A Petri-net based distributed monitoring system using PIC microcontrollers

1. Introduction

Microcontrollers are being developed with increasing processing power and flexibility. This has encouraged their use in areas where computer based systems previously represented the best available choice. One such area is process and condition monitoring (PCM). This work outlines developments using microcontrollers that will offer low-cost alternatives to previously deployed PCM systems. It is hoped that the availability and functionality of these systems will stimulate their deployment in areas that have previously been reluctant to consider their use due to the high costs involved.

PCM will be increasingly used to meet demands for lower cost and more effective manufacturing. The complexity represented by modern manufacturing systems calls out for the use of online and real-time monitoring technologies to enable critical parts of the process to be assessed and to ensure that adequate actions can be taken in a planned way. The use of Internet based (remote) monitoring strategies is also becoming a key factor when considering global manufacturing. This relatively new scenario has led machine manufacturers to review the tasks related to the provision of support to their customers, forcing them to provide new machine developments with features that include, for example, the ability to undertake remote fault analysis. However, cost is still a factor that has prevented the use of PCM technology on a larger scale. It is proposed here that Microcontrollers, supported by technologies such as industrial networks, can provide online and real-time capabilities at a much lower cost.

Many processes may be described as a logical sequence of events. This has led the authors, among others, to the development and use of Petri-nets as a tool for PCM. Details of the work previously undertaken by the authors can also be accessed via the IPMM research group web page.

The new approach presented in this work is centred upon the development and implementation of a Petri-net based monitoring structure employing PIC microcontrollers rather than the previously utilised PCs. The paper considers, , the configuration of the PIC based system and the monitoring and connectivity aspects developed to support this new implementation. This section also introduces the concepts of the Petri-net based approach to process monitoring. An outline of the way in which the elements of the Petri-nets are utilised is described. This section also considers the operation of the monitoring system using a CNC machining centre tool- changer as a Case Study. The paper finally considers,, the advantages associated with these develop- ments and the direction that future research may take.

The aim is to offer a low-cost alternative for process and machine monitoring thus making the technology more accessible. Additional benefits arise since these develop- ments are based upon microcontroller technology that does not demand a large number of peripheral components and can be installed and operated close to the process.

2. System configuration

The primary requirements of the system are to follow the process events and store them in a database for further analysis. To achieve this the Monitoring System was developed based upon the structure.

The Monitoring Module captures the process signals and operates the Petri-net representing the process, while recording the relevant events. The Connectivity Module provides an Internet link that is necessary to enable process events to be delivered to a remote location. The Monitoring and Connectivity Modules exchange their data through a Control Area Network (CAN) bus. Finally, the Management Application provides the necessary interface between the monitoring task and the database system. These elements will be discussed in detail in the following sections.

2.1. Monitoring module

The Monitoring Module carries out the task of process monitoring. It is based on a PIC18C452 microcontroller, supported by a Microchip MCP2510 controller to implement a CAN bus node, thus providing data communi- cation capabilities.

The PIC family of microcontrollers represent a low-cost and low-power consumption alternative. The selection of the PIC18C452 was made based on the amount of available data and program memory. Its instruction set is based on 16 bit wide instructions and includes data table manipulation capabilities.

In order to combine simple hardware design and improved system capabilities, each Monitoring Module allows up to three digital cards (with eight optocouplers each) to be attached, all sharing the same microcontrollerrsquo;s digital input port. No additional components were required, since the optocouplers are three-state output devices, and are fully compatible with the microcontroller electrical levels. The implementation requires three of the microcon- trollerrsquo;s digital output lines to select the appropriate digital card. Special attention was given when selecting the optocouplers, ensuring fast response times and therefore high performance when updating the digital inputs. Another concern was the fact that monitoring in this approach is intended to be based on the existing process signals. Low input current was thus a further requirement for the optocouplers, minimising the risk of affecting the signal source. The integrated circuit HCPL-2200 was used in this implementation. A digital output was implemented in the Monitoring Module in order to provide means to generate a system indication that can be associated with selected events. Analogue and pulse inputs are also implemented, thus allowing other sorts of signals to be monitored.

To support data communication requirements, each Monitoring Module is provided with a Microchip MCP2510 CAN controller, allowing the implementation of a CAN bus node. This integrated circuit i

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于Petri网的采用PIC单片机的分布式监控系统

1.介绍

微控制器处于不断发展中，且处理能力和灵活性都越来越高。 这激励他们在最佳可用选择的计算机系统领域中的使用。其中一个领域是过程和状态监测（PCM）。 这项工作概述了使用将为以前部署的PCM系统提供低成本替代方案的微控制器的开发。 希望这些系统的可用性和功能将会在之前由于所涉及的高昂成本而不愿意考虑使用这些系统的地区进行部署。

PCM将越来越多地用于满足低成本和更有效的制造需求。现代制造系统所代表的复杂性要求使用在线和实时监测技术，对过程的关键部分进行评估，并确保有计划地采取适当的行动。使用基于互联网的（远程）监控策略也成为考虑全球制造的一个关键因素。这种相对较新的情况使得机器制造商能够审查并向客户提供支持相关的任务，迫使他们提供新的机器发展的功能，例如进行远程故障分析的能力。然而，成本仍然是阻止PCM技术发展的一个因素。这里提出的是，由工业网络等技术支持的微控制器可以以更低的成本提供在线和实时功能。

许多过程可以被描述为事件的逻辑顺序。这导致作者等人将Petri网的开发和使用作为PCM的工具。这项工作的细节也可以通过网页访问技术研究组来进行证实。

这项工作提出的新方法集中在采用PIC微控制器而不是以前使用的基于PC的Petri网监控结构的开发和实施。本文考虑了基于PIC的系统的配置以及开发支持这一新实现的监控和连接方面，另外还介绍了基于Petri网的过程监控方法的概念，描述了Petri网的元素加以利用的方式，考虑了使用数控加工中心换刀器的监控系统的运行情况。最后本文考虑了与这些发展相关的优势以及未来研究可能采取的方向。

我们的目标是提供一个低成本的替代工艺和机器监控，从而使技术更容易。由于这些开发是基于微控制器技术，不需要大量外设组件并且可以靠近该过程安装和操作，因此能建立起其他优势。

2.系统配置

系统的主要要求是遵循流程事件并将其存储在数据库中进行进一步分析。为了实现这一点，监测系统是基于结构开发的。

监控模块捕获过程信号并操作表示过程的Petri网，同时记录相关事件。连接模块提供了将流程事件传递到远程位置所必需的因特网链接。监控和连接模块通过控制区域网络（CAN）总线交换数据。最后，管理应用程序提供监视任务和数据库系统之间的必要接口。这些原理将在以下部分中详细讨论。

2.1监控模块

监控模块执行过程监控任务。它基于PIC18C452微控制器，由Microchip MCP2510控制器支持，实现CAN总线控制节点，从而提供数据通信功能。

PIC系列微控制器代表了低成本和低功耗的替代方案。基于可用数据和程序存储器的数量，对PIC18C452进行了选择。其指令集基于16位宽的指令，并包括数据表操作功能。

为了结合简单的硬件设计和改进的系统功能，每个监控模块最多可以连接三个数字卡（每个具有8个光耦合器），共享相同的微控制器的数字输入端口。不需要额外的组件，因为光耦合器是三态输出设备，并且与微控制器的电平完全兼容。该实施需要三个微控制器的数字输出线来选择适当的数字卡。在选择光耦合器时，特别注意确保快速响应时间，从而在更新数字输入时具有高性能。另一个问题是，这种方法的监测旨在基于现有的过程信号。因此，低输入电流是光耦合器的进一步要求，从而最小化影响信号源的风险。在本实施中使用集成电路HCPL-2200。在监控模块中实现数字输出，以提供生成可与选定事件相关联的系统指示的方法。还实现了模拟和脉冲输入，从而允许监视其他类型的信号。

为了支持数据通信要求，每个监控模块都带有一个Microchip MCP2510 CAN控制器，允许实现CAN总线节点。该集成电路与CAN V2.0 A / B规范完全兼容，可通过串行外设接口（SPIw）轻松与PIC18C452微控制器进行接口连接。这样的实现，就需要更多的软件配合完成。控制器的控制寄存器允许非常紧凑的硬件设计。

在分布式配置中考虑PCM时，数据通信是一个非常重要的问题，因为必须报告事件，以便可以采取迅速的行动。此外，在考虑大型和复杂流程时，个别监控模块可能受到限制。因此，监测系统的设计提供了允许在这种条件下工作的手段。这是通过部署共享相同CAN总线的多个监控模块实现的。因此，可以广播由特定模块记录的事件，使其他模块能够使用它（如果需要）来同步其部分监视任务。尽管CAN最初是为汽车应用而设计的，但它正在成为现场总线标准，在工业应用中越来越多被接受。由于监视事件的异步性质，对于此应用程序来说似乎是足够的。

为了支持Petri网的监控方法，系统需要进行其他任务。 探索微控制器嵌入式中断功能，以实现软件的简化，因为特定的代码块是基于事件需求执行的。 在监控模块中实现的一个中断与片上定时器相关联，从而提供实时时钟功能。 使用相同的中断来触发数字输入更新，确保对进程状态的连续和定期的验证。 微控制器和CAN控制器之间的数据和命令交换使用SPI链路，这也是基于中断技术。 这种方法减少了在主执行循环中执行的任务数量，从而提高了系统效率。

监控模块中的软件实现使用Petri网方法。 虽然以数学形式来表示，在这项工作中探索的Petri网的主要优势在于它们以图形方式表示离散系统的能力。 最初由Petri-net概念定义的主要元素是过渡（显示为条形），位置（圆形）和弧（箭头线）。

标识为令牌并以点表示的动态元素用于“填充”位置，从而在系统中表示在满足条件的情况下。 这些符号是通过“触发”转换来添加和删除的。 条件是在Petri网理论中根据每个过渡的要求定义的，其中所有确定的输入地点必须包含所需的符号数。 当所有输入条件存在时，转换都可以触发。 触发每个过渡所需的符号的数量和性质由相关电弧的数量和性质来定义。 当转换激活时，会产生通过弧传递到输出位置的符号。

在监测方法中，Petri-net转换用于表示过程事件，而位置表示过程状态。过程信号连接到监控模块，并用作控制机制，使模型遵循流程事件。因此，系统位置可以看作是表示进程状态的映射。在任何时候，包含令牌的地方都可以被认为是活跃的进程状态。当满足所有必要的输入条件，表征进程事件时，转换被“触发”。因此，系统的标记图被更新，转移的输入地点被删除了令牌，而输出地点的令牌数量将增加。 Petri网监控方法的实际操作最好通过考虑过渡和地点所起的作用来解释。这些以及这些功能和设施的应用概述在本文第3部分的现实案例研究中概述，其中描述了构成使用的监控系统方法的其他两个要素。

2.2连接模块

该系统具有将监控模块记录的事件存储在远程数据库中的能力，从而进一步进行数据分析。 为了实现这一点，CAN总线上的特定节点通过实施基本的一组互联网协议（IP）来配备了连接功能。 详细介绍过程事件的CAN总线网络上的消息由将其传送到远程数据库的连接模块进行收集和管理。

为了简化基于PIC的互联网实施的开发，Microchip提供PICNETw演示板。它支持多个PIC单片机，并以10 Mbit / s的数据速率启用以太网网络访问。虽然它们有局限性，但PIC微控制器之前已经被用于基于因特网的应用PICNET板没有配备CAN节点。因此，必须从外部添加此功能。在这项工作中，CAN节点采用基于MCP2510 CAN控制器的Microchip CAN开发套件实现。

互联网连接需要使用一组具有特定功能的协议，以实现跨网络的数据通信，该网络由越来越多的可以承担不同设置的子网组成。除了网络管理任务，IP和传输控制协议（TCP）是通常与数据传输相关联的协议。TCP / IP是互联网标准的不同层次的实现，以提供不同的服务。IP提供了一种从终端应用程序向网络发送数据的方法，处理网络不同部分可能需要的不同设置。TCP涉及交换的数据的可靠性，建立终端发送/接收应用之间的连接，分解和重组大尺寸消息，并在传输层维护数据完整性，通过在需要时使用数据恢复机制。

由于这样一组协议在真实环境中所需的大量控制，其实现可以代表软件工程方面的重大努力。当考虑到其基于微控制器的实现时，这样的任务的复杂性增加，并且因此被保持尽可能简单。除了在网络层使用IP协议，没有别的选择。在该应用的特定情况下，通过考虑由系统交换的消息被限制为协议的最小规范来进行一些简化。然而，TCP还有一种替代方案，即用户数据报协议（UDP）。

UDP是一个较轻的互联网传输层，且不执行TCP中发现的控制机制。在考虑系统要求时，在这一层上复杂得多的协议是合理的。不需要分解的小型消息（最多28个字节），只有一个请求服务的应用程序（所有数据都发送到同一数据库）的存在减少了该层的要求。此外，可以避免由TCP实现的连接机制，因为可以将过程事件（触发转换）视为在远程数据库中生成单个记录的异步事件，从而进一步减少协议开销。然而，由于UDP不提供任何支持来保证数据传输，所以有必要在应用层实现某种控制和恢复机制，以确保数据的完整性和验证。在这个特定的实现中，除UDP协议中规定的校验和外，每个消息都提供了序列号，并且需要接收确认。采用超时方法来重传未正确确认的消息。假设由于网络延迟，在确认到达之前重新发送消息，接收者将不会根据序列号控制来考虑其内容。有关知识产权的更多细节可以在其他地方找到。基于微控制器要求互联网连接执行任务的应用程序越来越多，导致TCP / IP协议栈成为第三方软件库。这些图书馆正在成为微控制器的一些PIC系列产品的替代品，这表明这种实施将会更加容易。然而，应该总是考虑特定的应用需求，因为微控制器资源有限，因此在许多情况下可能需要本文中描述的简化。

2.3管理应用

实施IPs使系统能够利用现有和完全开发的基础设施到达远程位置。然而，访问用户特定的数据库意味着与不同的数据库管理系统（DBMS）相连接。 为了实现这一点，运用管理应用程序来连接分布式监控模块。由监视任务记录的事件被发送到该应用程序，该应用程序在验证和确认消息后将其转发给DBMS以将新记录插入到所选择的数据库中。由于本应用程序与连通性模块进行通信，因此基于上一节中描述的排序号和超时功能与消息控制机制兼容。

管理信息系统还旨在管理监控任务的某些方面。在接收监控记录之前，需要配置通信参数，如流程中涉及到的IP地址和应用端口号。它还提供了选择现有数据库并创建或选择要插入监视记录的数据表所需的手段。此应用程序的另一个功能是在监视模块中设置日期和时间参数，并重新启动Petri网的执行。不同的分布式进程可以同时进行连接，每个进程都有自己的关联表，尽管目前它们都必须属于同一个数据库。

3．Petri网监控系统运行

本节概述了Petri网为基础的系统的功能，考虑Petri网的转换的作用，促进部署一个强大的和灵活的监测工具。然后使用加工中心工具转移器作为案例研究来呈现系统的操作。

3.1 Petri-net转换监控模块

通过将单个进程事件与Petri-net转换相关联，可以将每个事件定义为表示需要满足以允许事件进行的输入条件和受事件影响的进程状态的数据结构。 然后，转换可以被实现为一组预定义的数据结构，并作为表示过程事件的Petri-net模型的表集成到监视系统中。这些被放置在微控制器的程序存储器中，而不是数据存储器。这是一个重要的考虑因素，因为Petri网数据结构对于每个附加位置（输入或输出）具有17个字节的最小要求并且增加2个字节。

在考虑支持这种方法所需的要求和灵活性时，开发了四种类型的转换方式。 这些每个具有不同的目的和/或不同的点火控制方法，如下所述。

（a）普通转换。这是用于模拟具有至少一个Petri网位置的输入条件的事件的基本建模元素，来自过程的数字信号和/或其他监控模块广播的事件。当存在所有必需的输入时，触发该转换。这将从输入的地点中删除令牌，并将令牌添加到输出的地方。如果在过渡数据结构中定义了这样的操作，这也可以将特定事件广播到其他监控模块。最后，当通过数据结构中的标志启用时，普通转换的触发导致事件记录被发送到远程数据库。

（b）模拟转换。这种转换被定义为允许将模拟信号与Petri网位置一起用作控制发射机制的输入条件。在这种情况下，将模拟信号电平与转换数据结构中定义的阈值进行比较，形式为“高”或“低”逻辑。这种转型可被认为是Petri网建模的重要创新，是为支持这里描述的混合数字模拟监控方法而开发的。模拟转换的触发导致类似于为普通转换所描述的动作。

（c）延迟转换。此方式仅接受地址作为输入和输出参数。一旦启用，在转移数据结构中定义的延迟将在令牌发送到输出地点之前产生。 这允许延迟长达1分钟，以1ms为单位。不是表示过程事件延迟转换用作建模元素来提供灵活性; 在需要处理信号稳定（切换后）以防止不正确决定的情况下，它们可能是有用的。

（d）输出转换。此转换接受Petri网作为输入条件，当发射时，产生硬件信号。它被添加到系统中，以提供一个建模元件能够产生一个本地报警，也许表示一个过程的关键事件被检测到。这种转换的进一步使用是在数据采集过程的启动过程中，如果监控系统检测到异常情况或事件，就可以自动触发。

3.2 Petri网监控模块

在这种建模方式下，任何活动过程状态的当前状态都由相关联位置中的“令牌”表示。 一个空的地方，即没有任何令牌的空位，表示一个无效状态。 由于过程事件的发生顺序由于令牌的流动而发生变化。 在考虑这一过程的动态性质时，Petri网位置在微控制器的数据存储器中实现（与放置在程序存储器中的静态转换信息相反）。 根据现有资源，考虑到大多数应用需求，对可用地点数量的限制为254。

这种Petri网

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[138181]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word