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一种离散事件系统监控的PLC实现方法
摘要 - 本文面临着协调设备运行的问题，该系统由多个子系统组成，包括机器人，装配机，数控车床和铣床。这种系统存在两个主要问题。第一个是考虑到自己的传感器，执行器和专用控制器来控制每个单独的子系统，以执行一定的活动顺序。由于他们的专业知识和/或正式方法的应用，可编程逻辑控制器（PLC）从业者和设备制造商开发了有效和安全的解决方案来解决这个问题。第二个问题是协调这些子系统的并发操作，目的是尽可能有效地生成所请求的内容，并保证系统的完整性和安全性。监督控制理论（SCT）特别适合这个问题。本文介绍了一种方法，允许设计人员系统地将SCT的结果转换为PLC应用程序。由此产生的程序符合IEC 61131-3标准，并保留了要控制的系统的自然模块性和控制规范。该方法的扩展允许设计者通过与SCT解决方案相对应的代码轻松集成来重用现有的PLC硬件和设计用于控制设备的应用程序。甚至可以自动生成此代码的主要部分，从而减少开发时间并最大限度地减少编辑错误。
关键词 - 控制实现方法，离散事件系统，IEC 61131-3，可编程逻辑控制器（PLC），监督控制理论（SCT）。
1.介绍
PROGRAMMABLE逻辑控制器（PLC）是工业自动化和批量生产的主要工具，用于控制简单设备和协调机器人和制造单元。目前开发工业系统控制的实践是基于概率的非正式描述，然后是实施经验获得的解决方案。正式方法在控制器综合和PLC应用程序中的应用由于与高质量解决方案，功能安全性，开发时间缩短，PLC代码适应性和可重用性以及控制分布相关的控制问题日益复杂，开发变得至关重要。编程PLC基于国际电工委员会（IEC）61131标准。这是[1] - [8]中演示的情景。Darabi等。[9]高和莱茵哈特[10]试图找出理论与实践之间差距的原因，同时提出弥合这一差距的方案。Ljungkrantz等人。[6]讨论了几个旨在开发灵活的操作控制程序和自动生成PLC代码的框架，但尽管这些学术框架具有潜在的好处，但它们还没有被报道用于全面的工业项目。一个障碍是实际生成的代码通常必须手工修改并与工业中已存在的工作代码集成。
在工业系统中可以解决几类控制问题。例如，考虑一个灵活的制造系统（FMS），它由几个子系统组成，如机器人，CNC车床和铣床，装配机和存储系统。一类问题是考虑到其自身的传感器，致动器和专用控制器来控制每个单独的子系统以执行一系列活动。PLC从业者和设备制造商基于他们的专业知识和/或正式方法的应用，为这类问题开发有效且安全的解决方案。Darabi等人进行的研究。[9]总结了可以应用于这类问题的PLC形式方法的工业和学术实践的最新方法。另一类问题是协调这些子系统的并发操作，以尽可能有效地生成所请求的内容，同时保证完整性和系统的安全性。监督控制理论（SCT）[11]是一种特别适合这类问题的形式化方法，但跨越基于事件的异步自动机世界和基于同步信号的PLC世界之间的桥梁[12]需要适当的建模方法和控制实施。此外，控制每个子系统的现有解决方案（即PLC硬件和应用程序）以及获取它们的专业知识不能通过应用忽视其存在的方法而被简单地丢弃，并迫使设计者从零开发整个解决方案;必须将它们纳入并与解决协调问题的方法相结合。
我们将监督控制架构（SCA）指定为一种安排受控系统的方式（例如，传感器和控制器）FMS的子系统的执行器和从SCT获得的控制策略到控制系统，通常是PLC。文献提出了实施方法和案例研究。启动和启发这项工作的开创性工作是[12] - [21]。该研究课题仍在调查中。鉴于[22]和[23]提出了在梯形图中生成PLC应用程序的实现方法，[24]提出了一个案例研究，其中SCT应用于协调主题公园车辆的子系统，其中系统和控制问题被分解如前一段所述，采用基于模型的工程原理。本文的贡献主要是一种方法的详细介绍，该方法允许设计人员系统地转换从SCT获得的结果，以协调PLC应用程序中子系统的并发操作程序，实施特定的SCA。
该方法的应用允许设计者正确且容易地将用于协调问题的SCT解决方案与用于单独控制每个子系统的现有解决方案集成。所提出的方法仅限于整个解决方案在单个控制器（PLC）中实现的情况。允许控制分配以便重新使用为每个子系统单独控制而获得的现有解决方案（即PLC硬件和应用程序）的扩展留待将来发布。
该方法枚举并详述了如何获得PLC应用程序的组件[即程序组织单元（POU）和变量]及其关系。由此产生的程序符合国际标准IEC 61131-3 [25];它还保留了要控制的系统的自然模块性和主管的模块化。在修改系统设置或控制规范的情况下，它很容易适应。可以开发一个可以自动生成应用程序主要部分的编译器。该方法已被证明适用于控制具有制造业特征的系统，如[26] - [31]所示。
本文的其余部分安排如下。第二节回顾了SCT的基本原理。第三节介绍了一个应用实例，用于说明实现方法的主要方面。第四节正式提出了SCA。第五节提供了实施方法的深入视图，介绍了获取PLC代码所需的系统程序。第VI节介绍了顺序功能图（SFC）执行的相关方面。第七节介绍了该方法的讨论，为未来的研究提供了方向。
2.监督控制理论
本节回顾了SCT的基本方面[11]及其一个扩展，称为局部模块控制（LMC）方法[32]，它们是应用实现方法所必需的。
根据LMC，整个系统必须分解为几个独立的子系统，每个子系统的行为必须在高级抽象模型下建模通过相应的自动机模型。这导致设定其中表示个子系统，每个自动机由五元组Gi （LGi，QGi，delta;Gi，q0Gi，QGi）表示，其中LGi 是字母表(即,集)事件、QGi集州delta;Gi: (QGixGi)→QGi状态转换函数，通常是部分的定义q0Gi为初始状态，QGi为初始状态msube;QGi是集标记的状态。状态转换函数的出现可以表示为三个数组(q,sigma;,问),也就是说,delta;Gx (q,sigma;)= q。整个系统的模型是一个产品系统表示(PSR)，它是一组异步的其中，{Gi|iisin;i}中的所有对子系统都具有脱节的字母表。
通过执行同步来获得整个系统（即，全局工厂）的不协调（即，开环）行为。
所有子系统的nous乘积为G = ||forall;iisin;I Gi，整个事件集为L forall;iisin;I LGi。与G相关的语言有两种:封闭(L(G))和标记(Lm(G))。L (G)由G生成的所有事件序列的集合。Lm (G)sube;L (G)是所有事件序列的集合标记G的状态，每一个对应一个已完成的状态系统的任务。L(G)中的几个序列是不可取的必须通过控制代理的动作来避免。一组必须建立控制规范来协调子系统的并发操作。这些规范是由集合{Ej| jisin;j}中的自动机表示，其中jisin;J表示每个规范。SCT定义了事件可控性。将事件集划分为可控(Lc)和无法控制的事件(Luc)。事件是可控的(即控制代理)可以禁用它的发生。考虑{Gi|iisin;i}中的一个子系统，Gic表示它的集合可控事件与Gi加州大学的一系列无法控制的事件。整个组可控事件c = cup;forall;iisin;I Gic 。
在一个整体的方法中，一个单一的全局管理器被合成来执行所有的控制规范。在[11]和[33]中建立了监管者存在的必要和充分条件。主管是一个从G的封闭的语言映射到一个子集的事件启用(L (G)吗? 2)。主管可能由一个自动机和一个输出地图(S = (S)),在S = (q0处,年代,QS,年代,QSm)。自动机是由发生在工厂中的事件驱动的，输出映射:QS→2c指定了可控事件的子集，这些可控事件必须是自动机活动状态的结果。管理者的行为包括禁用可控事件和取消事件序列的标记。自动机S G / G代表theoptimum行为的监督下,whereL (S / G)sube;L (G)和Lm (S / G)sube;(L (S / G)cap;Lm (G))。当Lm(S/G)是(L(S/G)cap;Lm(G)的一个适当子集时，S就是一个标记管理器。表示管理程序的自动机通常是自动机S/G本身。一些研究人员已经解决了主管的[34]，[35]的减少。在管理器S中减少导致it asS = (Sr, r)的可能表示，其中自动机Sr的状态数小于S/G，并且减少不会影响管理器的控制动作。根据LMC的说法，不是合成一个满足整套规范的全局主管，必须为每个规范综合一个本地主管在{Ej| jisin;j}中。这将导致一组本地监控器{Sj| jisin;j}。综合考虑了一个局部监控器(Sj)相关规范(Ej)和本地工厂(Glj)。一个当地的的同步乘积得到的只有那些子系统与相关子系统共享一些事件规范。如果集合{Sj| jisin;j}中至少有一个本地管理器禁用一个事件，然后在G. Automaton S/Glj中禁用它表示局部植物Glj的最优行为对当地相关主管Sj的监督。自动机S / Gg表示整体下全局工厂的行为监督。
在LMC下合成整组本地监控器的计算复杂度小于在单片方法下合成单个全局监控器的计算复杂度。每个自动机S / G1j 通常具有比自动机S / Gg少得多的状态。这一事实使每个地方主管的减少成为可能;由于还原过程的计算复杂性，单个全局监督者的减少可能是不可行的。
LMC的限制是即使每个模块化管理程序（MS）都是非阻塞的，在所有本地管理员的作用下获得的行为也可能无法是非阻塞的。在综合所有地方监督员之后，有必要核实他们的控制行动是否没有冲突。完成这一途径确认S / Gg = | |forall;jisin;j S / Glj。在最坏的情况下，这种验证所涉及的复杂性与全局管理器[32]的合成过程相同。如果验证了此属性，则在整个局部监控器的作用下获得的行为与在全局监控器的作用下获得的行为相同。Hill等人，包括[36]，提出了如何进行，如果这样的属性没有得到验证。
3.应用实例
图1中所示的制造单元是教学模块化生产系统（MPS）。该系统由四位圆形旋转台（M0），分级机和运输装置（M1），钻孔机（M2），测试装置（M3），机器人操纵器（M4）和进给装置组成。 （M5）。
图1 MPS的抽象表示
进给装置接收来自料盒B1的原料并将它们输送到位置P0的分级器和运输装置，其中超尺寸的碎片被排出到料盒B2中并且被接收的件被转移到P1位置的圆桌。接受的部件在位置P2处钻孔并且分别由钻孔机和测试装置在位置P3处测试。通过机器人操纵器从位置P4处的圆形台检索这些片，然后存储。有一个存储杂志用于批准的部件（杂志B3），另一个用于那些未经测试设备批准的杂志（杂志B4）。
应用本文提出的实现方法需要适当的系统建模概念。通过数学模型表示FMS必须采用高级抽象。整个系统必须分解为几个独立的子系统，每个子系统与特定的设备（机器人，CNC车床，装配机等）唯一关联。
设计人员必须确定表示每个子系统行为所必需的最小状态集。只应采用从这些状态转变的事件。在这种方法下，事件代表影响相应子系统行为的现象，例如，操作的开始和结束以及故障或修复的发生。应用这种建模概念，所使用的事件将始终只与一件设备相关联，自然会产生PSR。考虑到FMS，只要有可能推迟，就表示设备操作开始的事件是可控制的。表示操作成功结束或操作失败，甚至修理设备的事件被认为是不可控制的事件，因为控制法无法避免其发生。参考文献[30]提供了有关此建模概念的详细信息。
SCT是用于合成控制器的正式工具。它提供了一组监督者，其目的是通过根据执行的事件序列禁用可控事件的子集来协调若干子系统的并发操作。在监督者的合成中使用的一组控制规范必须限于旨在协调不同子系统的并发行为的那些。
通常，系统分解越细，表示每个子系统的自动机越详细，那么整个系统的性能就越高效。然而，模型的状态空间的增长是关于许多子系统和状态的指数，因此在太详细的模型中，超合成可能变得不可行。此外，模型必须抽象由于事件的发生而要执行的活动细节。它还必须抽象PLC与传感器和执行器之间交换的信号。
控制单个子系统的操作需要根据触发命令和从其传感器接收的信号向其致动器发送信号。这是一种低级控制。在本文提出的实现方法中，这是由操作程序（OP）执行的，详细描述了在建模阶段采用的所有抽象。更高级别的控制包括协调多个子系统的并发操作，因此全局行为尽可能最有效和最安全，以及非阻塞。这个实现方法为此目的采用SCT。
在本文中，PSR {Gi i 我和我在一起 0, ... , 5}事件和状态的语义。拦截连接两个状态的弧的线表示该事件是可控的。提出了九种控制规范来协调这一点
PSR，包括以下内容。
- Ea - 防止工作台的旋转，至少在P1处没有粗糙的部件，P2处的钻孔部件或P3处的测试部件。
- Ec1 - 防止以下情况：P1处的两个或更多粗糙部件，在P2处开始钻孔而没有粗糙部件，并且在P2处用非钻孔件旋转工作台。
由于空间不足，无法提供所有控制规格。参考文献[37]提供了该应用示例的全部细节。
表II总结了通过应用LMC和单片方法获得的结果。应用LMC会产生9个MS。减少状态数的总和如图2所示，表示MPS。表I给出了这九个本地监督者的表示结果为29，而单片监督员表示减少的状态数等于362.考虑到PLC所需的记忆，这是一个重要的结果。图3显示了对应于Ea 和Ec1的监督者Sa （Sa，lt;1a）和Sc1 （S<e
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