Вибір та порівняльний аналіз методів моделювання тестового стенду дозування рідин

Abstract

Метою статті є вибір та обґрунтування методу математичного моделювання тестового стенду дозування рідин за ваговим принципом як дискретно-подієвої системи з паралельними процесами. Запропоновано критерії відбору методів (відповідність дискретно-подієвій природі, підтримка паралелізму, можливості формальної верифікації, наявність інструментів, придатність до імплементації в PLC/SCADA) та проведено порівняльний аналіз підходів: FSM, алгоритмічне програмування (ST/LD/FBD), графи переходів/станів, системна динаміка, DEVS, BPMN/SFC та мережі Петрі. Показано, що мережі Петрі найповніше задовольняють визначені критерії для задач керування процесом наливу: природно відтворюють паралелізм і синхронізацію, дозволяють моделювати ресурсні конфлікти, а також підтримують формальну верифікацію (досяжність, живучість, відсутність тупиків). Наведено фрагмент моделі PN для підпроцесу «налив → стабілізація → контроль» та окреслено перехід до таймованих і кольорових PN для відображення часових затримок і типізованих токенів. Практичний внесок полягає в узгодженні моделі з інструментами CPN Tools/PIPE/TAPAAL/HPetriSim і в рекомендаціях щодо мапування PN на логіку IEC 61131-3 для подальшої інтеграції в PLC/SCADA. Результати можуть бути використані для проектування, верифікації та HIL/SIL-тестування алгоритмів дозування на експериментальних і напівпромислових стендах.

The paper aims to select and justify an appropriate mathematical modelling method for a weight-based liquid dosing test bench considered as a discrete-event system with parallel processes. We introduce selection criteria (fitness to discrete-event nature, parallelism support, formal verification capabilities, tool availability, and PLC/SCADA implementability) and provide a comparative assessment of seven approaches: finite state machines (FSM), algorithmic programming (ST/LD/FBD), state/transition graphs, system dynamics, DEVS, BPMN/SFC, and Petri nets. The analysis shows that Petri nets best meet the criteria for dosing control: they naturally capture parallelism and synchronization, enable modelling of resource conflicts, and support formal verification (reachability, liveness, deadlock-freedom). A Petri-net fragment is presented for the “pouring → stabilization → control” subprocess, with a roadmap to timed and coloured PN to represent delays and typed tokens. The practical contribution is an alignment of the model with CPN Tools/PIPE/TAPAAL/HPetriSim and guidance on mapping PN to IEC 61131-3 logic for subsequent PLC/SCADA integration. The results are applicable to the design, verification, and HIL/SIL testing of dosing algorithms on experimental and pilot-scale benches.