（电力系统及其自动化专业论文）可编程逻辑在微机保护中的应用研究.pdf

ae塞窑建盘堂堂僮盗塞垒曼望墨筮3 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t ：i no r d e rt oi m p r o v ef l e x i b i l i t yo fm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o na n d h e l pm a n u f a c t u r e ro r u s e rt o c o n f i g u r ep r o t e c t i o nl o g i ca c c o r d i n gt o l o c a lr e l a y p r o t e c t i o nt y p e t h ep r o g r a m m a b l es c h e m el o g i ci d e aw a sa p p l i e dt or e a l i z ep r o t e c t i o n l o g i co fm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o ni nt h i st h e s i s a tf i r s t ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fp r o g r a m m a b l es c h e m el o g i cs o f t w a r ep l a t f o r m d e v e l o p e dw e r ep r i m a r i l yi n t r o d u c e d t h es o f t w a r ep l a t f o r m p r o v i d e s u s e rw i t ha f r i e n d l ym a l l m a c h i n ei n t e r f a c ew i t hb a s i co p e r a t i o np e r f o r m a n c e a f t e ra l lk i n d so f p r o t e c t i o nt y p e sw e r es t u d i e da n dc l a s s i f i e d ，t h em o d u l a r i t y i d e aw a sa p p l i e dt o e n c a p s u l a t e df u n c t i o n a l i t yo fe v e r ym o d u l e ，t h e nc o n s t i t u t em o d u l el i b r a r y t h e r e f o r e ， u s e rc a l lc o n f i g u r ep r o t e c t i o nl o g i cg r a p ho nt h es o f t w a r ep l a t f o r mt or e a l i z ep r o t e c t i o n ， a c c o r d i n gt oa c t u a lr e l a yp r o t e c t i o ns c h e m a t i cd i a g r a m b e s i d e s ，t h eg r a p ht h e o r yw a s a p p l i e dt or e a l i z et r a v e r s a la n dp r e s e r v a t i o no fl o g i cg r a p ho nt h ep l a t f o r ma n df o r m p r o g r a m m a b l es c h e m el o g i cf i l e s e c o n d l y , b a s e do ns e r i a l c o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e ，as e r i a lc o m m u n i c a t i o n c o m p o n e n tw a sd e v e l o p e d i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1p r o t o c o lw a sa l s oc h o s e nt oc a r r yo u t s e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np r o g r a m m a b l es c h e m e1 0 9 i cs o f t w a r ep l a t f o r ma n d m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nd e v i c e s t h e np r o g r a m m a b l es c h e m el o g i cf i l ew a s t r a n s m i t t e dt op r o t e c t i o nd e v i c et h r o u g ht h i sw a y f i n a l l y , i no r d e r t or e a l i z ef u n c t i o n a l i t yo fp r o t e c t i o nl o g i c ，i ti sn e c e s s a r yt om a k e u pap r o g r a mt oa n a l y z ei t sl o g i c a lr e l a t i o na n db u i l du pl i n kb e t w e e np r o t e c t i o n p r o g r a ma n dt h ef i l e ，a f t e rp r o g r a m m a b l es c h e m el o g i cf i l eh a sb e e nt r a n s m i t t e dt o p r o t e c t i o nd e v i c e i na d d i t i o n ，at h r e e s t e pd i r e c t i o nc u r r e n tp r o t e c t i o ns i n g l ep h a s e s c h e m a t i cd i a g r a mw a su s e dt ov e r i f ya p p l i c a t i o no fp r o g r a m m a b l es c h e m el o g i ci n m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n i nc o n c l u s i o n ，i tp r o v e st ob ef e a s i b l ea n df l e x i b l e k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n ；p r o g r a m m a b l es c h e m el o g i c ；g r a p h t h e o r y ；m o d u l a r i t y c l a s s n o ： 致谢 本论文的工作是在我的导师黄梅教授的悉心指导下完成的，黄梅教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来黄梅 老师对我的关心和指导。 黄梅教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在我研究生学习期间始终 得到了黄老师的悉心指导，她给予我生活上的关怀和在学习上的精心指导，使我 能够顺利的完成学业。导师深厚的学术理论水平以及严谨求实的治学精神给我留 下深刻的印象，也是我学习的榜样，再一次向黄梅老师表示衷心的谢意。 中国电力科学研究院的王庆平博士对于我的科研工作都提出了许多宝贵的指 导意见，在此表示衷心的感谢。秦世耀、张工、申仲涛、曲春辉、李波、阳清风、 陈翔宇、王慧铮等几位工程师在我的科研过程中都对我进行过指导和帮助，郭宁 明同学也给予了我许多帮助，在此对他们表示衷心地感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，程冰、程晓鑫、郑祥云、徐嘉鹏、凌季平、 汪祥等同学对我论文中的研究工作给予了热情的帮助，在学习上都给了我许多鼓 励和支持，室友盛小伟、张飚在学习和生活上也给予我许多支持和帮助，在此一 并向他们表达我的感激之情。 另外还要感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业，他们对我的恩情我会始终铭刻在心。我也非常感谢我的姑姑和姑父，他们给 予了我无私的帮助和支持，对他们表达我诚挚的感激之情。感谢他们这些年来给 予我的物质和精神上的支持，没有他们，就不会有我的今天，在今后的工作中， 我会加倍努力工作来报答他们。 最后，向所有曾经给予我指导、支持和帮助的老师、同学、朋友表示深深的谢 意。 1 1 课题背景 1 绪论 随着计算机技术，电子技术以及通信技术在电力系统中的广泛应用，电力系 统继电保护得到快速地发展。尤其是大量的微机型继电保护装置投入到电力系统 的运行中，极大地提高了电力系统运行的安全性和可靠性。微机保护中各保护单 元除了要具备独立完整的保护功能外，还应该满足保护装置快速性，灵敏性，选 择性和可靠性的要求，同时也不受其它子系统的影响“。 目前，微机保护的程序开发通常都是采用手工编写程序代码的方式，使用的 开发的语言可能是高级语言或者汇编语言，非专业开发人员很难看懂程序代码的 实现过程，而且也只有通过试验来验证其正确性。 微机保护逻辑部分传统的实现步骤大致是：首先是将逻辑图绘成软件逻辑框 图，再用许多条件语句和各类标志编写具体的逻辑图程序，有些保护和自动装置 的逻辑功能十分复杂。在实现这些复杂的保护逻辑控制功能时，首先需要编程人 员认真、细致地编写大量保护逻辑程序，然后需要对其功能进行检测，校验其正 确性，任意环节的疏忽都可能造成软件出错0 1 。这样编写的程序主要存在着以下一 些问题： 软件重复工作多，工作量大。微机保护通常是面向对象的，不同的保护对 象( 如变压器、馈线、电容器等) 要求的控制功能和保护逻辑不尽相同，编程人 员要针对不同的逻辑图，反复地编写大量的程序语句加以实现。 程序的灵活性和适用性不足。由于微机保护的逻辑是通过程序代码实现 的，一旦现场接线发生变化，保护逻辑有所变动，软件程序也要进行相应修改， 需要重新进行调试，加大了程序人员的工作量。 程序的正确性不易判断。编程人员编写的程序代码程序很可能不能完全正 确地反映原设计逻辑图的含义，而且编程人员不能够直观地判断程序的正确性。 为了满足微机保护的可靠性要求，提高保护逻辑配置的灵活性，解决以上出 现的问题，提出了可编程逻辑的思想。目的是运用计算机面向对象的编程技术， 采用模块化的编程理念，设计一个可视化软件平台，将保护逻辑图中的一些基本 的逻辑功能封装成程序模块，然后通过在平台上合理有序地将模块配置成需要的 保护逻辑，能够自动生成反映保护逻辑关系的可编程逻辑文件，避免人工编写保 护逻辑的程序代码。 e 立銮逢塞堂亟鲎位丝塞 用户只需要在平台一f - 直观地绘制反映保护逻辑的图形，可编程逻辑平台就可 以完全按照平台设定的保护逻辑图，实现保护的逻辑功能。而且可编程逻辑文传 能够被重新打开修改，在设计比较完善的情况下，当同一种保护功能需要配置不 同的逻辑时，只需对保护逻辑图进行相应地修改。 1 2 课题研究的实际意义 随着数字继电保护的发展，用户对之提出的要求越来越高，除了完成可靠的。 继电保护的功能外，还需要有良好的人机接口界面、完善的通信机制，通用的扩 展平刨射，采用结构化的程序代码往往要花费很大精力。 可编程逻辑软件平台则为用户提供交互式的逻辑编程环境，用户以“搭积木” 的模块级编程方式从模块库中选取所需的逻辑模块，直接在平台搭建保护逻辑图 的应用实例，不需要编写任何程序代码。用户一旦把应用实例的逻辑框图确定之 后，其原理方案也随之确定，然后用户只要在开发的可编程逻辑平台配置对应的 逻辑图，运行后通过串行通信方式，下载到保护装置硬件平台的片外存储空问， 经过解析之后与保护程序进行链接，保护装置就完全按照保护逻辑图制定的逻辑， 实现保护逻辑的运算功能。这样就不会由于编程人员的不同而造成代码差异，减 少了人为因素的干扰。这样，可编程逻辑显著的优点就在于： 高效性。调试很方便，执行效率高，产品开发周期短。 灵活性。用户可以根据自己的需要，确定自己的算法，灵活选择能实现自 己保护功能的模块。 通用性。硬件软件采用统一的平台，可以降低综合成本。 开放性。用户可以根据自己的需要，在应用平台中增加功能模块1 2 】。 因此，从可编程逻辑优势和用户对各种应用的要求来说，通用可编程逻辑平 台的开发是很有必要的，也具有很大的实际意义： 将保护的软件开发人员从繁重的重复性劳动中解脱出来，降低了程序调试 的工作量，提高了工作效率。 利用平台化模式进行软件开发，将大大减少人为因素造成的错误，使得保 护更安全、更可靠，动作正确率大大提高。 平台的开放性带来了整体工作效率的提高，扩大了软件的应用范围。除保 护软件开发人员之外的其他工程技术人员，都可以利用图形化软件配置出 满足自己要求的保护逻辑，或对保护装置的功能进行修改嘲。 1 3 可编程逻辑的发展过程 2 电网中运行的继电保护装置是在电网及电力设备发生故障时，快速将故障与 运行系统隔离。以防止事故扩大和电力设备损坏，甚至人身伤害，最大限度地缩小 停电范围的自动装置，是电力系统必不可少的组成部分。 继电保护装置的发展过程如下： 五十六十年代：感应、电磁式； 六十八十年代初：新感应、电磁、晶体管、整流； 八十年代：集成型，微机型； 九十年代：微机型，综合装置“1 。 对于八十年代之前的继电保护装置，一套保护装置只能单纯地实现一种保护 功能，不但在配置保护逻辑关系时，保护装置的数量很复杂，而且在一定程度上 也因重复配置而造成了资源浪费，增加了运营的成本。 目前，微机保护装置在电力系统中的已经得到了广泛应用，为可编程逻辑的 实现奠定了应用的基础，无论是微机通信，还是远程监控，都为可编程逻辑的实 现提供了先决的条件。因此，实现可编程逻辑的时机已经到来，在内部的实际要 求和外部的支持条件两方面都已基本成熟，完全能够有效地实现逻辑功能的灵活 组合，产生它所能发挥的技术性能和经济效益。可编程逻辑功能已经成为未来微 机保护发展的一种趋势。 在早期的微机保护中，人们希望能够通过就地的小键盘或通信协议对保护逻 辑进行编程，如果将这种原理应用于可编程逻辑，由于受条件的局限，可编程语 言供选择的种类就会变得非常有限，最后形成的解决方案肯定不会是友好的用户 界面。 可编程逻辑的发展大致经历了三个阶段，每个阶段都有不同的特点。 基于d o s 系统的驱动命令界面平台。 这是可编程逻辑功能的最初实现，这种界面工具是在d o s 系统下开发的，主 要用于在继电保护装置测试和调试时进行仿真，以识别开发的变电站自动化控制 系统中的错误。但是，只要涉及到人机界面时，就会发现这种界面工具非常低效。 因此，并没有应用于实际，其中一个主要原因就是用户需要记住一系列操作的文 件名。另一个原因是用户必须应用一个文本编辑器，用于打开包含仿真输出结果 的文件m 。 基于w i n d o w s 的文本菜单界面平台。 菜单为用户提供了各种可选择的直接图形。这种交互界面使工程调试人员很 容易地通过使用鼠标或者键盘的组合键，进行图形的选择。用户不需要记住相关 的文件名，只需选择菜单显示的选项。尽管这种类型的界面对话框允许用户编辑、 仿真，还可以显示变电站自动化系统仿真的结果，但是仍然有它的局限性，用户 e 壅窑适厶堂亟堂僮迨塞 可能需要完全检查基于文本的设计，在某些情况下，还必须手工画图。 可视化的图形操作界面平台。 随着面向对象的程序语言的发展，这种界面是可编程逻辑发展的必然趋势。 在这种界面中，图标代表了保护装置的功能模块，可以进行直接的操作。由于能 够直接可视化，开发出的操作图形用户界面排除了手工绘图的可能性。在配置保 护逻辑图时，用户可以在打开的文件对话框中，从工具箱中拖动需要的图标放在 合适的位置上，当图形块在屏幕上定位后，就可以用一条线把两个图形块连接起 来。而且任何时候生成的逻辑图都可以储存在硬盘中。由于软件能够实现了从文 本文件到图形表示的转化，这就为用户配置保护逻辑提供了更大的灵活性“1 。 1 4 国内外研究现状 目前，由于可编程逻辑在继电保护领域有着广泛的应用前景，能够极大地提 高保护逻辑配置的灵活性，因此，无论是在国内还是在国外的微机保护领域，都 加大了对可编程逻辑的研究力度。 1 4 i 国内现状 目前在国内研究可编程逻辑的厂家主要有国电南自、许继等。许继的图形化 编程主要是在v i s i o 软件平台上绘制各种图元来组成逻辑框图，然后再调用专业 应用软件来自动生成源程序，用计算机进行编译，生成可执行程序【”。国电南自的 可视化编程实现是先通过可视化保护软件将逻辑图输入，然后根据图论学解析逻 辑图，形成编译文件下传到保护装置，最后在保护装置中实现保护程序运算【8 】。另 外一些企业和高校，如北京四方继保自动化股份有限公司、华北电力大学、西安 交通大学也在从事这方面的研究工作，并且取得了一定的研究成果。 1 4 2 国外现状 在国外，相对来说，研究的时间比较超前，非常重视可编程逻辑的研究，一 些国际跨国大公司投入大量的人力物力进行了深入的研究，有的已经形成了自己 的专利产品，并应用于实际现场。例如，瑞典的a b b 公司采用自行开发的可视化 软件平台，从编程到生成可执行程序均在平台上完成，完全采用模块化的设计思 想，不仅可以实现电力系统的保护功能，而且可以应用于控制领域。法国a r e v a 公司开发出的m i c o m s l 等一系列软件，已经应用于自己的微机保护产品。美国g e 4 公司的p o w e ri v i a n a g e m e n t 微机保护产品也包含了可编程逻辑的设计思想，为其产 品的推广打开了更广阔的市场领域。另外，西门子，a b b ，日立等一些大公司也意 识到可编程逻辑的重要意义，开始投入大量人力进行研究。 总之，目前，可编程逻辑的研究还处于前沿阶段，在电力系统的应用领域十 分地广阔，对于提高生产效率，开拓市场，降低生产成本，降低工作强度都有很 大的必要性。 1 5 论文的主要工作 可编程逻辑的研究工作从结构上来说，主要分为三部分，包括上位机软件平 台的开发、软件平台与保护装置的串行通信以及实现逻辑运算功能的解析程序。 本文所完成的主要工作就是将这三部分任务加以实现。 上位机的软件平台是为了给用户提供可视化的图形界面，具有可扩展的元件 模块库，并可以对模块进行基本的图形操作，能够满足用户配置保护逻辑图的要 求，并实现对逻辑图的保存和重新打开修改，实现保护逻辑的可编程功能。重点 是对各种保护类型进行分析，分解成一系列的元件模块，需要实现的模块数量比 较多，另外就是要实现图形的基本操作功能，以便于用户快速准确的配置逻辑图。 而难点就是实现数据结构中图论相关理论对逻辑图进行遍历和保存。 软件平台与保护装置的串行通信主要是实现可编程逻辑文件和相关数据信息 的传输。要实现通信首先双方都需要具备通信的条件，根据串行通信理论，在软 件平台上开发用于串行通信的组件，这也是这部分研究的重点内容。通信的双方 必须遵循一定的通信协议，按照规定的格式传输数据，即实现通信规约，这也是 这部分的难点内容。 解析程序是将配置的保护逻辑图转化为能够在保护装置中被识别的程序代 码，是实现与保护其他模块程序链接的桥梁，是这部分开发的重点内容。而如何 实现将保护的可编程逻辑代码与保护程序进行链接，实现保护的功能，是这部分 研究的难点内容。 1 6 本章小结 本章是基于当前使用微机保护产品，从生产厂家和用户两方面阐述实际过程 中遇到的问题，如保护逻辑修改困难，程序代码编写繁琐等一系列问题以及可能 引起的一些后果，提出了可编程逻辑自身的优点，对于解决实际问题的重要意义。 另外，本章回顾了继电保护发展的各个阶段，详细地描述了可编程逻辑从出 5 e 塞銮迪盔堂亟兰僮逾塞 现到发展的过程，基于目前的微机保护的条件和应用，证明了基于微机保护的可 编程逻辑的可行性。并对目前国内外高校和企业的研究现状进行详细地说明，提 出了可编程逻辑研究的必要性。 最后，对论文在理论和实际研究过程中所做的主要工作进行阐述。 6 亘绾程望强煞住王鱼的盟娃这进 2 可编程逻辑软件平台的总体设计 2 1 可编程逻辑概述 2 1 1 微机保护的软件原理 根据微机保护的硬件部分分为人机接口和保护两大部分的特点，相应地将微 机保护的软件部分分为接口软件和保护软件两大部分阱，各部分的原理如下： 接口软件 接口软件是指人机接口部分的软件，其程序可分为监控程序和运行程序。执 行哪一部分程序由接口面板的工作方式或显示器上显示的菜单选择来决定。调试 方式下执行监控程序，运行方式下执行运行程序。 保护软件的配置 各类保护的c p u 插件的保护软件配置为主程序和两个中断服务程序。主程序通 常都有三个基本模块：初始化和自检循环模块、保护逻辑判断模块和跳闸处理模 块。一般而言，保护逻辑判断模块随不同的保护装置而差别很大，而其他两个模 块在不同的保护装置中基本上是相同的。通常把保护逻辑判断和跳闸处理总称为 故障处理模块。 中断服务程序有定时采样中断服务程序和串口通信中断服务程序。在不同的保 护装置中，采样算法是不同的，不同保护的通信规约不同，这些会造成程序的很 大差异嘲。如图2 1 所示为保护软件各个模块之间的关系图。 正常运行时，采样中断服务程序结束后，就自动转回执行主程序中原先被中断 的指令。但在采样计算后，若发现被保护的线路、设备有故障，就会自动启动保 护，随即修改中断返回地址，强迫中断服务程序结束后进入故障处理程序，而不 再回到原先被中断的主程序。 在执行故障处理程序时，自然要定时进入采样中断服务程序，只是因这时起动 标志位，中断结束后就不再修改中断返回地址，在中断结束后自动回到原先被中 断的故障处理程序。即使是在执行跳闸后加速程序时，也要定时进入中断服务程 序。这样就使得保护系统任何时候都获得实时的采样数据，保证系统的实时性及 动作的正确性。 在进入故障处理程序后，首先是保护逻辑判断，若保护逻辑判断应跳闸即进入 跳闸后加速处理程序，处理结束后程序返回到主程序的自检循环部分“”。若保护 逻辑判断不应动作，也返回到主程序的自检循环部分。 7 韭盛銮壅盍兰亟黧僮盈塞 图2 1 保护软件各个模块之间的关系图 f i g 2 1r e l a t i o n s h i pc h a r ta m o n g a l lm o d u l e so fp r o t e c t i o ns o f t w a r e 2 1 2 可编程逻辑的设计思想 理 可编程逻辑研究实现的重点内容就是微机保护原理中的保护逻辑判断模块部 分，采用面向对象的可视化编程方式，它的实现意味着保护的逻辑功能完全摆脱 了传统继电保护币面丽童程的结构化编程方式，只需在友好的软件平台界面上， 操作直观的图形模块，就可以轻松缝实现继电保护原理中的逻辑功能。 可编程逻辑平台的设计思想如图2 2 所示，从整个系统结构来看，分为上层的 软件平台和底层的保护装置两部分。微机保护装置部分除解析程序之外都已经开 发完成，为可编程逻辑平台的实现提供了基础。 可编程逻辑软件平台是基于统一的硬件平台而设计，采用可视化的编程方式， 在软件平台上用基本的功能元件和连接关系实现保护逻辑部分的配置，用直观的 图形组合代替符号语言对编程过程进行描述，完成保护程序中的逻辑关系。每一 个图形都对应着唯一的编号代码，软件平台在配置逻辑图时，通过元件模块库为 用户提供可视化程序设计所需的功能元件，用户就可以按照工程实际的逻辑图选 择相应的功能元件，在平台的图形化编辑区域进行可视化的图形设计，当逻辑图 配置完成之后，然后运用一定的图论遍历算法生成对应的程序代码，然后保存为 可编程逻辑文本文件。这种文本文件会通过串行通信的方式，按照一定的规约格 式传输到保护装置的硬件上，实现与保护程序的链接。同样，保护装置的信息也 将通过串行通信的通道反馈到软件平台。这样，在保证可靠性的前提下，开发人 员不再参与程序的编写，对程序的监视也由系统完成，对开发人员的编程水平的 8 卫缠翟逻蕴拯住垩金鳆整佳逸让 要求也可以降低。开发人员就可以侧重于软件平台所提供的逻辑模块的编辑、连 接等操作，专注于对保护算法的研究和优化，而不必考虑逻辑关系的程序代码具 体实现。 软件平台保护装置 输 保执 入 可编程逻辑软件平台。、e = 习。 护 行 模 竺竺_ 、 程 o 部 块 分 序 千十 d 二1 兀件模逻辑图 逻辑关 一解析程序 块库文件系文件 图2 2 可编程逻辑平台的设计思想 f i g 2 2d e s i g ni d e ao fp s lp l a t f o r m 可编程逻辑平台开发过程主要包括三部分内容，如图2 2 所示： 可编程逻辑软件平台 这部分首先是利用模块化的思想实现软件平台的基本操作功能、逻辑模块的开 发以及对配置完成的逻辑图的遍历和保存。 指向软件平台的箭头表示输入或者调用的关系，背向软件平台的箭头则表示保 存或者传输的关系 串行通信模块 这部分需要利用串行通信的原理，编写一个串行通信的控件来保证能够实现数 据的传输的前提，在软件的开发平台上就可以完成通信控件的功能。 另外，在完成串行通信控件的编写之后，还需要选择一种合适的通信规约，按 照通信规约的格式来实现软件平台与下位机之间的数据传输。 与通信模块相关的箭头的方向则表示数据信息传输的方向。 解析程序 由于软件平台与保护装置所采用的程序语言不同，保存的逻辑关系文件被下载 到保护装置上之后，不能直接被识别，需要在下位机上编写一段程序对其进行解 析，并进一步确定与保护程序的链接关系，实现保护功能。 与解析程序模块相关的双向箭头表示与串行通信模块之问数据信息的传输，指 向保护程序的单向箭头则表示与保护程序对应链接关系。 目前，从计算机编程技术的发展来说，采用可视化编程技术将是一种提高保护 软件可靠性的先进手段。逻辑框图的绘制过程，就是可视化语言的编程过程，可 9 韭立交适盔堂亟堂焦逾塞 视化的编程语言和传统的结构化编程语言相比，具有编程简单、直观、开发效率 高的特点。在实现保护逻辑功能方面，可编程逻辑方法具有常规编程无可比拟的 优势，在编程的效率、可靠性和灵活性等方面尤为突出。具体如表2 1 所示。 表2 1 可编程逻辑方法与传统编程方法的比较 t a b l e 2 1c o m p a r i s o n b e t w e e n p r o g r a m m a b l es c h e m ei o d ca n dt r a d i t i o n a lp r o g r a m m a b l em e t h o d 2 2 可编程逻辑软件平台的结构体系 可视化编程是一种面向对象的程序设计的开发手段，而可编程逻辑是利用可视 化编程方法实现保护逻辑的一种方式。平台的开发是建立在程序的模块化、层次 化编程的基础上的。按照这种设计思想，软件平台结构体系如图2 2 所示。 图2 3 软件平台的结构体系 f i g 2 3s t r u c t u r es y s t e mo f s o f t w a r ep l a t f o r m l o 互缉捏逻塑煞仕垩鱼数簋佳遮让 从图2 3 可以看出，软件平台主要包括以下几个部分： 元件模块库 这部分首先是利用模块化的思想实现元件模块库中的一系列模块，包括输入 模块，输出模块以及运算模块等，模块的实现着重采用面向对象的程序中对象、 类等概念和方法。 菜单栏功能 菜单栏包括文件、编辑、视图、通信以及帮助。主要是实现对文件的操作，图 形的编辑，工具栏的显示等功能，如打开文件、保存文件、剪切、复制、粘贴等 一系列功能。 工具栏功能 工具栏是为了实现菜单栏的功能而设置的快捷操作方式，便于用户对图形元件 进行编辑。主要包含了逻辑工具栏、绘图工具栏、旋转工具栏等，完全能够满足 对图形操作的要求。 逻辑图的保存功能 平台对于逻辑图文件和逻辑关系文件的保存，主要运用图论的理论知识，包 括顶点、弧、权值等一些基本的概念，另外还需要用到深度优先遍历搜索算法， 邻接链表等对逻辑图进行描述和储存。 串行通信参数配置 在c + + b u i l d e r 的开发环境中创建完成串行通信组件之后，应用串行通信组件 实现数据传输时，需要事先在软件平台上对串行通信参数进行配置。 2 3 开发平台所用的程序设计方法 2 3 1 面向对象程序设计的基本概念 面向对象的程序设计( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，简写为o o p ) 方法开始于2 0 世纪6 0 年代，但直至t j 2 0 世纪9 0 年代后期它才得到广泛应用，这也使得现代计算机 软件技术得到了飞速发展“。这种方法非常适合开发大型的软件，在可编程逻辑 平台的开发过程中也采用了o o p 的方法，下面简要介绍一下关于o o p 的一些基本概 念。 o o p 把结构化程序设计中使用的数据成员和对数据成员进行操作的一组子程 序或过程封装在一起，形成一个能动的实体，称为对象。它的基本思想就是把要 构造的系统表示为对象的集合。它强调的是对象与对象之间的联系，或者说是强 调和加强了软件构件的设计人员和软件构件使用者的联系，克服了以处理基本算 j e 立窑逗盔兰亟茔僮论窒 法或程序为主的结构化程序设计对大型软件项目控制和管理开发的不足。 在面向对象的程序设计方法中，对象与对象之间的联系，即对象属性 ( a t t r i b u t e s ) 的传递，分别对应于客观世界中的事物和事物间联系的概念。类 ( c l a s s ) 是采用类似于人类习惯思维方式对客观事物进行刻画描述的范式，是类似 对象的集合“”。对象的方法( m e t h o d ) 是对对象属性的各种操作。这种以对象和类、 属性和方法为基本点的程序设计方法就是面向对象的程序设计方法，其三个基本 特征是对象的封装( e n c a p s u l a t i o n ) 、继承( i n h e r i t a n c e ) 和多态( p o l y m o r p h i s m ) 。 封装实现了对象使用与对象实现( 对象方法的实现) 的隔离。继承解决了对象之间 共性问题的资源共享问题。多态则为解决对象闻的特殊性问题提供了途径。 2 3 2 面向对象程序设计的优越性 o o p 是设计和实现软件的一种方法。面向对象技术( o o t ) 的使用作为实现软 件的程序元，利用面向对象的方法可得到很大的便利条件，对于大型的软件工程 尤其如此o ”。o o p 能够使编程人员与要解决的问题的概念或模型之间的距离很近， 可以更好地处理复杂问题。与结构化程序设计相比，有其自身的优越性。 面向对象的程序从绝对的语句行数上，比结构化的程序可能要多，但它的程 序结构更易理解。编译运行的效率即产生的机器代码规模和运行时间却更小和更 快。一些小程序，可以通过过程化的程序设计技巧和优化，小幅度提高运行速度， 但往往以牺牲可读性为代价，给维护造成大量的困难。一旦程序规模扩大，程序 的可读性和可维护性，甚至连结构化的程序设计都感到力不从心“。 在现实生活中，能解决问题的小规模程序是很少的，尤其是在可编程逻辑的 开发过程中要编写大量的程序代码。所以说，面向对象的编程方法使用多态性， 重载，数据抽象手段降低了程序员的劳动强度，比结构化的程序能够产生更加有 效的程序。而且，面向对象的程序，其可读性、可维护性都比结构化程序更具优 势。因此，面向对象的程序设计是实现可绽程逻辑平台的最有效的方法。 2 3 3 程序语言的选择 面向对象程序设计语言很多，如s m a l l t a l k ，a d a ，b i f e l ，o b j e c tp a s c a l ， v i s u a lb a s i c ，c + + 等。c + + 是目前广泛流行的面向对象程序设计语言。不仅全面 实现了面向对象的封装、继承和多态三大特征，而且作为c 语言的超集，完全继 承了c 语言的全部优点，并在语法上和c 语言保持向下兼容，侵已经习惯c 语言 的广大程序设计人员在短时间内平稳地过渡到了c + + 。因此在较为流行的面向对象 互缠摧逻昼这住壬鱼的盛住递让 程序设计语言中，c 十+ 占有绝对主导地位，特别是在大型软件的开发中。 c + + 主要在以下三个方面对c 进行扩充以实现面向对象的程序设计方法： 增加了一个新的、类似于结构类型的数据类型c l a s s ，该类型除了可包含 一般的数据成员( 类的属性) 外，还可以包含函数( 类的方法) ，籍此实现对 象的封装。 定义类数据类型时，可以从其它已有的类型中派生，这时基类中的属性和 方法自动传递到派生类，从而实现了对象的继承。 支持同一函数的不同实现，即函数重载。在类中可以定义虚拟函数，被继 承后虚拟函数可以重新实现。 目前，在众多的可视化集成开发环境中，在全球软件工业中占有一定地位的 主要有微软公司的v i s u a lc + + 和v i s u a lb a s i c 、i n p r i s e 公司的d e l p h i ，c + + b u i l d e r 和s y b a s e 公司的p o w e r b u i l d e r 等。这些工具都具有下列共同的特点，是 开发大型应用系统较为理想的环境。 具有w i n d o w s 图形用户界面平台、开发环境可视化 支持面向对象的程序设计 强有力的数据库连接访问能力 提供一定的软件复用手段和丰富的可复用软件资源 具备团队协同开发的管理能力 在比较了各种开发软件之后，在可编程逻辑的开发过程中采用c + + b u i l d e r 作为开发工具，它是目前众多可视化语言中最佳的开发工具之一，编程和使用相 当方便，非常类似于v i s u a lb a s i c 或d e l p h i 开发界面。c + + b u i l d e r 采用的程序 语言是c + + ，全面支持面向对象的程序设计方法，与标准c + + 完全兼容，使原来使 用c + + 的编程人员可以轻易地转向c + + b u i l d e r 。另外，c 什b u i l d e r 提供大量的 可视组件库，使用者可以极其方便地制作出统一、标准、漂亮的软件界面。它还 提供方便灵活的接口，用户可以自己编制组件加入到c + + b u i l d e r 中，也可以添 加第三方人员开发的组件包或者其它所需要控件，使用户可以方便地继承其他功 能模块，节约大量的软件开发时间，提高软件的开发效率。并且相对于v i s u a lc + + 而言，编译的效率更高，是开发可编程逻辑的一种比较理想的平台。 2 4 逻辑图的数据结构描述 2 4 1 图论的基本理论 图( g r a p h ) 是一种比较复杂的非线性数据结构。在图形结构中，数据元素之 b 立交道太堂亟堂僮诠塞 间的关系是任意的，图中每一个数据元素可以和任何其它数据元素相关联。在现 代科技领域，可以说，图是所有数据结构中应用最广泛的1 。 在可编程逻辑平台的开发过程中，在平台上完成逻辑图的配置之后，就必然 涉及到逻辑图的保存问题，从数据结构的角度来看，逻辑图本身就是一种典型的 图。下面介绍一下平台所采用的关于图论及其算法的相关基本概念、图的存储、 图的遍历，以及有向无环图的理论。 基本概念 定义1 ：图( g r a p h ) 。 图是由数据元素的集合及数据元素间的关系集合组成的一种数据结构。在图 中的数据元素一般被称为顶点( v e r t e x ) ，v 是顶点的有穷非空集合；v r 是两个顶点 之问的关系的集合。若 e v r ，则( v ，w 表示从v 到w 的一条弧( a r c ) ，且称 v 为弧尾( t a i l ) 或初始点( i n i t i a ln o d e ) ，称w 为弧头( h e a d ) 或终端点( t e r m i n a l n o d e ) ，此时的图称为有向图( d i g r a p h ) 。若 v r 必有 v r ，即v r 是对称的，则以无序对( v ，w ) 代替这两个有序对，表示v 和w 之问的一条边( e d g e ) ， 此时的图称为无向图( u n d i g r a p h ) 1 4 o 如下图所示，其中( a ) 为有向图， ( b ) 为无向图。 器藏 a ) ( b ) 图2 4 图的示例 ( a ) 有向图g l ；( b ) 无向图g 2 f i g 2 4g r a p he x a m p l e ( a ) d i g r a p hg i ：( b ) u n d i g r a p hg 2 可以更通俗一点定义图：图由一个顶点集和一个弧( 边) 集组成，其中弧( 边) 将一对不同顶点连接在一起( 而且至多只能有一条连接了某一对顶点的边) 。根据 以上图的分类特点，可以将逻辑图抽象为有向无环图。 定义2 ：权( w e i g h t ) 。 在某些图的应用中，边( 弧) 上具有与它相关的系数，称之为权。这些权可以 表示从一个顶点到另一个顶点的距离、花费的代价、所需的时问和次数等。这种 带权图也被称为网络( n e t w o r k ) 。在对逻辑图的抽象中，定义权值为1 。 定义3 ：邻接点( a d j a c e n tv e r t e x ) 。 如果( v ，w ) 是无向图g 中的一条边，则称v 与w 互为邻接顶点，且边( v ，w ) 称为 依附于顶点v 和w 。如果 是有向图g 中的一条弧，则称顶点v 邻接到顶点w ( 也 1 4 豆翁程逻辑塑往壬台殴簋佳遮盐 称v 是w 的前驱) ，顶点w 邻接自顶点v ( 也称w 是v 的后继) ，弧 与项点v 与w 相 关联。逻辑图中的各个模块，就可以抽象为邻接点。 定义4 ：顶点的度( d e g r e e ) 。 在无向图中，一个顶点v 的度是依附于顶点v 的边的条数，记作t d ( v ) 。在有向 图中，以顶点v 为始点的有向边的条数称为顶点v 的出度，记作o d ( v ) ；以顶点v 为 终点的有向边的条数称为顶点v 的入度，记作i d ( v ) 。有向图中顶点v 的度等于该顶 点的入度与出度之和：t d ( v ) = i d ( v ) + o d ( v ) 。 定义5 ：路径( p a t h ) 。 在图g = ( v ，w ) 中，若从顶点v l ，出发沿一些边( 或弧) 经过一些顶点 v p l ，7 p 2 ，v p k ，到达顶点v ”则顶点序列( v 1 ，v p l v p z ，v p k ，v j ) 被称为从顶点v - 到顶点 v ，的一条路径。逻辑图中两个模块之间的连线就可以视为一条路径。 定义6 ：路径长度( p a t hl e n g t h ) 。 一 对于不带权的图，路径长度是指此路径上边的数目。对于带权图，路径长度 是指路径上各边的权之和“1 。 图的存储 由于在图中，任何两个顶点之问可能存在联系，所以无法在存储位置上反映 数据元素之问的联系，因此，图没有顺序存储结构。常用的存储结构有邻接矩阵、 邻接表、邻接多重表和十字链表。 可编程逻辑软件平台采用的是邻接表( a d j a c e n c yl i s t ) 结构。邻接表是一 种链式存储结构。在邻接表中，对图中每个顶点建立单链表，第i 个单链表中的结 点表示依附于顶点v t 的边。每个结点由三个域组成，其中邻接点域( a d j v e x ) 指示 与顶点v 。邻接的点在图中的位置，链域( n e x t a r c ) 指示下一条边或弧的结点；数 据域( i n f o ) 存储和边或弧相关的信息，如权值等。每个链表上附设一个表头结 点。在表头结点中，除了设有链域( f i r s t a r c ) 指向链表中的第一个结点之外， 还设有存储顶点v i 的名或其他有关信息的数据域( d a t a ) “”。 邻按表的存储形式的实现如下所示： $ 邻接表的存储表示$ # d e f i n em a x n o d e8 0 t y p e d e fs t r u c ts ta r c 定义弧 t i n ta d j v c x ；，弧的顶点位置 i n tw e i g h t ；弧的权值 s t r u c ts ta r c n e x t a r c ； 指向下一条弧的指针 a r c n o d e ； t y p e d c f s t r u c t | | 定艾最黾 j g 塞窑适太堂亟堂僮逾窑 i mv e r t e x ；，顶点信息 s t n l c ts ta r c * f i r s t a r c ；指向该顶点的第一条弧的指针 ) v c m o d e ； t y p e d e fv e m o d ea d j l i s t m a x n o d e ； 定义邻接表数组 图的遍历 对于给定的图，沿着一些边( 或弧) 访问图中所有的顶点，且使每个顶点仅被 访问一次，这个过程叫做图的遍历。图的遍历通常采用两种方法：深度优先遍历 ( d e p t hf i r s tt r a v e r s a l ) 和广度优先遍历( b r e a d t hf i r s tt r a v e r s a l ) ，这两种 方法对无向图和有向图都适用。 a ) 深度优先遍历 图的深度优先遍历基于深度优先搜索( d e p t hf i r s ts e a r c h ，d f s ) ，深度优先 搜索是从图中某一顶点