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支持混流生产的可重组逻辑控制器设计方法

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资料介绍

针对可重组制造系统混流生产、快速重组的特点,提出了一种基于Petri网的可重组模块化逻辑控制器设计方法.该控制器包括产品决策逻辑控制器和加工设备逻辑控制器,通过施加不同的条件变量,以明确相互之间的时序关系,并给出了相应的模块连接算法,产品变化通过变量调整可快速重组逻辑控制器.由Petri网自身特性证明,支持混流生产的可重组模块化逻辑控制器是活性、安全和可逆的,可直接转换为用于工业现场控制的顺序功能流程图.实际应用证明,该控制器具有高度模块化、易于重构、支持混流的特点.

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计算机集成制造系统

Integrated Manufacturing Systems

Computer

V01．14 No．5

0 0 8

第14卷第5期

2 00

8年5月

May

文章编号：1006—5911(2008)05--0842--07

支持混流生产的可重组逻辑控制器设计方法

谢楠1，李爱平2，尤建新1

200092)

(1．同济大学经济与管理学院，上海 200092，2．同济大学现代制造技术研究所，上海

摘要：针对可重组制造系统混流生产、快速重组的特点，提出了一种基于Petri网的可重组模块化逻辑控制

器设计方法。该控制器包括产品决策逻辑控制器和加工设备逻辑控制器，通过施加不同的条件变量，以明确相互

之间的时序关系，并给出了相应的模块连接算法，产品变化通过变量调整可快速重组逻辑控制器。由Petri网自身

特性证明，支持混流生产的可重组模块化逻辑控制器是活性、安全和可逆的，可直接转换为用于工业现场控制的顺

序功能流程图。实际应用证明，该控制器具有高度模块化、易于重构、支持混流的特点。

关键词：逻辑控制；模块化逻辑控制器；Petri网；可重组制造系统

中图分类号：TP311．5

文献标识码：A

controller for

hybrid production

Design methodology

reconfigurable logic

XIE

Nanl，LI

2。YOU Jian-xinl

Ai—ping

(1．School

Economics＆Management，Tongji University，Shanghai 200092，China；

2．Institute of Advanced

200092，China)

Manufacturing Technology，Tongji University，Shanghai

at characteristics of

and

Abstract：Aiming

Reconfigurable Manufacturing System(RMS)such

production

Modular Controller(RM—

Logic

hybrid

based on Petri nets for

quick reconfiguration，a design methodology

controller included

Reconfigurable

LC)was

decision

controller and machine

logic logic controller．Sequen—

presented．This

product

tial

modulesof the controllers were defined

different conditional variables．Connection

relationships among

algo-

rithm for moduleswas also _{proposed，and}RMLCcould be

variable

quickly reconfigured by

adjustment

according

the

was

that RMLC was live，safe and reversible．Moreover。RMLC could be

product changes．It

proved

directly

used in industrial control

widely area．Finally，

transformed into

Function

which was

Sequential

presented

Control(SFC)graph

that RMLCwas

was

and

highly modular，easily reeonfigurable provided strong sup-

example

verify

for

port

hybrid production．

Keywords：logic control；modular logic controller；Petri nets；reconfigurable manufacturing system

系统，其特点表现为制造系统的组元(结构化的元

件、主轴、控制器、软件、夹具及刀具等)可升级，组态

(物理构形)可调整[2q]。混流生产是以顾客需求为

导向，实现生产平台的通用化，零部件的适度通用化

和设备的模块化。因此，支持混流生产的可重组制

造系统逻辑控制器必须满足以下条件：①模块化、开

引言

为适应用户需求的多样化和产品更新换代的加

快，美国密歇根大学Koren教授等首先提出了可重

组制造系统‘1。。可重组制造系统是指一种对市场需

求变化具有快速响应能力的可重新构形的可变制造

收稿日期：2007—07—05I修订日期：2007—10—28。Received

28 Oct．2007．

July 2007Iaccepted

the

基金项目：国家863计划资助项目(2007AA042002)}中国博士后科学基金资助项目(20070420669)．Foundation item：Project supportedby

National the Postdoctoral Science Foundation，China(No．

High-Tech．R&D Program，China(No．2007AA042002)，and

20070420669)．

作者简介：谢楠(1975一)，女，江苏常州人，同济大学经济与管理学院博士后，主要从事制造系统及自动化的研究。

E-mail：xienanl ．corn。

万方数据

843

第5期

谢楠等：支持混流生产的可重组逻辑控制器设计方法

Controller，PLC)实现。PLC硬

grammable Logic

放式结构，并满足生产系统各个构件的集成、扩充、

重置、重用；②可支持多品种混流生产；③能方便地

采用形式化方法，检验可重组制造系统是否满足无

死锁等约束条件。

件部分由中央处理单元(CPU)和存储器组成，CPU

执行控制程序，存储器存储输入、输出和内部的变

量。输入变量由传感器或操作员命令输入，输出变

量输出至执行机构和相应的显示设备。可重组制造

系统的逻辑控制器具有多种工作方式，可以支持不

同产品的混流生产。为了能够正确加工不同的产

品，逻辑控制器必须实时跟踪到加工系统在加工不

同产品下的工作状态，并采用内部变量，记录加工系

统的不同状态。

普通的逻辑控制器设计方式(如采用基于

IEC61131—3的传统逻辑控制设计语言)，由于交互

移植性差，分析方面缺乏有力的数学支撑，受到很大

的限制。为确保制造系统控制器设计方法的有效

性，国内外很多学者都基于制造系统是一类典型的

离散事件动态系统来进行逻辑控制器的设计，其中

Petri网作为描述离散事件动态系统的有力工具，得

到了广泛使用。

由于可重组制造系统的逻辑控制器是一种事件

驱动系统，具有典型的异步、并发和顺序关系，而

Petri网作为一种形式化的描述方法，非常适合于建

模分析，并且逻辑控制器的正确性可以通过Petri

网自身属性的分析得到验证。

文献E41提出了基于Petri网的逻辑控制器增

量模式设计方法，该方法能保证系统活性并具有部

分修复功能。文献[5]将出错恢复Petri子网用于

实时的出错处理，可实时地增删控制器的出错恢复

路径。文献[6]采用整数规划技术和Petri网相结

合，对监控系统进行验证。文献[7]采用Petri网分

析了控制系统的死锁问题，并研究了避免死锁的方

法。文献[8]提出了自顶向下的控制器设计方法，该

方法采用基于层次结构逐步分解技术和模块化的逻

辑控制器图形化表示工具[9]，并对所设计的控制器

进行死锁等性能的验证。文献[10]和文献[11]采用

基于信号解释Petri网的控制器分析和设计方法，

利用层次化、模块化和接口技术将控制器规划为开

放的体系结构，确定了可达图和化简技术结合的模

型分析方法，并分析了其重构能力。文献E12]提出

了基于事件的模块化控制器设计方法，并进行了系

统分析，通过加入时间特性，可方便地计算出系统生

产周期和瓶颈工位的时间。该模块化方法给控制器

的快速重组设计带来了一定的便利，但上述研究并

未考虑可重组制造系统混流生产的特点。

1．1

Petri网

基本Petri网是一个四元组[131，PN=(P，T，I，

o)。其中：P={P-，P2，，只)是库所的有限集合，

挖>0为库所的个数；T一{t，，tz，，t。)是变迁的有

限集合，77z>0为变迁的个数，且满足Pn T一0，P

UT≠p；j P× T—N是输入函数，定义了从P到

T的有向弧的重复数或权的集合，这里N一{0，1，

)为非负整数集；0：TXP—N是输出函数，定义

了从T到P的有向弧的重复数或权的集合。

点火规则：一变迁t T在标识m下使能，当且

仅当VP t ^lm(p) I(p，￡)。

在标识m下使能的变迁t的激发将产生新标识

m_{7：VP P}m_{7(户)一m(夕)一I(p，￡)+O(p，￡)。}

若从初始标记优。开始激发一个变迁序列，产

生标识m，，则称m，是从m。可达的；若从优。开始

只要激发一个变迁即可产生m，，则称m，是从m。立

即可达。所有从优。可达的标识的集合，称为可达

标识集或可达集，记为R(m。)。

本文结合可重组制造系统多品种、变批量、混流

生产的特点，提出了基于Petri网的支持混流生产

的可重组模块化逻辑控制器设计方法，证明了该控

制器的性能，并给出其扩展和重构方式，最后验证了

该设计方法的便利性和有效性。

对于一变迁t T，在任一标识m R下，若存

在某一变迁序列跏该变迁序列的激发使得此变迁t

使能，则称该变迁是活的。若一个Petri网的所有

变迁都是活的，则该Petri网是活的。

一个Petri网是可逆的，若对于每一标识m R

(m。)，m。 R(优)。标识m， R(m。)称为主宿状态，

若Vm R(优。)，m，是从m可达的。

1支持混流生产的可重组逻辑控制器

通常逻辑控制器由可编程逻辑控制器(Pro-

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