Microprocessors and Microsystems 29 (2005) 189–196

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A Petri-net based distributed monitoring system

using PIC microcontrollers

Marcos R. Frankowiak, Roger I. Grosvenor, Paul W Prickett^*

School of Engineering, Cardiff University, P.O. Box 925, CF24 OYF Cardiff, Wales, UK

Revised 2 February 2004; Accepted 9 August 2004

Available online 11 September 2004

Abstract

This paper describes the development of a distributed system for process and condition monitoring. The developed system is based on the Petri-net concept, and uses PIC microcontroller technologies in its implementation. The resulting distributed system has data communication features such as Fieldbus and Internet connectivity thus enabling the deployment of a flexible and low-cost structure for monitoring purposes. The proposed system architecture is discussed in detail, considering both the hardware and software elements involved. The implementation of the Petri-net approach in a microcontroller environment is also presented. Finally, the benefits and limitations of such a system are considered, using some initial results obtained in an experimental implementation.

• 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Keywords: Microcontroller; Monitoring system; Petri-net; Internet; CAN bus

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 [1–4]. 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 [5]. 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

• Corresponding author. Tel.: C44-29-208-75900; fax: 44-29-207-4716.

E-mail address: prickett@cf.ac.uk (P.W. Prickett).

a planned way [6,7]. The use of Internet based (remote) monitoring strategies is also becoming a key factor when considering global manufacturing [8]. 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 [9]. 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 [10–13]. Details of the work previously undertaken by the authors can also be accessed via the IPMM research group web page [14].

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, in Section 2, the configuration of the PIC based system

0141-9331/$ - see front matter q 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

doi:10.1016/j.micpro.2004.08.003

190 M.R. Frankowiak et al. / Microprocessors and Microsystems 29 (2005) 189–196

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 in Section

1. 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, in Section 4, 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 shown in Fig. 1.

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 mo

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基于Petri网的单片机分布式监控系统

摘要

本文描述了用于过程和状态监视的分布式系统的开发。开发的系统概念基于Petri网，并在其中使用PIC微控制器技术。由此产生的分布式系统具有数据通信功能，列如现场总线和互联网连接，因此可以灵活布置出低成本的结构以用于达成监控的目的。考虑到所涉及的硬件和软件因素，本文将详细讨论所提出的系统架构。并介绍了在微控制器环境中实施Petri网方法。最后，参考一些实验中获得的一些初始结果来考虑这种系统的益处和局限性。

1.简介

对于正在开发的微型控制器，它具有较强的处理能力与灵活性。这有利于了它们在计算机的系统领域中的使用.这样的一个领域就是过程和状态监测（PCM）系统。这项系统概述了关于使用微控制器的发展，这些微控制器将为以前部署的PCM系统提供低成本替代方案。考虑这些系统的可用性和功能性将刺激它们在以前由于涉及高成本而不愿考虑其使用的区域中的部署。

PCM将越来越多地用于满足更低成本和更有效制造的需求.现代制造系统所代表的复杂性要求使用在线和实时监控技术，以评估流程的关键部分，并确保可以采取适当的措施。在有计划的方式下.在考虑全球制造业时，使用基于互联网（远程）的监控策略也成为一个关键因素.这种相对较新的情况导致机器制造商审查与为其客户提供支持相关的任务，迫使他们提供新机器开发的功能，例如，包括进行远程故障分析的能力。然而，成本仍然是阻碍PCM技术大规模使用的一个因素.这里提出，由工业网络等技术支持的微控制器可以以低得多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序列。这使得作者和其他人一起开发和使用Petri网作为PCM的工具].以前作者的工作细节也可以通过IPMM研究组网页访问

这项工作中提出的新方法集中在使用PIC微控制器而不是以前使用的PC的基于Petri网的监控结构的开发和实现。本文在第2节中考虑了基于PIC的系统的配置以及为支持这一新实施而开发的监控和连接方面。本节还介绍了基于Petri网的过程监控方法的概念。章节中描述了利用Petri网元素的方式概述

本节还考虑使用CNC加工中心刀具更换器作为案例研究的监控系统的操作。本文最后在第4节中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。目的是为过程和机器监控提供低成本的替代方案，从而使技术更容易获得。由于这些开发基于微控制器技术，不需要大量外围组件并且可以在过程附近安装和操作，因此产生了额外的好处。

2.系统配置

系统的主要要求是遵循过程事件并将其存储在数据库中以供进一步分析。为实现这一目标，监测系统是根据以下结构开发的如图。1.

监控模块捕获过程信号并操作代表过程的Petri网，同时记录相关事件。连接模块提供了一个Internet链接，该链接是将流程事件传递到远程位置所必需的。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。这些元素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，可实现CAN总线节点，从而提供数据通信功能。硬件配置的框图如图所示图2.PIC系列微控制器代表了低成本和低功耗的替代方案.PIC18C452的选择基于可用数据量和程序存储器。其指令集基于16位宽指令，包括数据表操作功能。

为了将简单的硬件设计和改进的系统功能结合起来，每个监控模块最多可以连接三个数字卡（每个有八个光耦合器），所有这些都共享同一个微控制器的数字输入端口。由于光耦合器是三态输出设备，因此不需要额外的元件，并且与微控制器的电平完全兼容。该实现需要三条微型数字输出线来选择合适的数字卡。选择光耦合器时要特别注意，确保快速响应时间，因此在更新数字输入时具有高性能。另一个问题是这种方法中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。在该实现中使用集成电路HCPL-2200[16].在监控模块中实现了数字输出，以便提供生成可与所选事件相关联的系统指示的手段。还实现了模拟和脉冲输入，从而允许监视其他类型的信号。

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快速操作。此外，在考虑大型复杂流程时，个别监控模块可能会受到限制。因此，监测系统的设计提供了允许其在这种条件下就业的手段。这是通过部署共享相同CAN总线的多个监控模块来实现的。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）来同步它们的部分监视任务。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受欢迎[17].由于监视事件的异步性质，这似乎足以满足此应用程序的需要。为了支持Petri网监控方法，系统需要其他任务。由于特定的代码块是在基于事件的需求上执行的，因此探索了微控制器嵌入式中断功能以简化软件实现。监控模块中实现的其中一个中断与片上定时器相关联，从而提供实时时钟功能。相同的中断用于触发数字输入更新，确保连续和定期验证过程状态。微控制器和CAN控制器之间的数据和命令交换使用SPI链路，该链路也基于中断技术。这种方法减少了在主执行循环中执行的任务的数量，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。虽然数学形式主义支持，但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。图3介绍了Petri网中使用的基本符号。主要元素，最初在Petri网概念中定义，是过渡（显示为条形），位置（圆圈）和弧形（箭头结束的线条）。

被标识为标记并表示为点的动态元素用于“填充”位置，从而指示在系统内满足条件的满足。通过“触发”过渡添加和移除这些标记。条件在Petri网理论中根据每个转换的要求来定义，其中所有标识的输入位置必须包含所需的令牌数。当存在所有输入条件时，启用转换。触发每个转换所需的令牌的数量和性质由相关弧的数量和性质来定义。当转换触发时，它会生成通过弧传递到输出位置的标记

在监控方法中，Petri网转换用于表示过程事件，而位置表示过程状态。过程信号与监控模块连接，并用作控制机制，使模型遵循过程事件。因此，系统位置可以被视为表示过程状态的映射。在任何时候，可以假定包含令牌的地方是活动的过程状态。当满足所有必要的输入条件时，转换被“触发”，表征过程事件。结果，系统的标记图被更新，过渡的输入位置删除了标记，而输出位置将增加标记的数量。通过考虑过渡和场所所起的作用，可以最好地解释Petri网监测方法的实际操作。本文第3部分的实际案例研究概述了这些功能和设施的应用概述，其中包括构成所用监测系统方法的其他两个要素的描述。

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，允许进一步的数据分析。为实现这一目标，CAN总线上的特定节点通过实施一组基本的Internet协议（IP）配备了连接功能。详细说明过程事件的CAN总线网络上的消息由连接模块收集和管理，连接模块将它们发送到远程数据库。

为了简化基于PIC的Internet实现的开发，Microchip提供了PICNETw 演示板。它支持多个PIC单片机，支持10 Mbit / s数据速率的以太网接入。虽然它们有局限性，但PIC微控制器之前已用于基于Internet的应用程序[16,19].PICNET板未配备CAN节点。因此，必须在外部添加此功能。在这项工作中，CAN节点是使用基于MCP2510 CAN控制器的Microchip CAN开发套件实现的。

Internet连接需要使用一组具有特定功能的协议来实现数据通信跨越由越来越多的可以采用不同设置的子网组成的网络。除了网络管理任务之外，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Internet标准的不同层的实现，以提供不同的服务。IP提供了一种通过网络将数据从最终应用程序发送到另一个应用程序的方法，处理网络的不同部分可能需要的不同设置。TCP通过在需要时使用数据恢复机制，关注交换数据的可靠性，在最终发送/接收应用程序之间建立连接，分解和重新组合过大的消息以及维护传输层的数据完整性。

由于在真实环境中这样的一组协议所需的大量控制，其实现可以代表软件工程中的重大努力。当考虑基于微控制器的实现时，这种任务的复杂性增加，因此保持尽可能简单。除了在网络层使用IP协议之外，没有其他选择。在本申请的特定情况下，通过考虑由系统交换的消息限于协议的最小规范来进行一些简化。然而，存在TCP的替代方案，即用户数据报协议（UDP）。

UDP是Internet传输层的较轻实现，它不实现TCP中的控制机制。在考虑系统要求时，可以证明该层的协议要简单得多。小型消息（最多28个字节），不需要分解，只存在一个请求服务的应用程序（所有数据都发送到同一个数据库），这降低了该层的要求。此外，可以避免由TCP实现的连接机制，因为可以将进程事件（触发的转换）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不提供任何保证数据传输的支持，因此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。在该特定实现中，除了UDP协议中指定的校验和之外，每个消息都提供有序列号并且需要接收确认。使用超时方法来重新传输未正确确认的消息。假设由于网络延迟，在确认到达之前重新发送消息，接收方将不会根据序列号控制来考虑其内容。关于IP的更多细节可以在其他地方找到[20].

越来越多的基于微控制器的应用程序要求Internet连接执行其任务，这导致TCP / IP堆栈变得可用作为第三方软件库。这些库正在成为某些PIC系列微控制器的替代品[15]，表明这种实施将很快变得容易。但是，应始终考虑特定的应用要求，因为微控制器的资源有限，因此在许多情况下可能需要本文所述的简化。

2.3管理申请（MA）

实施IP使系统能够使用现有的和完全开发的基础设施到达远程位置。但是，访问特定于用户的数据库意味着与不同的数据库管理系统（DBMS）连接。为实现此目的，提供了一个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，该应用程序在验证并确认该消息之后将其转发到DBMS以便将新记录插入所选择的数据库中。由于此应用程序与连接模块通信，因此它与基于前一节中描述的序列号和超时功能的消息控制机制兼容。

MA还应用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，例如流程中涉及的IP地址和应用程序端口号。它还提供了选择现有数据库以及创建或选择将插入监视记录的数据表所需的方法。此应用程序的另一个功能是在监控模块中设置日期和时间参数，并重新启动Petri网的执行。可以同时连接不同的分布式进程，每个进程都有自己的关联表，尽管它们当前都必须属于同一个数据库。

Petri网监控系统运行

本节通过考虑Petri网转换所起的作用以及促进部署强大而灵活的监控工具的位置，概述了基于Petri网的系统的功能。然后使用加工中心工具更换器作为案例研究来呈现系统的操作。

3.1监控模块Petri网转换

通过将各个流程事件与Petri网转换相关联，可以将每个事件定义为数据结构，该数据结构表示允许事件继续进行所需的输入条件以及受事件影响的流程状态。然后可以进行过渡实现为一组预定义的数据结构，并作为表示过程事件的Petri网模型的表集成到监视系统中。它们被放置在微控制器的程序存储器中，而不是数据存储器中。考虑到Petri网数据结构的最小要求为17个字节，并且每增加一个位置（输入或输出）增加2个字节，这是一个重要的考虑因素。

在考虑支持该方法所需的要求和灵活性时，开发了四种类型的转换。它们各自具有不同的目的和/或如下所述的不同的发射控制方法。

普通过渡。这是用于模拟事件的基本建模元素，该事件具有至少一个Petri网位置的输入条件，来自过程的数字信号和/或由其他监控模块广播的事件。当所有必需的输入都存在时，将触发此转换。这将从输入位置删除标记，并将标记添加到输出位置。如果在转换数据结构中定义了此类操作，则还可以将特定事件广播到其他监视模块。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。

模拟转换。这种转换被定义为允许使用模拟信号和Petri网位置作为控制发射机制的输入条件。在这种情况下，模拟信号电平与转换数据结构中定义的阈值进行比较，采用“高于”或“低于”逻辑的形式。这种类型的过渡可被视为Petri网建模的重要创新，该建模是为支持此处描述的混合数字模拟监测方法而开发的。模拟转换的触发导致类似于针对普通转换所描述的动作产生延迟转换。此元素仅接受位置作为输入和输出参数。一旦启用了触发，就会在将令牌发送到输出位置之前生成转换数据结构中定义的延迟。这允许延迟最多1分钟，步长为1毫秒。而不是表示过程事件延迟过渡被用作建模元素以提供灵活性;例如，在需要过程信号稳定（切换之后）以防止错误决定的情况下，它们可能是有用的。

（d）输出转换。此转换接受Petri网位置

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