CN103389704B - 基于Petri网控制流程建模的创建石膏砌块成型生产线方法 - Google Patents

Abstract

基于Petri网控制流程建模的创建石膏砌块成型生产线方法，涉及一种石膏砌块生产线，特别是一种基于Petri网创建石膏砌块生产线的方法,具体步骤为：1）功能模块的划分；2）功能模块操作序列映射的建立；3）监督控制器模型的建立；4）基于Petir网的控制流程模型的建立；5）确定控制流程模型的具体参数；6）建立生产线。它可以通过建模优化石膏砌块生产线，简化生产线的构造，同时提高生产线的工作效率。

Description

基于Petri网控制流程建模的创建石膏砌块成型生产线方法

技术领域

本发明涉及一种石膏砌块生产线，特别是一种基于Petri网创建石膏砌块生产线的方法。

背景技术

石膏作为一种节能环保材料，石膏成型产业的特点符合了当前低碳、高效的发展需求，在石膏砌块成型领域，成型工艺和设备的研究一直是众多科研机构及生产厂家的重要课题之一。随着新的制造理念和制造技术的发展，某新型石膏成型工艺与设备得以开发应用，它基于模具往复运动的机理，具有结构化、系统化、模块化的独特优点，具有运行流程多样性的特性，因此，对控制系统提出了更为灵活和稳定的要求。传统控制系统的设计思想在工况状态多、变化频繁的系统中难以满足要求，成为影响产能提高和行业发展的重要因素。寻求高效、省时的控制系统开发方法已成为满足多运行流程制造系统的迫切需求，而建立多运行流程制造系统的控制流程模型是控制系统开发的关键因素。

制造系统本质是由各种传感器和执行器等元素组成的动态事件驱动系统，各元素之间的关系是交互的，工艺的多流程是元素之间交互的体现之一。建立制造系统的控制流程模型即是在监督控制的层面精确描述系统满足生产工艺的传感器检测信息、执行器触发信息的具体形式以及运行时序、逻辑条件等内容。

目前，对多工艺、多工况、可重构系统的建模方法研究仍处于不断探索之中，鉴于Petri网针对离散事件动态系统的建模优点，得到了快速发展和广泛应用。虽然出现了各种类型的Petri网扩展形式用于解决制造领域的建模问题，大多建模方法只能用于模型建立和模型分析等，考虑到Petri网作为一种数学工具，理论研究和仿真意义远大于实际应用价值，亦或者模型建立所需软、硬件平台过于复杂，难于应用于多运行流程制造系统的控制系统开发过程中。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于Petri网控制流程建模的创建石膏砌块成型生产线方法，它可以通过建模优化石膏砌块生产线，简化生产线的构造，同时提高生产线的工作效率。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下：

1）对石膏砌块成型生产线结构进行功能划分，将生产线拆分为一个以上的独立功能单元；

2）对步骤1）中的独立功能单元，分别建立与之对应的映射关系，用于表示生产过程中各功能单元完成的相应操作序列；设O=(o₁,o₂…o_n)为石膏砌块成型生产线有限实体对象集合，每个对象均为功能划分之后的一个功能单元，f=(f₁,f₂…f_n)是实体对象集合O上的映射γ:O→f，f_i是实体对象o_i的操作序列；

3）利用信号解释Petri网原理，建立实体对象操作序列的监督控制器模型，用于描述实体对象运行操作序列过程中每一步操作的执行条件、执行动作和逻辑顺序；

4）根据步骤1）至步骤3），建立基于Petri网的控制流程模型，石膏砌块成型生产线控制流程模型描述为Σ=(f,r,A,ρ,λ)；式中，

f是实体对象集合上的一个映射γ:O→f，f=(f_k,i=1,2,…,K)为实体对象的操作序列集合，f_k表示实体对象O_k的操作序列，K表示系统包含的全部实体对象的个数，其具体形式可用一个SIPN模型表示，即在系统的第k(1≤k≤K)个实体对象的SIPN模型中，P_k={p_k1,p_k2…p_kn}是库所的有限集合，kn>0为库所的个数，在模型中的含意为实体对象生产过程中的过程状态；T_k={t_k1,t_k2…t_km}是变迁的有限集合，km>0为变迁的个数，指生产过程状态变化所应满足的条件；M_k,0为二进制初始标识，为模型的初始状态；F_k是当前网的流关系，指实体对象操作序列的逻辑顺序；I_k为逻辑输入信号集合，I_k={i_k1,i_k2…Li_k|I|}，且k|I|>0，指系统的传感器检测信号；O_k为逻辑输出信号集合，O_k={o_k1,o_k2,…o_k|O|}，且k|O|>0，指系统的执行器输出信号。为一映射，作为触发条件与变迁T_k一一对应，其是输入信号集I_k的布尔函数；ω_k=(ω_k1,ω_k2…Lω_kn)为一映射，对应库所P_k，为P_k的输出，指当前库所所表示运行状态时的执行器输出信号，Ω_k则是系统的输出函数，是所有库所输出ω_k的组合，指系统的执行器运行状态；

r是模型的结构，表示f集中元素之间的拓扑关系，

λ是一组逻辑输入信号集合，λ=(λ₁,λ₂…Lλ_|λ|)，是在所有逻辑输入信号中选取的一组特殊变量，是能够反映当前系统状态的最小变量组；

A是一函数矩阵，用于确定当前网的结构，其表达式为：A=[a_ij]_K×K

其中元素a_ij的值可以确定f集元素之间的拓扑结构，a_ij受系统功能结构特性的约束，本质上为f集元素之间拓扑结构的原模型，其意义为

ρ是在结构矩阵A上的一个映射η:A→ρ，是f集中元素之间信息传递关系的表达函数，其表达方式为

ρ=[ρ_ij]_K×K

ρ_ij是系统全部输入信号集I=λUI₁UI₂U…UI_K中元素的布尔函数；

5）确定控制流程模型Σ=(f,r,A,ρ,λ)的参数f、A、ρ和λ的具体形式，其中f为系统实体对象的操作序列集合；λ=(λ₁,λ₂…Lλ_|λ|)，确定λ的意义和组成，用于描述生产线的状态；A的元素a_ij是λ集合中信号的布尔函数，即a_ij=g(λ)，g(λ)为待确定的布尔函数。ρ的元素ρ_ij是输入信号集I=λUI₁UI₂U…UI_K中元素的布尔函数；

6）根据控制流程模型创建石膏砌块成型生产线。

进一步，步骤1）中所述功能划分的具体方法为：

1-1）按照石膏成型的整体工艺流程，根据原料的状态转化顺序：石膏粉料-混合浆料-石膏砌块，依次确定成型过程中的各功能模块；

1-2）将步骤1-1）得到的各功能模块继续细化，结合生产线所包含的灌注机台数，即成型流程组的数量，确定细化功能模块的数量，遵循结构模块功能最小原则，细化功能模块为独立功能单元，相互之间没有功能的交叉或耦合。

进一步，步骤3）中所述建立实体对象操作序列的监督控制器模型的具体方法为：

3-1）定义库所和变迁的具体含义；

3-2）确定实体对象运行时所有的检测信号，并以此作为监督控制器模型的逻辑输入信号；

3-3）确定实体对象运行时所有与执行机构和动作相关的驱动信号，并以此作为监督控制器模型的逻辑输出信号；

3-4）分析实体对象运行过程，确定库所和变迁的数量，建立库所和变迁的关系以表征实体对象运行时的逻辑顺序；

3-5）通过对实体对象的性能分析，确定各变迁的触发条件；

3-6）分析监督控制器模型，确定是否存在死锁现象，若存在，则转向步骤3-4），若不存在，则结束。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

鉴于Petri网针对离散事件动态系统的建模优点，本发明通过Petri网控制流程建模，再根据建立的模型创建石膏砌块生产线，优化石膏砌块生产线，简化生产线的构造，同时提高生产线的工作效率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为生产线结构功能划分示意图；

图2为操作序列与实体对象的映射示意图；

图3为粉料记录模块的操作序列模型图；

图4为控制流程的模型示意图；

图5为本发明创建生产线的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于Petri网控制流程建模的创建石膏砌块成型生产线方法，具体步骤如下：

1）对石膏砌块成型生产线结构进行功能划分，将生产线拆分为一个以上的独立功能单元；

2）对步骤1）中的独立功能单元，分别建立与之对应的映射关系，用于表示生产过程中各功能单元完成的相应操作序列；设O=(o₁,o₂…o_n)为石膏砌块成型生产线有限实体对象集合，每个对象均为功能划分之后的一个功能单元，f=(f₁,f₂…f_n)是实体对象集合O上的映射γ:O→f，f_i是实体对象o_i的操作序列；

3）利用信号解释Petri网原理，建立实体对象操作序列的监督控制器模型，用于描述实体对象运行操作序列过程中每一步操作的执行条件、执行动作和逻辑顺序；

监督控制器模型的工作机理为：变迁可以获取相关实体对象的传感信号，在一定条件下，库向实体对象的执行机构输出控制动作，以使能或冻结执行器，库所与变迁的拓扑关系反映了实体对象的运行流程，有效的模型可方便转化为顺序控制程序。

4）根据步骤1）至步骤3），建立基于Petri网的控制流程模型，石膏砌块成型生产线控制流程模型描述为Σ=(f,r,A,ρ,λ)；式中，

f是实体对象集合上的一个映射γ:O→f，f=(f_k,i=1,2,…,K)为实体对象的操作序列集合，f_k表示实体对象O_k的操作序列，K表示系统包含的全部实体对象的个数，其具体形式可用一个SIPN模型表示，即，在系统的第k(1≤k≤K)个实体对象的SIPN模型中，P_k={p_k1,p_k2…p_kn}是库所的有限集合，kn>0为库所的个数，在模型中的含意为实体对象生产过程中的过程状态；T_k={t_k1,t_k2…t_km}是变迁的有限集合，km>0为变迁的个数，指生产过程状态变化所应满足的条件；M_k,0为二进制初始标识，为模型的初始状态；F_k是当前网的流关系，指实体对象操作序列的逻辑顺序；I_k为逻辑输入信号集合，I_k={i_k1,i_k2…i_k|I|}，且k|I|>0，指系统的传感器检测信号；O_k为逻辑输出信号集合，O_k={o_k1,o_k2,…o_k|O|}，且k|O|>0，指系统的执行器输出信号。为一映射，作为触发条件与变迁T_k一一对应，其是输入信号集I_k的布尔函数；ω_k=(ω_k1,ω_k2…ω_kn)为一映射，对应库所P_k，为P_k的输出，指当前库所所表示运行状态时的执行器输出信号，Ω_k则是系统的输出函数，是所有库所输出ω_k的组合，指系统的执行器运行状态；

r是模型的结构，表示f集中元素之间的拓扑关系，

λ是一组逻辑输入信号集合，λ=(λ₁,λ₂…λ_|λ|)，是在所有逻辑输入信号中选取的一组特殊变量，是能够反映当前系统状态的最小变量组；

A是一函数矩阵，用于确定当前网的结构，其表达式为：A=[a_ij]_K×K

其中元素a_ij的值可以确定f集元素之间的拓扑结构，a_ij受系统功能结构特性的约束，本质上为f集元素之间拓扑结构的原模型，其意义为

ρ是在结构矩阵A上的一个映射η:A→ρ，是f集中元素之间信息传递关系的表达函数，其表达方式为

ρ=[ρ_ij]_K×K

ρ_ij是系统全部输入信号集I=λUI₁UI₂U…UI_K中元素的布尔函数；

生产线控制流程模型中包含了制造系统的物理组成内容，通过建立映射得出详细操作序列，通过定义一组有限变量集合表征制造系统的运行环境，通过定义变量及变量函数反映控制流程的具体形式，建立特定系统的控制流程模型，即根据此系统确定模型参数的过程。

5）确定控制流程模型Σ=(f,r,A,ρ,λ)的参数f、A、ρ和λ的具体形式，其中f为系统实体对象的操作序列集合；λ=(λ₁,λ₂…λ_|λ|)，确定λ的意义和组成，用于描述生产线的状态；A的元素a_ij是λ集合中信号的布尔函数，即a_ij=g(λ)，g(λ)为待确定的布尔函数。ρ的元素ρ_ij是输入信号集I=λUI₁UI₂U…UI_K中元素的布尔函数。

模型参数的确定是根据具体生产工艺和生产设备特点得出的，反映不同行业生产工艺及设备的一般特性，一般由专业技术人员得出。

6）根据控制流程模型创建石膏砌块成型生产线。模型参数确定后，生产线的功能要素得以详细描述，以此创建石膏砌块成型生产线。其中，f表述了实体对象的运行过程，为生产线的结构性质、功能特点、电气元器件的确定提供了支持，且f所包含的具体信息可为控制程序的开发提供依据；λ用于确定表征生产线状态的关键条件，其明确了生产线的核心功能要素；r体现了石膏砌块的生产工艺，其确定了生产线的运行顺序、节拍，并为确定生产线的安装布局提供了依据；A、ρ精确描述了各功能模块之间在不同运行流程中的逻辑顺序和表达关系，为生产线的控制系统开发提供直接支持。因此，模型确定了生产线的硬件组成部分及其之间的联系，确定了生产线控制系统中的输入、输出信号及其之间的逻辑关系、时序关系，从而创建石膏砌块成型生产线。

实施例：

步骤一：石膏砌块成型生产线结构功能模块的划分。

划分石膏砌块成型生产线的结构模块是基于模块最小功能原则，按照石膏成型原理和生产线特性，将生产线拆分成若干个独立的功能单元。对某石膏砌块成型生产线结构功能模块的划分情况如表1所示。

表1

步骤二：建立生产线结构功能模块的操作序列映射。

根据对生产线结构功能模块的划分，分别建立与之对应的一种映射关系，用于表示生产过程中相应功能模块的操作序列及相关辅助序列。根据步骤一，建立操作序列映射如表2所示。

表2

步骤三：建立结构功能模块的操作序列模型。

利用信号解释Petri网原理，对各功能模块的操作序列进行建模，按照上述步骤，首先建立石膏砌块成型生产线粉料计量模块的操作序列模型。现在定义库所表示粉料计量过程中的过程状态，变迁为状态转换的逻辑条件，其输入输出逻辑信号、输出输入函数等信息已统计列在表3和表4中，得出粉料计量模块的操作序列模型如图3所示。同理可以建立其他功能模块操作序列的模型。

表3

表4

步骤四：建立基于Petri网的控制流程模型。

石膏砌块成型生产线控制流程描述为Σ=(f,r,A,ρ,λ)，上述已经论述了各元素的详细定义。

步骤五：确定控制流程模型的参数。石膏砌块成型生产线控制流程的关系可以描述为Σ=(f,r,A,ρ,λ)，其可以与生产状态交互的关系主要体现为A、ρ和λ，依次确定模型参数。

1）f的确定。

通过步骤二得出f中的所有元素，如表2所示。

2）λ的确定。

经过对生产线长期运行情况的分析，得知模具状态是反映整体生产线的关键因素。因此，确定模具状态为表示石膏砌块成型生产线状态的信号变量，即

λ=(λ₁,λ₂,λ₃,λ₄)

具体意义为：若λ_i=1，则表示第i台模具正常，λ_i=0则表示第i台模具故障。

3）A的确定。

其中a_ij是λ集合中信号的布尔函数，即a_ij=g(λ)，为待确定的布尔函数。a_ij=1表示控制子流程f_i与控制子流程f_j存在拓扑关系，且f_i→f_j；若a_ij=0表示控制子流程f_i与控制子流程f_j不存在拓扑关系。

4）ρ的确定。

其中ρ_ij是控制子流程f_i与f_j的关系表达式，是系统全部输入信号集I=λUI₁UI₂U…UI₂₀中元素的布尔函数。

其中函数和ρ_ij的具体形式，可以由石膏砌块成型生产线的工艺和设备特点得出，对于固定的生产线，可以视为是已知条件，在此不再详细列出。

通过上述分析，石膏砌块成型生产线的控制流程模型已经通过5元组Σ=(f,r,A,ρ,λ)确定。其可以反映控制流程的变化机制和精确条件约束，可以根据生产线状态的变化，描述控制流程的变化过程和约束条件，并能对控制器的开发提供直接支持。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于Petri网控制流程建模的创建石膏砌块成型生产线方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)对石膏砌块成型生产线结构进行功能划分，将生产线拆分为一个以上的独立功能单元；

2)对步骤1)中的独立功能单元，分别建立与之对应的映射关系，用于表示生产过程中各功能单元完成的相应操作序列；设O＝(o₁,o₂…o_n)为石膏砌块成型生产线有限实体对象集合，每个对象均为功能划分之后的一个功能单元，f＝(f₁,f₂…f_n)是实体对象集合O上的映射γ:O→f，f_n是实体对象o_n的操作序列；

3)利用信号解释Petri网原理，建立实体对象操作序列的监督控制器模型，用于描述实体对象运行操作序列过程中每一步操作的执行条件、执行动作和逻辑顺序；

4)根据步骤1)至步骤3)，建立基于Petri网的控制流程模型，石膏砌块成型生产线控制流程模型描述为Σ＝(f,r,A,ρ,λ)；式中，

f是实体对象集合上的一个映射γ:O→f，f＝(f_k,k＝1,2,…,K)为实体对象的操作序列集合，f_k表示实体对象O_k的操作序列，K表示系统包含的全部实体对象的个数，其具体形式可用一个SIPN模型表示，即在系统的第k个实体对象的SIPN模型中，1≤k≤K，P_k＝{p_k1,p_k2…p_kn}是库所的有限集合，kn>0为库所的个数，在模型中的含意为实体对象生产过程中的过程状态；T_k＝{t_k1,t_k2…t_km}是变迁的有限集合，km>0为变迁的个数，指生产过程状态变化所应满足的条件；M_k,0为二进制初始标识，为模型的初始状态；F_k是当前网的流关系，指实体对象操作序列的逻辑顺序；I_k为第k个实体对象逻辑输入信号集合，I_k＝{i_k1,i_k2…i_k|I|}，且k|I|>0，指实体对象的传感器检测信号；O_k为实体对象逻辑输出信号集合，O_k＝{o_k1,o_k2,…o_k|O|}，且k|O|>0，指实体对象的执行器输出信号；为一映射，作为触发条件与变迁T_k一一对应，其是I_k的布尔函数；ω_k＝(ω_k1,ω_k2…ω_kn)为一映射，对应库所P_k，为P_k的输出，指当前库所表示运行状态时的执行器输出信号，Ω_k则是实体对象的输出函数，是所有库所输出ω_k的组合，指实体对象的执行器运行状态；

r是模型的结构，表示f集中元素之间的拓扑关系，

λ是一组逻辑输入信号集合，λ＝(λ₁,λ₂…λ_|λ|)，是在所有逻辑输入信号中选取的一组特殊变量，是能够反映当前实体对象状态的最小变量组；

A是一函数矩阵，用于确定当前网的结构，其表达式为：A＝[a_ij]_K×K

其中元素a_ij的值可以确定f集元素之间的拓扑结构，a_ij受系统功能结构特性的约束，a_ij是λ集合中信号的布尔函数，本质上为f集元素之间拓扑结构的原模型，其意义为

ρ是在结构矩阵A上的一个映射η:A→ρ，是f集中元素之间信息传递关系的表达函数，其表达方式为

ρ＝[ρ_ij]_K×K

ρ_ij是全部实体对象输入信号集I＝λ∪I₁∪I₂∪…∪I_K中元素的布尔函数；

5)确定控制流程模型Σ＝(f,r,A,ρ,λ)的参数f、A、ρ和λ的具体形式；

6)根据控制流程模型创建石膏砌块成型生产线。

2.如权利要求1所述的基于Petri网控制流程建模的创建石膏砌块成型生产线方法，其特征在于，步骤1)中所述功能划分的具体方法为：

1-1)按照石膏成型的整体工艺流程，根据原料的状态转化顺序：石膏粉料-混合浆料-石膏砌块，依次确定成型过程中的各功能模块；

1-2)将步骤1-1)得到的各功能模块继续细化，结合生产线所包含的灌注机台数，即成型流程组的数量，确定细化功能模块的数量，遵循结构模块功能最小原则，细化功能模块为独立功能单元，相互之间没有功能的交叉或耦合。

3.如权利要求1所述的基于Petri网控制流程建模的创建石膏砌块成型生产线方法，其特征在于，步骤3)中所述建立实体对象操作序列的监督控制器模型的具体方法为：

3-1)定义库所和变迁的具体含义；

3-2)确定实体对象运行时所有的检测信号，并以此作为监督控制器模型的逻辑输入信号；

3-3)确定实体对象运行时所有与执行机构和动作相关的驱动信号，并以此作为监督控制器模型的逻辑输出信号；

3-4)分析实体对象运行过程，确定库所和变迁的数量，建立库所和变迁的关系以表征实体对象运行时的逻辑顺序；

3-5)通过对实体对象的性能分析，确定各变迁的触发条件；

3-6)分析监督控制器模型，确定是否存在死锁现象，若存在，则转向步骤3-4)，若不存在，则结束。