仓储物流设计.doc

面向仓储物流的建模及控制系统设计方法
(1．中山大学信息科学与技术学院，广东广州 510006；
2．中山大学数字家庭教育部重点实验审，广东广州510006；
3．广东商学院广东省电子商务市场应用技术重点实验室，广东 广州 510320；
4．山东大学现代物流中心，山东济南250061)
摘要：为提高现代企业仓储物流的设计质量和效率，提出了一种基于资源颜色时序信号的扩展Petri网建模
及控制系统设计方法。该方法首先采用资源颜色时序信号的扩展Petri网建谚r仓储系统的动态模型，清晰地描
述了各种物流活动的顺序、并发、冲突等关系，并结合关联矩阵，阐述了判断死锁和陷阱的方法。该方法建、l，．的模
型可根据Petri网运算规则进行保性化简，便于仿真分析和验证，且可直接用于系统口f编程逻辑控制器的控制程序
设计。最后，以仓储物流控制系统为例，阐述了系统建模及控制设计过程。
关键词：物流；自动化仓储系统；Petri网；可编程逻辑控制器；梯形图；建模
中图分类号：TP391．9；TP273；TM571 文献标识码：A
Modeling and control
program design of automated storage and retrieval system
XU Xiao-wei 1～。LIANG Ying—hon93，WU
Yao-hua’
(1．School of Information
Science＆Technology，Sun Yat—sen University，Guangzhou 510006，China；
2．Key Laboratory
of
Digital Life(Sun Yat—sen
University)，Ministry
of Education，
Sun Yat-sen
University，Guangzhou
5 1 0006，China；
3．Guangdong Key Lab of Electronic Commerce Market
Application Technology，
Guangdong University of Business
Studies，Guangzhou
510320，China；
4．The Logistics Institute，Shandong University，Jinan 250061，China)
Abstract：To improve the design efficiency and quality of logistics control
system
in modern manufacturing enterpri—
ses，a modeling design method based on Signal Timed Colored Resource Petri Nets(STCRPNs)for Automated
Storage
and Retrieval System(AS／RS)was put forward．This method used STCRPNs to construct the dynamic
model of AS／RS，which could clearly denote various logistic movements and the sequence，concurrence，conflict re—
lationships among them in AS／RS．And by combining association matrix tools，the method tO judge deadlock and
trap
in the model was explained．The dynamic model could also be
simplified according to Petri Nets calculation rules
SO as to conveniently
conduct simulation analysis and verification．And the STCRPNs model could directly applied
to
design
the programmable logic controller control program．A case
study
on areal application was provided for inter—
preting the modeling design process．
Key words：logistics；automated storage and retrieval
system(AS／RS)；petri nets；programmable logic controller；
ladder diagram；modeling
收稿日期：2008—12-29；修订日期：2009—05—22。Received 29
Dec．2008；accepted 22 May 2009．
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50175064)，NSFC-广东联合基金资助项目(U0735001，U0835004)；国家863计划资助项目
(2006CB303106)。Foundation items：Project supported by the National Natural Science Foundation，China(No．50175064)，the NSFC—Guangdong Joint Fund，China(No．U0735001，U0835004)，and the National High-Teeh．R&D Program，China(No．2006CB303106)．
作者简介：许晓伟(1977一)，男，山东泰安人，中山大学信息科学与技术学院博士后，主要从事现代物流、图像识别、人工智能等的研究。
E-mail：[e-mail]．
万方数据计算机集成制造系统 第15卷
O 引言
在全球市场竞争日趋激烈、供求关系飞速变化
的产业环境中，自动仓储系统(Automated Storage
and Retrieval System，AS／RS)在现代企业物流和
电子商务中得到了广泛应用，已成为企业生产自动
化和管理信息化的标志之一。AS／RS以其出入库
台、输送机、堆垛机、自动导引小车(Auto Guided
Vehicle，AGV)等多种设备构成了物料输送线，将企
业生产线、配送线和立体仓库紧密连接在一起。现
代企业制造的最主要特点是批量小、品种多．时问性
要求高，由多种生产工艺流程和物料传输流程组成，
系统运行因此变得十分复杂m2|。如何快速地挖掘
出AS／RS中的瓶颈和关键路径。优化运行方案，充
分挖掘资源潜力，降低能耗，以实现多路径的物料输
送平衡、资源平衡、时间平衡，是仓储物流控制系统
设计中的主要问题。本文针对AS／RS控制设计任
务，提出了一种基于资源颜色时序信号的扩展Petri
网(Signal Timed Colored Resource Petri Nets，ST—
CRPNs)的建模设计方法，能够将模型映射为可编
程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，
PLC)控制程序，并在实际应用中得到了验证。
1相关研究
对于这类离散事件动态系统问题，国内外学者
基于Petri网理论进行了大量的研究，目前主要集
中在仓储物流系统模型的调度策略和动态性能评估
问题上。例如文献[3]采用颜色Petri网构建了
AS／RS的动态模型，并提出了一种出库／入库调度
策略来实现系统的最大吞吐量。该模唰既可用于系
统设计阶段离线性能评估，也可用作系统在线监控。
文献[4-i和文献[5]则将面向对象(Object Oriented，
OO)技术引入AS／RS建模过程中，使所建立的模
型具有更强的可重用性和可操作性。在简化Petri
网模型方面，颜色方法优于OO方法，但在实际建模
过程中随着颜色粒度大小的不同，出现了各种各样
的着色方法[63。考虑到AS／RS中每个任务的完成
都需要一定时间，文献[7]引入了时间要素，以堆垛
机和小车作为托肯，任务路径作为颜色，建立了着色
赋时Petri网(Color—Time Petri Net，CTPN)动态
模型。在动态性能分析方面，文献1-83首先提出了基
于Petri网的运输时间模型及演绎模型。对堆垛机
运行进行建模，通过模型分解和仿真验证寻求系统
最优控制策略，之后又进一步发展了随机颜色Petri
网理论[9]，利用随机Petri网与马尔可夫链的同构等
价关系，通过可视仿真器PACE 3．1分析时间性能
和资源利用率。文献[10]则利用有限状态机和模块
化的CTPN建立了Matlab状态流仿真环境，分析
了多种调度策略对系统性能的影响。由于仓储物流
系统的资源约束性，回路／环路“死锁”的检测和消除
一直是调度控制策略研究的热点问题。文献[11]采
用面向资源的Petri网构建了AGV路径的关系模
型，分析了小车回路／环路死锁的条件和消除算法，
但没有说明小车路径的关联关系，而且包含多种设
备的AS／RS比单一的AGV系统复杂，该方法计算
量大且困难。文献[123将广义互斥约束概念扩展到
CPN模型，提出了防止环路一级死锁和二级死锁控
制的策略，并应用到火车行驶路径调度中，但也未能
彻底避免死锁。文献1-133提出的控制策略利用多容
量库所作为缓冲区，当有多辆小车作业时有利于避
免死锁，但无法检测出环路临界状态。文献E143采
用库所双重着色的CTPN方法，结合有向图工具，
阐述了有轨小车(Rail Guided Vehicle，RGV)系统
的环路死锁原因和系统无死锁的充要条件，并提出
一种死锁控制方法，但是该方法假定系统中只有一
台升降机，并且不考虑RGV小车运行过程中的时
间延迟等冈素。上述方法均是面向仿真验证的建模
方法，在系统仿真过程中应用控制策略来解决“死
锁”等调度问题，并不适于仓储物流实际控制系统的
设计开发。
迄今针对AS／RS控制系统设计的动态模型均
尚未进行深入的研究。目前，在工业控制系统上，
PLC以其高重用性代替了硬接线式的控制继电器。
IEC 61131—3标准采用五种PLC程序设计语言：指
令列表(instruction list)、结构文本(structured
text)、功能块图(function block diagram)、序列功能
表(sequential function chart)和梯形图(1adder dia—
gram)。但这些都是低级语言，整个设计开发工作
量较大，在很大程度上依赖于工程师的个人经验，即
时间、人力成本昂贵，并且控制系统验证工作一般只
能通过多次仿真和现场试验方式进行。因此，使用
Petri网作为PLC程序建模、分析和设计的自动化
工具已经成为一种研究趋势。文献[15]提出了一种
信号解释Petri网(Signal Interpreted Petri Nets，
SIPNs)，该模型能够处理输入／输出信号，并可通过
一种图形化编辑器转成指令列表形式的PLC程序。
万方数据第12期 许晓伟等：面向仓储物流的建模及控制系统设计方法
但指令列表形式的程序难以理解，而梯形图采用“软
件设备”来模拟硬接线式继电器的梯形逻辑配
置n6|，被业界工程师广泛地接受和使用。文献[17]
使用Petri网模型为一小型机器人设计和实现了一
种顺序控制器，直接生成关联的梯形图程序，但该方
法仅在操作逻辑简单的教育系统中得到了应用。文
献[18]对使用Petri网和梯形图进行控制系统设计
的多种方案进行了深入对比分析后指出，无论是采
用用户友好的高级语言或者硬件配置来产生Petri
网控制器用于验证、分析和调试，还是反过来由PN
网模型生成PLC控制程序，这一相互转化过程应该
是可验证和自动化的。文献[19]针对敏捷制造系统
提出了一种“一对一”映射技术，将制造系统Petri
网模型转化为相应的PI。C梯形图程序，但是该方法
缺乏一致性，也不能处理实际仓储物流系统复杂的
调度和控制情况。
在实际应用中笔者注意到：系统的托盘化货物
在仓储没备上的物流运输类似于Petri网中的标记
在库所之间的变迁活动，由此提出了一种面向仓储
物流的STCRPNs建模设计方法，所建立的系统动
态模型清晰地描述了各种物流活动，并可以处理活
动之间的顺序、并发、冲突关系，以解决系统“死锁”
和“陷阱”问题。更重要的是，本文引进了事件和条
件信号概念，使该方法除了可以用于仿真验证外，还
可以采用元素对应映射方法，直接转化为控制系统
PLC程序，有效降低了控制系统的开发、调试和业
务流程再设计成本。本文的研究对象是单容量资源
控制系统，即系统中每个设备资源容量为1，这一设
定也符合一般的仓储物流系统。
2仓储物流系统简介
一个典型的自动化仓储物流系统有堆垛机、输
送机、RGV或AGV等设备，包括入库和出库两个
工作流程。图1中的入库流程是将货物装在从空托
盘区取来的空托盘上，从入库口——输送机1(链式
或棍子)入库。在经过输送机2后，按照入库货物的
仓库排号，选择不同的出入库台。一般立体仓库的
每个巷道对应一台堆垛机和两个出入库台，一个为
人库台，一个为出库台，出入同一巷道、不同排号的
货物选择相同的出入库台。货物到达入库台位置
后，该巷道的堆垛机如果空闲，就把货物送到正确的
仓库货位(排号、层号、列号)。例如：某货物的仓库
货位是P(3排2层5列)，入库路径为R(输送机1，
2，4，6，7，8和堆垛机2)。出库流程一般指把生产线
(或配送线)上需要的货物从立体仓库中取出，送到
生产线(或配送线)附近的缓冲站上。例如：堆垛机
1按出库指令从指定货位P(2排3层6列)上取来
货物，送到该巷道对应的出库台——输送机5，然后
经输送机6，7，9，11，到达出库口输送机12，再由一
台AGV或者其他车类(如RGV、叉车)送到指定的
缓冲站，简单的也可以是经由传送带。缓冲站卸完
货后，剩下的空托盘送上缓冲站，经AGV送至输送
机13，然后由空托盘返嘲输送机14，15，16送回空
托盘区，从而完成一个完整的物流过程。
[]缓冲站3[]缓冲站2
图1典型自动化仓储物流系统布局图
3面向仓储物流的建模
Petri网理论是由德国Carl Adam Petri博士于
1962年提出的一种完善的图形化数学工具[20j，适
于描述和分析具有同步、通讯、资源共享等特点的并
发过程系统。下面首先介绍一些Petri网的基本概
念和符号，更多信息可参考文献[21]和文献[22]。
3．1 Petri网基本定义
定义1一个Petri网表示为一个五元组N一
(P，丁，J，O，Mo)。其中：P={P。，P2，…，P。)为一组
库所集，m≥o；T一{t1，t2，…，t。)为一组变迁集，咒≥
0，PU T≠彦，P n T一髟；工为P×T—N的输入弧，
它是从库所集到变迁集的一个映射，J(P，￡)为从库
所P到变迁t的输入弧权值；0为T×P—N的输
出弧，它是从变迁集到库所集的一个映射，o(t，P)
为从变迁t到库所P的输出弧权值；Mo：P—N为初
始标记，其中M(p。)表示库所P，中的标记(Token)
数，i一1，2，…，m。
定义2一个Petri网N一(P，T，J，O，Mo)，如
万方数据计算机集成制造系统 第15卷
果J(P，t)一{0，1)，且O(t，P)一{0，1)，则为普通
Petri网。
定义3一个Petri网N一(P，T，J，0，M0)，如
果t∈T，J(￡)n 0(￡)一彩或者P∈P，I(户)n O(p)一
力，则为纯Petri网。
Petri网作为一种图形化建模工具，用圆圈表示
库所，圆圈中的圆点数表示库所拥有的标记数，描述
了系统的状态；用栅条表示变迁，用带箭头的弧线表
示输入／输出弧，反映了系统的动态行为。系统状态
的变化，表现为标记通过变迁在库所之间转移，其变
迁规则为：如果M(p)≥J(P，￡)，则变迁t是使能的；
使能变迁t发生后则有M 7(户)一M(户)一I(p，￡)+O
(f，p)。
3．2仓储物流系统资源Petri网建模
由于仓储物流系统中设备资源的有限性，本文
也采用了有限容量的资源Petri网(Resource Petri
Nets，RPNs)来描述系统。与其他Petri网表示资
源方法[3,7,12-133不同，本文的具体方法是：将系统中
的每个运输设备(轨道输送机、堆垛机、AGV、RGV
等)表示为一个有限容量的库所P资源，每个设备
中的货物表示为库所P的标记托肯，货物的数量表
示为库所P的标记数M(P)，每两个设备之间货物
的交接运输表示为变迁t，源设备上货物的输出表
示为变迁t的输入弧J，目的设备上货物的输入表示
为变迁t的输出弧o，即图1中的典型仓储物流系
统可用图2中的RPNs模型表示。
图2仓储系统RPNs模型
如果某个设备资源库所P的容量Max(户)与其
中的标记数M(声)满足Max(p)≥M(p)，则称相关
变迁t是资源使能的。为简化系统复杂性，一般可
将资源库所P的容量设定为1(Max(户)=1)，即每
个设备仅容纳一件货物。由于仓储系统中的设备为
专一使用，每件货物只能在两个设备之间进行运输
交接，即输入弧J和输出弧。是唯一的。因此
RPNs模型是一个纯的普通Petri网(如图2)，它清
晰地描述了系统中各种物流活动，以及活动之间的
顺序、并发、冲突关系(图2中的各元素具体含义如
表1)，并可以唯一地表示成关联矩阵形式：
A—Cad]。。。，
i∈{1，2，…，，z}，歹∈{1，2，…，m)。 (1)
其中：
a。=砖～口i，P，∈P，t。∈T，
+ f 1(￡r，Pi)∈0一 f
1(户』，￡f)∈J
口j
2
1 0其他 川“一1 0其他
。
(2)
裹1 Petri网模型元素描述
元素 描述
户1，户2’…'P16
P17，Pls
P19
fl，t2't4’t5，t6’t7’
f8，t9'tlo't13't14’
t15·t18'rio，t20
t3'ttl
t5't12
tie
t17
tz2，tzd,
tz3，t2s
t21
t26
tz7
tz8
系统巾具有无限容量的虚资源，包括立体仓库
货架，缓冲区、空托盘区等
输送机1～16
堆垛机1～2
AGV
货物在输送机『甘J运输的事件
堆垛机取输送机上货物的事件
堆垛机向输送机卸货的事件
AGV取出库口输送机12上货物的事件
AGV向输送机13卸载空托盘的事件
堆垛机将货物存到立体仓库货架的事件
堆垛机拣选立体仓库货架上货物的事件
货物装在空托盘l：放置到入库u输送机1上
的事件
AGV卸载货物到指定缓冲站的事件
AGV取缓冲站空托盘的事件
输送机16上的空托盘卸载到夺托盘区的事件
通过关联矩阵可以分析模型的结构性质，如复
杂仓库物流系统中经常出的“死锁”和“陷阱”，可根
据判定定理l被检测出来。
定理1一个Petri网N=(P，T，f，O，Mj)，A
为N的关联矩阵，Pi一{P¨P挖，…，P*)为N的一
个库所子集，则P；为网的一个死锁(陷阱)的充分必
要条件是：A关于P，的列生成子阵A。，A。，…，At
万方数据第12期 许晓伟等：面向仓储物流的建模及控制系统没计方法
中，每个非全零行至少包含一个“一1”(或“1”)元素。
根据Petri网的运算规则，此RPNs模型可进行
保性化简，以便分析与仿真。由系统中设备资源库
所的所属分类，图2中的模型可化简为图3所示的
输送机系统子网PN。、堆垛机系统子网PNs、AGV
系统子网PNA等子系统Petri网模型的组合。通过
化简的RPNs模型，可以看到各个库所容量和库所
资源的总量不变；变迁分为子网内部和子网间的，变
迁规则不变，变迁发生的条件也相同，原始模型的结
构性质得到保持，物流信息的表示更为清晰和直观。
图3仓储物流系统RPNs简化模型
3．3仓储物流系统颜色和时序建模
由RPNs模型性质和变迁规则，可推出物流设
备间货物运输的必要条件：源设备上有货，目的设备
上无货。但仅此还不能充分描述变迁事件发生的充
分条件。例如，众所周知的“死锁”和“陷阱”现象是
由Petri网中“分支”和“会合”两种冲突关系造成的
(如图4)，它们在网络中共享输出和输入资源库所，
对变迁的发生有着严格限制条件。为此，本文在
RPNs中引入颜色和时序元素。
镪》 屯 内 见’忪训两 肋t2
a分支 b会合
图4 Petri网冲突芙系
定义4一个着色资源Petri网(Colored Resource Petri Nets，CRPNs)表示为一个六元组N一
(P，T，C，J，0，M0)。其中C是库所和变迁的颜色
集：C(Pf)一{a¨a扪…，a钿一1，a钿)，i一1，2，…，m为
颜色数；C(tj)={bjl，bj2，…，b如一l，靠)，歹=1，2，…，竹
为颜色数；J：C(夕)×C(￡)一N(非负整数)为输入映
射，取颜色a。时的P；到取颜色b业时的t』的输入连
接数记为，(n西，bj,)；0：C(￡)×C(户)一N(非负整
数)为输出映射，取颜色b球时的t，到取颜色口小时的
Pi的输出连接数记为0(bjk，a卉)。
在CRPNs模型中，根据每个标记的目的属性
赋予其相应的颜色Map(M，C)，来规定它参与相应
颜色的变迁，并经历相应颜色的库所，最终到达目的
库所。例如：图2中，不妨令C(P：)一{a。，a：)，C
(￡2)一{a1)，C(t4)一{a2}，C(P7)一{a3，a4}，C(tlo)
一{a。}，C(t。)一{a。)，当库所P。的标记颜色为a。
时(Map(Mp2，C)一口I)，颜色为a。的变迁t2可发
生(C(f：)一口。)，则称变迁t2是颜色a。使能的。如
果库所P。的标记颜色为az时(Map(Mp。，C)一
az)，颜色为a：的变迁t。可发生。这就解决了图1
中货物在输送机2和6上的分叉运输问题。
定义5 一个时序着色资源Petri网(Timed
Colored Resouree Petri Nets，TCRPNs)表示为一
个七元组N一(P，T，C，J，o，D，M0)。其中：D一
{d。，i一1，2，…，行}：P—N(实数)，为库所的时间集
合(Z为P，的时延)。为每一库所引入一时延，代表
变迁事件发生经历的时间后产生新的状态所需要的
时间。
规定标记工作时间等于其产生时间加上其所在
库所的时延。如果两个输入库所都具有标记，能使
变迁发生来竞争共享的输出库所，则较早工作时间
的标记有优先权，即先入先出(First—In First—Out，
FIFO)规则。例如：假设图2中d。一3，d5—15，t。和
t；同时发生，即在图l中同时有货物Tokenl和货
物Token2分别从输送机2一输送机4和堆垛机1
一输送机5，货物标记先到输送机2，货物标记2后
到输送机5，标记1的工作时间早于标记1的工作
时间，则货物标记l优先发生变迁，t，优先于ts发
生。这就解决了图1中货物在输送机4和5上的会
合运输问题。
3．4仓储物流系统信号建模
为便于设计物流控制系统，本文使用了事件T
和条件I／O两个概念：事件是系统中所发生的动
作，即货物在仓储设备间的传递；条件是系统状态的
属性或逻辑描述，即仓储设备的状态。一个事件的
发生可能需要几个条件同时成立，这些条件称为事
件的前提条件，事件发生后可能引起条件的变化，并
产生一些其他条件，后者称为事件的后果(后继条
件)。本文信号建模设计不同于文献[15]之处在于：
①变迁事件的发生条件I和后果。分别表示仓储系
万方数据计算机集成制造系统 第15卷
统中的输入传感器信号和输出控制器信号，目的是
通过读入传感器的状态，并将更新的后果状态发送
到控制器，来控制仓储系统运行；②采用综合信号、
时序、颜色、资源信息的Petri网模型STCRPNs，以
方便设计生成梯形图形式的PLC控制程序。
定义6一个STCRPNs表示为一个九元组N
=(P，T，I，O，Mo，C，D，X，y)。其中：X是输入信
号的布尔类型甬数，当事件变迁的资源使能(连接变
迁的前库所拥有标记，后库所无标记)、颜色使能和
时间使能条件为真时，再判断输入物理信号是否为
真，如果为真则函数输出为真，表明变迁可立即发
生；Y是输出信号函数，可通过PLC代码执行物理
信号输出。
在STCRPNs模型中，所有变迁都能够同时并
行地发生，并且在一定输入信号条件下，此过程连续
不断，直至没有符合发生条件的变迁为止。但在
PLC程序的实际执行中，这一过程有所不同：事件
变迁是以扫描循环方式在一个个扫描周期内顺序执
行，即在每一次循环扫描中，所有输入信号函数和输
出信号函数均被判定和执行，使变迁得以发生。从
STCRPNs模型到其对应PI。C控制程序的设计过
程将在下一章中讨论。
4基于STCRPNs的仓储物流控制系统设计
在工程设计上的通用性和质量效率之间取折
衷，文中提出了一种新的元素对应映射方法，适用于
将STCRPNs模型映射生成为与其相应的PLC控
制程序。现以实际工程应用(青岛澳柯玛空调器厂
AS／RS)中的一个输送机控制实例来说明映射转化
过程，如图5～图7所示。其中，图5为AS／RS工
程设计图的一部分，包括输送机设备1，2，…，5，传
感器输入14．0，14．1，…，15．3，控制电机输出Q4．0，
Q4．1，…，Q5．3等，物流输送路径为输送机1一输送
机3一输送机5，输送机1一输送机2，输送机4一输
送机5，图6和图7分别为对应的STCRPNs模型和
部分PI。C梯形图控制程序。本实例中采用了西门
子的PLC控制器$7-400，在其程序设计工具STEP
7中包括三类文件：程序文件(组织块OB和功能块
FC)、数据文件(数据块DB和存储器M)和其他相
关文件(如映射文件、临时变量、配置文件等，其他类
型PLC的程序中一般也包含这三类文件)[2引。文
中方法的基本原理就是将系统STCRPNs模型中的
各种元素分别映射到PLC中的对应组成文件中。
输送机4 输送机5
15．0 DBD68 DBD72
X15．3
005．2
X14．4
004．2
X14．3
输J医@L2 输送机1
q光电开关 x接近开关 O单向高速电机
6单向双速电机◇双向双速电机O升降电机
图5实例中的货物运输示意图
tl
图6实例对应的Petri网模型
图7映射的PIr梯形图程序
在系统STCRPNs建模过程中，将工程设计图
中的输送机设备建模表示为库所资源：输送机1一
P。，输送机2一p：，…，输送机5一p。；在系统控制程
序设计中，将模型中的库所映射为PLC工作存储器
中的一段数据区，即在数据块DB中创建一个
DWORD(2个字，4个字节，32位)结构表示。例
如：图5中DBl00．DBD56表示数据块DBl00中，
从56～59字节代表库所P1(输送机1)；DBl00．
～=
圈圈圈
万方数据第12期 许晓伟等：面向仓储物流的建模及控制系统设计方法
DBD 60表示数据块DBl00中，从60～63字节代表
库所P：(输送机2)，…，以此类推。数据区的地址唯
一标识了模型中库所资源的设备号，而数据区内的
数据信息描述了模型中库所的颜色、时序属性及其
中的标记等信息，如表2所示。类似地，模型中的货
物标记映射转化为一个WORD(1个字，2个字节，
16位)的数据结构，称之为货单，该货单由上层调度
系统下达，包含了货物的运输路径信息，并与仓储数
据库系统出入库命令一一对应，可存放在库所数据
区内。货物标记在仓储设备间的运输，就表现为货
单在PLC存储器数据区中的传递。货单的任务号
在整个系统中唯一，在传送过程不变，且保存在数据
块中，即使系统掉电也不会丢失，从而保证了仓储物
流信息的准确性。
表2库所数据区结构
模型中的变迁映射为Pl。C程序文件中的传递
函数FC，完成货单在库所数据区之间传递的功
能。同理，模型中的信号映射为PLC的相关文件，
处理PLC的数字输入和数字输出，如光电开关、接
近开关等传感器信号，以及控制电机运行的执行
元件。变迁传递功能函数是控制系统运行的关
键。在Petri网中，变迁通过输入弧和输出弧连接
前后两个库所资源；在PLC中，对应的传递函数
FC根据输入条件信号和变迁规则对发送方和接
收方两个数据区进行操作，并输出控制信号。不
同类型的变迁映射为不同的货单传递函数。如图
7所示，以某输送机变迁传递功能函数FCl0为
例，表3是函数输入输出参数，其变迁规则控制流
程分为以下四个步骤：
(1)将发送方货单Dword0与常数DW#16#
8FFF相与，屏蔽高位，结果存入LDl0，将LDl0与常
数零L#0比较，若不相等则表明发送方有货单，Occupy0输出为1，否则输出为0，表示没有货单。同理，
将接收方的货单Dwordl与常数DW#16#8FFF相
与，屏蔽高位，若结果不为零则表明接收方有货单，
Occupyl输出为1，否则输出为0，表示没有货单。
(2)如果发送方有货单，接收方没有货单，且发
送条件成立，则将发送方货单送给接收方，即
Dword0的内容写入Dwordl。
(3)如果发送方和接收方都有货单，且两张货单
相同，表明货物(货单)处于发送过程中，将传送标志
Sent置为1，否则为0。如果接收方货物收到标志
Received为1，则将发送方货单清零。在发送过程
中，将Dwordl送LDl8，每经过一个时间单位，将
Dwordl的内容加L#1048576，即在货单的发送时
间计数上加1。若发送时间大于需要减速时间，标
志Slow置为1，进入慢速运输状态。
(4)如果接收信号为真，则发送过程结束，发送
方中的货单清空。
表3变迁传递功能函数参数
在图5中，变迁传递函数FCl0将货物从输送
机3(DBD64)运送到输送机5(DBD72)，对应图6的
Petri网模型，转换为PLC的梯形图控制程序(如图
7)。模型映射关系为：P。一DBD64，P。一DBD72，t3
一FClO(DBD64一DBD72)，X—14．6，Y一{Q4．6，
Q3．5，Q5．3}。当货物完全处于输送机3(DBD64)
上时，货物托盘遮住光电管14．6。如果此时输送机
5(DBD72)处没有货物，即DBD72中没有货单，则货
单传递函数FCl0的输入条件成立，执行FCl0将
万方数据2342 计算机集成制造系统 第15卷
DBD64中的货单送给DBD72，并且输出L0．0，
L0．1，L0．2全部为1，控制电机M(Q3．5和Q4．6
输出)高速转动。运输过程中，每隔0．5 s，DBD72
中的时间计数加1。当货物遮住光电开关15．1时，
执行FCl0将DBD64的货单清零，货单运送完毕，
此时L0．0—0，L0．1=1，L0．2—0，电机M停止转
动。从图7可以看出，输送机3(DBD64)的电机M
的运转有两种情况：①货物从DBD64输出到
DBD72；②货物从DBD56输入到DBD64。PLC在
执行程序时，同一个输出线圈总是以程序中的最后
一个为准，因此为避免程序混乱，控制信号输出线圈
只能触发一次。对于DB64来说，变迁传递函数
FCl0包括从DB64到DBD72的输出弧和从DB56
到DBD64的输入弧。
5结束语
本文提出了一种面向仓储物流的STCRPNs，
用于系统建模及控制程序设计。STCRPNs模型有
以下几个特点：①是一种面向仓储物流系统设备资
源的直观的Petri网模型；②易于化简、分析和仿
真；③直接映射转化为PLC梯形图控制程序。未来
工作是将Oo设计技术引入到控制系统建模及设计
过程中，通过集成化的控制软件自动设计工具。加速
可验证的符合IEC 61131—3标准的梯形图程序生
成；另一个研究方向是使用可扩展标记语言(eXten—
sible Markup Language，XML)技术来满足Petri
网模型标准化、非功能化的需求，开发通用的物流系
统辅助设计工具。
参考文献：
[1]wu Yaohua，WANG Ying。XIAO Jiwei．et a1．Research sta—
tus and developing trends of modern material handing system
[J1．Chinese Journal of Mechanical Engineering，1999，35(4)：
1—5(in Chinese)．[吴耀华．乇 莹，肖际伟，等．现代物流系统
技术的研究现状及发展趋势[J]．机械￡程学报，1999，35(4)：
1—5．]
[21 VAN DEN BERG J P。GADEMANN A J R M．Simulation
study of an automated storage／retrieval system[J1．Interna—
tional Journal of Production Research，2000，38(6)：1339—1356．
[3]LIN S C，WANG H P 13．Modeling an automated storage and
retrieval system using Petri nets[J1．International Journal of
Produetion Research，1995。33(1)：237—260．
[41 CHANG
Faliang。LIU Changyou．The study of optimal sireu—
lation and its application in vehicle scheduling for automaticspace warehouse[J]．Journal of System Simulation，1998，10
(5)：14—19(in Chinese)．[常发亮，刘长友．自动化立体仓库输
送系统调度的优化仿真及其应用研究[J3．系统仿真学报，
1998，10(5)：14—19．J
[5]TIAN Guohui，LIU Changyou。XU Xinhe．Research on schedu—
ling problem of transporting process in the automatic warehouse
[J]．Computer Integrated Manufacturing Systems，1998，4(2)：51—
54(in
Chine∞)．[田国会，刘K友，徐心和．自动化仓库输送过程
调度问题研究EJ]．计算机集成