迀〇x的输入库所且不属于变迀Cx的输 出库所的任一个库所P; 3. 2)对于N。： = {(P。，!1。，F。)，!!^}，A是控制元件X的自库所集，C中所有元素表示控 制元件状态的相反状态对应库所组成的集合，记做^; 3.3)将库所集:C中的元素与库所集f中的元素串联，将集合〇x'中的元素与集合& 中的元素并联；将执行机构与G中的元素之间、执行机构与右母线之间、&中的元素和 〇/中的元素分别与左母线之间用连接线相连。
3.如权利要求1所述的基于Petri网的自动化立体仓库系统的PLC程序设计方法，其 特征在于：在步骤1)中，在初始状态下，系统的对象Petri网模型的库所集合、变迀集合和 有向弧集合均为空集，即4 ^0，7； =0，& =0 ;对传感器元件进行建模具体包括如下： 1. 1. 1)对于所有的传感器元件Si，1彡i彡I，从中任取一个传感器元件Si，如果 4,Pp，ws，Pp，芒 2；，弋茫 2；，则进入步骤LL 2); 1. 1. 2)用一对库所4,和M分别描述该传感器元件&的"休息"状态和"工 作"状态；用一对变迀S和\分别描述该传感器元件81的"打开"事件和"关闭"事 件；构造四条有向弧分别由^指向\S指向％％指向s指向4,.，即
;并规定 传感器元件Si的初始状态为"休息"状态，所以％(H'V ) = 〇，/?"(/_,) = 1 ;进入1. 1. 3); 1. 1. 3)i=i-1，如果i= 0,则传感器元件建模完毕；如果i乒0,则返回1. 1. 1)。
4. 如权利要求1所述的基于Petri网的自动化立体仓库系统的PLC程序设计方法，其 特征在于：在初始状态下，系统的对象Petri网模型的库所集合、变迀集合和有向弧集合均 为空集，即戽= =0，心=0 ;对执行机构进行建模具体包括如下： 1. 2. 1)对于所有的执行机构1 <j<J，从中任取一个执行机构&如果 P;,，wj心oj 7；，cj 7；，则进入步骤L 2. 2); 1. 2. 2)用一对库所人.和' 分别描述执行机构4的"休息"状态和"工作"状 态；用一对变迀 '和弋分别执行机构h的"打开"事件和"关闭"事件；然后 构造四条有向弧分别由k指向S指向％，'指向S，S指向k;即 S;厂，（山U{(4,〇?)，(\，')()(、,&)K并规定 执行机构e」的初始状态为"休息"状态，所以"&(' ) = 〇，叫从X;进入1. 2. 3); 1. 2. 3)j=j-1，如果j= 0,则执行机构建模完毕；如果j辛0,则返回步骤1. 2. 1)。
5. 如权利要求1所述的基于Petri网的自动化立体仓库系统的PLC程序设计方法，其 特征在于：在步骤2)中建立自动化立体仓库系统的闭合Petri网模型需时，对于给定一个 立体仓库系统，需满足如下系统控制规范描述： 当1 <i< 1-2,系统控制规范可以描述为
其中：Si是位于辊筒式传输线i最前端的传感器；e」是相应的控制电机；当传感器s1检 测到货物时，电机e」运行，传输线i运行；当传感器si+2检测到货物时，电机e」关闭，传输线 i停止运行； 当I-2〈i〈I，系统控制规范可以描述为
其中：s,si+1是位于链条式传输线i的AGV分拣开始和结束传感器；^是相应的控制 电机和电磁阀；当传感器Si检测到货物时，电机和电磁阀^运行，传输线i运行；当货物里 离开传输线到达AGV时，传感器si+1工作，相应电机和电磁阀e」关闭，传输线i和挡板停止 运行。
6. 如权利要求1所述的基于Petri网的自动化立体仓库系统的PLC程序设计方法，其 特征在于：在步骤2)中结合系统控制规范描述对前1-2个执行机构状态转换条件进行描 述，增加其有向弧集合；再对剩余的执行机构状态转换条件进行描述，增加其有向弧集合， 具体如下： 2. 1)对于执行机构1 <j<J，从中任取一个执行机构4作为考虑对象，如果 1 <i< 1-2进入步骤2. 2);如果I-2〈i〈I，进入步骤2. 3); 2. 2)参照对应的系统控制规范描述，构造四条有向弧分别由％指向SS指向％， ws+2指向 &指向丨，即AUUu'、，％ )>,,，u'J，（w 2.3)参照对应的系统控制规范描述，则构造四条有向弧分别由'指向弋'弋指向 '，ws+2指向S，ce』旨向ws;+2，即尽=&U{('，％, )，(oe,，' )，(vvs+，ctf, )，(ce,，^ 2. 4)j=j-1，如果j= 0,则完毕；如果j乒0,则返回步骤2. 1)。
【专利摘要】本发明的基于Petri网的自动化立体仓库系统的PLC程序设计方法，包括如下部分:1)建立自动化仓库系统出库流程的对象Petri网模型；2)建立自动化仓库系统的闭合Petri网模型；3)将闭合Petri网模型转换为PLC梯形图程序。与扩展Petri网相比，普通Petri网语义较为简单、激发条件简洁，网模型更直观易懂，且易于分析，具有普遍适用性和成熟的分析工具、理论基础。
【IPC分类】G05B19-05
【公开号】CN104615071
【申请号】CN201510008783
【发明人】宴来成, 陈珑, 倪会娟, 邵辉, 罗继亮
【申请人】华侨大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月8日