[发明专利]一种将可编程逻辑控制器程序转换为普通Petri网的方法

说明书

技术领域

本发明涉及可编程逻辑控制器(PLC)程序的数学建模方法，是PLC程序仿真和验证的有力工具，尤其是一种将可编程逻辑控制器程序转换为普通Petri网的方法。

技术背景

可编程逻辑控制器(PLC)是工业控制系统中典型的控制器硬件，广泛地应用于钢铁、石油、化工、电力和交通系统的监控。而PLC程序的开发面临高复杂性难题：在现场总线技术的支持下，工业控制系统规模和结构复杂性增长迅速，比如地铁交通控制系统和核电控制系统等等，而系统的状态个数随传感器和执行机构的数目呈指数级增长，仅由5辆自动导航车辆组成的物流系统的状态就达数百万之巨，因此PLC程序设计面临与生俱来的高计算复杂性。

而高计算复杂性带来两大工程问题：(1)程序设计和调试工作量繁琐和巨大，程序开发周期和开发成本难于控制；(2)传统程序调试无法验证每个状态(状态数指数级增长)，无法保证程序的正确性和可靠性，而程序出错可能造成严重事故，比如列车相撞、欧洲亚利安娜5号火箭爆炸和美国Threc-5放射性医疗事故等。

为了克服上述工程问题，需要开发PLC程序仿真和软件验证方法，利用计算机来完成程序仿真和验证工作，降低程序开发成本，保证程序的正确性和可靠性。因此，需要将PLC程序模拟为计算机数学模型，即将PLC程序指令转换为一种计算机数学模型-Petri网，以Petri网为工具对PLC程序进行仿真和验证。(Petri网是1960年代德国科学家卡尔·A·佩特里发明的，适合于模拟异步的、并发的动态系统，既有严格的数学表述方式，又有直观的图形表达方式。)

目前已经报道的方法是给出了将单个指令或简单的梯形图程序转换为扩展Petri网的方法，无法自动转换普通的梯形图程序，在实际模拟转换梯形图程序时需要列出大量的逻辑关系式，增加了工作量，而且扩展Petri网的行为分析比较复杂，反而加大了出现错误的可能性；还有一种方法是用扩展Petri网的结构元素去描述PLC梯形图的基本逻辑指令，进而完成PLC梯形图语言的转换。这种方法的关键是把变迁定义为一个特定事件，但是从逻辑层面上分析，整个网结构的运行并没有比PLC梯形图程序更简单，而且Petri网结构在模拟仿真时也不能自行运转。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现可编程逻辑控制器程序自动转换为普通Petri网的方法，以供计算机来完成PLC程序仿真和验证工作，降低程序开发成本，保证程序的正确性和可靠性。

本发明一种将可编程逻辑控制器程序转换为普通Petri网的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将PLC梯形图中左母线、右母线和包括触点、开关、辅助继电器或线圈的开关量模拟为结点，并且左、右母线和开关量与结点一一对应，得到结点集合V＝{v_l，v_r，v₁，v₂，L，v_m}，其中v_l表示左母线，v_r表示右母线，m表示开关量的个数；将左母线、右母线和开关量之间的导线模拟为有向边，得到有向边集合E＝{e₁，e₂，L，e_n}，其中任意e＝(v_x，v_y)，v_x对应靠近左母线的母线或开关，v_y对应靠近右母线的母线或开关，n是有向边的个数，从而获得PLC梯形图的有向图模型G＝<V，E>；

步骤2、计算Petri网的库所集

在PLC有向图中，将除母线对应的结点之外的全部结点v₁，v₂，L，v_m模拟为2m个库所，其中每个结点v_i(1≤i≤m)对应真库所p_ion和假库所p_ioff，所得库所组成Petri网的库所集

步骤3、设定Petri网的初始标识m₀：

显然，m₀(p_ion)+m₀(p_ioff)＝1；

步骤4、在PLC有向图中，定义与右母线结点相邻的赋值结点集合，赋值结点集合V_o＝{v∈V/(v，v_r)∈E}，定义与左母线相邻的起始结点集合，起始结点集合V_b＝{v∈V/(v_l，v)∈E}；