（机械电子工程专业论文）数控系统梯形图编程环境开发.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 为使数控系统适应机床厂的各种应用要求，需要开发开放性的编程环境。本文 基于华中数控内置式软件 plc 资源和华中 “世纪星” 硬件平台， 开发了图形化的 plc 编程环境。梯形图编程环境的实现降低了 plc 的编程门槛，使各机床厂的工程技术 人员自行设计 plc 程序成为可能，有力的支持了华中数控面向更大范围的推广与应 用。本文所作的研究工作主要如下： 分析了数控系统的现状和开放式的发展趋势，以及开放式数控对 plc 的要求， 总结了软件 plc 的特点与优点。 分别对单元、逻辑关系的具体形态、类型进行了归纳总结，重点分析了梯形图 中复杂的串、并联相互嵌套的现象。给出了关系表的概念，提出了通过生成关系表 描述嵌套关系并简化梯形图的方法。 详细分析了实现 plc 图形化编程环境的具体方法，其中包括设计了梯形图草图 的编辑环境与记录草图的数据结构，制定了描述软件单元和逻辑关系的数据结构。 通过具体的梯形图实例，分析了关系表、梯形图以及指令语句表三者之间的关系。 设计了从梯形图中提取串联组和并联组的算法和流程，实现了从梯形图到关系表的 编译过程以及从关系表到梯形图的重构过程，对指令语句表与关系表之间的相互转 换也做了详细的研究，并对软件 plc 的执行机原理做了一定的探讨。 通过数控冲床转塔上定位销的“销操作”以及世纪星操作面板上关于“轴控制” 部分按键的处理这两个应用实例，对梯形图编程环境的使用情况进行了说明。 关键词 关键词 可编程逻辑控制器 梯形图 数控系统 指令语言 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract in order to meet the requirements of the machine tool factories, its an urgent task to develop the open programming environment. the graphic programming environment has been developed in the dissertation based on the build-in soft- plc resources and the “century star” regarded as hardware platform. plc programming is simplified greatly because of the development of graphic programming environment for ld, which is more convenient for the skilled workers to design plc application program. the development of graphic programming environment for ld is also an important support for the hcnc to occupy more markets shares. the main contents of dissertation are: the present state and developing trend to open architecture cnc system are analyzed. the requirements of the cnc to plc are summarized, and both characteristic and merits of the soft plc are discussed. the conclusion which both software-cell and logical relation are the element factors for ld is presented. the varied forms and types of the software-cells and logical relations are categorized and summarized. the complicated nestification between serial connection and parallel connection is studied in this part. aim at the nestification relations, the conception of relation diagram is introduced and the simplification process of ld is illustrated. the development of graphic programmed circumstance is introduced. the compilation circumstance of ld draft and the data structure of the cell and logical relation are devised. the compiling process from ld to relation diagram and the reconstruction process from relation diagram to ld are both studied. the transitions between relation diagram and il (instrument list) is also studied. the execution method of soft plc is given out. the graphic program environment is verified and explained by the examples which are the processes of the fix-pin used in nc punch and the keys on the nckb (numerical control keyboard) used in the control of axes for the “century star”. keywords: plc ladder diagram cnc system il 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题概论课题概论 1.1.1 课题来源课题来源 1） 国家十五攻关课题 “网络化开放式数控系统平台研究及示范应用” 成果： “基 于 linux 的数控系统软件平台” 2）武汉市晨光基金： “基于 linux 的高性能数控系统开发” 1.1.2 课题的目的、意义课题的目的、意义 随着计算机及相关技术的发展，使用工业 pc 机、基于开放式结构已成为 cnc 系统发展的主要方向，而开放式的数控需要开发开放性的编程环境予以支撑。华中 数控系统中，利用现有的计算机硬件资源、开关量输入输出控制板、软件技术已经 集成了内置式软件 plc。但是，它的应用开发环境还有很多不足之处，主要原因在 于华中数控股份有限公司现有的 plc 的应用程序,一直以来是用高级语言 c 编写， 运行效率高，但 c 语言编写程序时涉及到太多的底层函数、变量、宏以及与 ncbios 的接口1-2。 多年以来，华中数控的数控机床及数控系统在全国高校教育系统已推广了数千 套， 由于这些机床大都为教学型的通用车床或者铣床， 其 plc 程序基本上大同小异， 因此由本厂的技术工程人员用 c 语言编写标准的车、铣床 plc 程序是完全可行的。 现在，华中数控系统得到了升级，产品直接面向工业生产，为机床厂配套数控 系统成为主要任务之一。在目前“多品种、小批量”的消费市场上，如果仍然由华 中数控的工程技术人员逐一的用 c 语言编写 plc 应用程序，显然不利于产品的快速 推广，因此机床的 plc 应用程序转而由机床厂的工程技术人员自行设计开发。机床 厂的工程技术人员一般对于梯形图、指令语句表的编程比较熟悉，而对 c 语言编程 较为生疏。因此，开发出梯形图的编程环境以降低 plc 程序开发的门槛便成为紧迫 而又现实的任务。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 plc 的发展与当前研究现状的发展与当前研究现状 1.2.1 plc 的产生与发展的产生与发展 可编程控制器是一种以计算机（微处理器）为核心的通用工业控制装置。早期 的可编程控制器只能进行开关量的逻辑控制，且只有逻辑运算、定时、计数及顺序 控制等功能，因此被称为可编程逻辑控制器（programmable logic controller） ， 简称 plc。现代可编程控制器采用微处理器作为中央处理单元，其功能大大增强， 它不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通讯等功能3。 1985 年，国际电工委员会（iec）在其颁布的可编程序控制器标准草案第二稿 中，对可编程序控制器的定义如下：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系 统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执 行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模 拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。当应用于机床控制领域时，plc 又 可称为可编程机床控制器（pmc）4-5。 在 plc 出现之前，机械控制及工业生产控制是用工业继电器实现的。1968 年， 美国通用汽车公司提出把计算机和继电器控制系统结合起来的设想。1969 年，美国 数字设备 （dec） 公司研制出世界上第一台 plc， 用它来代替传统的继电器控制系统， 并在 gm 公司的汽车自动装配线上试用获得了成功6。 进入 80 年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使得可编程控制器有 了突飞猛进的发展，功能日益增强，已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，具备 模数转换、数模转换、高速计数、速度控制、位置控制、轴定位控制、温度控制、 pid 控制、远程通讯、高级语言编辑以及各种物理量转换等功能。特别是远程通讯 功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统（fms） ，使得 plc 如虎添翼，被人们称 为现代工业控制三大支柱之一7。 多年来，可编程序控制器及其组成系统在我国冶金、电厂、轻工石化、矿业、 水处理等行业更是到了广泛的应用，并取得了显著的经济效益。plc 技术经过 30 多 年的应用和开发，现已发展到智能化 plc 阶段。但是近几年来，由于集散控制系统 （dcs） 、工业控制机（ipc）的崛起，plc 份额有所下降，已形成三足鼎立之势，以 至于功能上互相交错，使用中共同配合8-9。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.2.2 plc 的特点与功能的特点与功能 plc 是自动控制技术、计算机技术、通讯技术三者结合的高科技产品，具有可 靠性高，适应性好，接口功能强，编程简单、直观，模块化结构，集三电于一体（用 于逻辑控制的电气控制装置，用于过程控制的电动单元组合仪表，用于运动控制的 电气传动控制装置） ，安装、维修简单，plc 网络性价比高等优点。 微电子技术、微机技术及控制技术的迅猛发展与综合，促进了 plc 的进步，使 其成为工业控制的首选产品，应用领域也日趋扩大，远远超出单纯继电器和逻辑程 控范围。例如，结合现代制造系统的形成及先进制造技术的采用，机械制造业已逐 步实现了单机自动化、生产线自动化、车间及工厂生产综合自动化，plc 在实现 fms cims ims 工业及建筑机器人控制和大部分分散型控制系统中起着非常重要的 作用。现代 plc 能够集中反映当今电气控制世界先进水平，结合数控技术、工业机 器人技术和 cims 构成机械工业自动化的三大支柱和重要组成部分，形成了先进制 造技术基础技术、新型单元技术和集成技术群的基础和必要条件。 plc 在工业自动化中起着举足轻重的作用，已广泛应用于机械、冶金、石油、 化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、 交通等行业。具体地概括一下，主要用 于以下几个方面10： 1）开关量的逻辑控制 2）模拟量的闭环控制 3）数字量的智能控制 4）数字采集与监控 5）通讯、联网及集散控制 1.2.3 plc 的组成结构与工作过程的组成结构与工作过程 从结构形式上可以将 plc 分为两类：分为独立式 plc 和内置式 plc11-14。独立 式 plc 就是指功能和结构上单独形成一个整体的 plc，市面上出售的都是独立式 plc；内置式 plc 是指它的各组成部分或功能模块分散到其它设备内部，往往作为 其它设备的功能补充形式存在。独立式 plc 又分模块式和整体式两种： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 图 1.1 模块式 plc 逻辑图 1）模块式 plc15：将 plc 各部分分成若干个单独的模块，如 cpu 模块、i0 模块、电源模块和各种功能模块。模块式 plc 由框架和各种模块组成。模块插在插 座上,通过总线连接。一般大、中型 plc 采用模块式结构，如图 1.1 所示。 2）整体式 plc： 又称单元式或箱体式。整体式 plc 是将电源、cpu、i0 部件 图 1.2 整体式 plc 逻辑框图 都集中装在一个机箱内。一般小型 plc 采用这种结构，如图 1.2 所示。 内置式 plc 中各组成部分或模块分散开来，甚至与机床上的其它控制系统共同 使用硬件或软件资源。但基本工作原理类似，实现的功能可随系统的要求而灵活地 配置，比如 fanuc series pmc 就是一例，下章要讨论的 plc 也是这种。 但是，不管是那种类型的 plc，它的基本组成部分都少不了 cpu、存储器、输 入输出组件、编程器，其工作过程都是一样的。 通信模块 输入模块 输出模块智 能i/ocpu 模块 上位机 编程器 外设接口 输入部件 i / o扩展口 输出部件 cpu 电源 后备电池rom ram i / o扩展单元 编程装置 计算机 接收现场信号 其它外设 驱动受控元件 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 plc 的工作过程，采用循环扫描方式。通过扫描，可完成各输入点的状态采集 或输入数据采集、用户程序逻辑解算、各输出点的状态更新、故障诊断以及复位监 视定时器等功能。系统 ram 区中设为 i/o 开关的映象单元，对应输入端、中间继电 器、定时计数器和输出端的状态。扫描程序中的操作数据并不直接来自输入或输 出接口，而是来自映象寄存区，映象区中的数据在输入采样和输出锁存时周期性地 不断刷新16-19。 系统的循环扫描过程分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输 出刷新阶段20。 在输入采样阶段，plc 以扫描方式顺序读入所有输入端的状态（on/off） ，并将 此状态存入映象寄存器。在以后的程序执行期间，即使输入状态有变化，输入映象 寄存器的内容也不会改变，这些变化只能在一个工作周期的输入采样阶段才被读 入。 在程序执行阶段，plc 按先左后右、先上后下的顺序对机床基本控制部分的指 令以及用户程序的每条指令进行扫描， 从输入映象寄存器 “读入” 所有端子的状态， （若程序中需要读入某输出状态，则也在此时读入） ，然后进行逻辑运算，运算结 果再存入输出映象寄存器。 输出刷新阶段就是在所有指令执行完毕以后，输出映象寄存器中的所有输出状 态在本阶段转存到输出板，实现 plc 实际输出。 1.2.4 plc 的发展趋势的发展趋势 长期以来，plc 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化 控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用 提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另一 方面，plc 还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是 工业 pc 所带来的冲击。plc 需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价 格21-22。 目前 plc 发展呈现出以下趋势： 1) 高功能、高速度和大容量，形成与 dcs 相抗争的大系统 2) 微型、小型 plc 功能明显增强 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 3) 体系结构向多样化方向发展 4) 与 plc 配套的智能模板发展迅猛 5) 编程语言多样化 6) 集成化发展趋势增强 由于控制内容的复杂化和高难度化,使 plc 与 pc 集成、plc 与 dcs 集成、plc 与 pid 集成、与 internet 集成成为可能,并强化了通讯能力和网络化,尤其是以 pc 为基础的控制产品增长率最快。 最流行的是向 pc 技术融合， plc 日益加速渗入 到 dcs、cnc 的领地23。 7) 自诊断功能有明显增强趋势 plc 用于设备监控、故障诊断的功能日益加强16。 8) 网络化和强化通信能力是 plc 重要发展方向 丰富的网络连接、 高速的数据交换、 开放的监控系统成为最新组成的系统的特 色。 9) 向开放性转变 国际电工协会(iec)在1992年颁布了iec1131-3可编程序控制器的编程软件标 准 ,为各plc厂家编程的标准化铺平了道路。 开放式plc除了在灵活性方面比传统plc 具有截然不同的优势外，还具有其他优点，如能够缩短系统投放到市场的周期，降 低系统投资费用，提高从工厂底层到企业办公自动化的数据信息流动效率等24-27。 1.2.5 国内外国内外 plc 技术研究现状技术研究现状 在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控 制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有 plc，但这种趋 势也许不会继续发展下去。 随着软 plc(softplc)控制组态软件技术的诞生与进一步 完善和发展，安装有 softplc 组态软件和基于工业 pc 过程控制系统的市场份额正 在逐步得到增长，这些事实使传统 plc 供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化， 他们必须面对现实，在传统 plc 的技术发展与提高方面做出更加开放的高姿态。对 于控制软件来讲，这是 plc 控制器的核心，plc 供应商正在向工业用户提供开放式 的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现得非常积极。此外，开放式通信网络 技术也得到了突破，其结果是将 plc 融入更加开放的工业控制行业28-32。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 走在基于 pc 控制技术的最前沿的美国 steeplechase software inc. (ssi)研 究了 vlc 系列软件。vlc 是 ssi 开发出的世界上第一个基于 pc 和 windows nt 的真 正实时控制器。它所提供的 hard real-time 概念在性能上大大超过传统的 plc。 siemens 公司也公布了一套基于开放式控制系统的软件产品，即 3.0 版本的 simatic winac (windows 自动化中心)。winac 是基于 windows nt，与 simatic s7 plc 兼容的适合于工业 pc 的控制系统解决方案。winac 3.0 提供了具有较高集成度 的 profibus 现场总线局域网的连接性能，以及远程程序设计环境。图 1.3 是该软 件的界面截图。 图 1.3 simatic s7 plc softplc 公司也提供了一种工控软件产品 tealware，有人非常形象地把这种软 件产品称作穿着工业 pc 衣服的 plc。 几年来，有一些 plc 系统已经内藏了 web 服务器，这无疑又为 plc 系统增加了 更多的特点。 在为将 plc 连接到 ethernet 和 web 上提供技术支持方面，schneider 公司已经 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 成了先驱者之一。最近，该公司推出了一种运行于 premium plc 平台的新型快速 ethernet(100mb/s)模件。该模件为 plc 能够连接到 tcp/ip 的 ethernet 提供了全 双工自适应 10/100mb/s 的连接速度，现场过程控制器之间可以共享实时数据信息， 自动扫描 momentum i/o 模件和其他任何基于 modbus 通信协议的现场控制设备，采 用一个嵌入式 web 服务器提供 html 通信服务，同时提供了 snmp 用于标准网络通信 管理。 moeller 电子公司先前一直采用具有自主版权的通信协议，而现在也已经开始 转向开放网络协议。 他们所推出的被叫做xi/on的新一代i/o结构体系将成为其plc 开发完整的一部分。利用该结构体系可以进行片段和模块式的设计工作，它所集成 的网关允许连接到 ethernet、profibus-dp、devicenet、canopen 以及更多的网络 系统。 在国内，宁波滚石公司开发有一款名为 open plc 应用软件。软件界面共分为四 个区域，分别为按钮功能区、下拉式功能区、指令区及指令编辑区，如图 1.433。 图 1.4 open plc 编辑界面 指令区 指令编辑区 按钮功能区 下拉式功能区 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 1.3 开放式数控系统及软件开放式数控系统及软件 plc 1.3.1 数控系统的发展趋势和研究现状数控系统的发展趋势和研究现状 由于通用计算机结构的透明性、硬件的开放性、资源的丰富性，数控向通用计 算机即开放式体系结构发展，已成为不可抗拒的潮流，并将成为最具生命力的技术 平台。因此，美国、日本及欧盟等国家和地区相继提出了研究下一代数控系统标准 体系结构的计划，其核心是“开放式体系结构标准” ，也就是要建立一个带有网络 通信功能并具有统一软、硬件平台的开放式系统34-35。 从开放式数控系统目前的研究成果看，开放式数控系统还没有统一的、明确的 概念内涵，一般的观点是强调下列五个方面的系统特性：系统互换性、可伸缩性、 可移植性、互操作性和可扩展性36-37。 目前在开放式数控系统的研发中，基于开放式可编程运动控制器的结构是比较 先进的技术。这种系统以通用微机为计算平台，以 pc 上的标准插件形式的开放式 运动控制器为控制核心，伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成，运动控制 器可编程，以运动子程序的方式解释执行数控程序，以 plc 子程序的方式解释机床 逻辑控制，运动控制器的开放性还体现在其层次分明的体系结构、其功能特性可由 上层软件灵活定制等。这种系统的上层软件是主流操作系统上的用户可定制的标准 运用。 在目前的数控系统的基础上，由于处理技术进步的摩尔效应，使得以硬件方式 出现的运动控制器部件，完全可以用应用软件的方式来实现。这种“硬件功能软件 化”这就是“软件数控”的基本思想。 华中数控实现数控系统的思路就被很多数控专家称为“软件数控”38，其最重 要内涵体现在一种高度开放的体系结构与开放平台。这种开放式结构易于扩展、易 于二次开发，完全面向数控系统的智能化实现，使得数控系统具有更大得性能空间 和更好的系统交互性，并且可以充分借鉴相关学科的最新成果，促进数控技术本身 的快速进步。 1.3.2 软件软件 plc 特点和意义特点和意义 软件 plc 是开放式数控的主要组成部分，它是将传统硬件 plc 的功能以应用软 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 件的形式实现，这种硬件功能的软件化正是软件数控的要求39。 软件 plc 的主要优点是： 1）是开放式数控系统的要求 plc 是数控系统的主要功能部件之一。软件数控可以认为是开放式数控的高级 阶段，软件数控的主要特征表现在两个方面：一是高度开放的体系结构；二是应用 软件的表现形式。软件化的实现也大大增强了系统的伸缩性和可调节性，从而使其 体系结构高度开放性的实现成为可能。 2）易于实现与硬件无关性要求 软件 plc 控制功能的完成不依赖于具体的硬件，不存在机型不兼容问题；编程 软控件的数目、种类可根据需要动态添加，无需更改硬件。 3）统一的数据结构易于实现深度的系统开放 由于采用统一的数据结构，当需要增添软件 plc 或数控系统的功能时，不必另 外硬件或另外重新设计软件。这简化了 plc 的使用途径，使数控系统由可能向深度 方向开放。 4）更加友好的编程环境 方便的编程环境，灵活的编程方式可降低 plc 编程进门门槛，方便用户的使用。 5）较低的成本 plc 控制功能由软件完成，这种实现形式上的变革使得系统可以更方便、更广 泛的应用计算机技术的先进成果，简化系统实现难度，缩短研发周期，有助于技术 创新，可相应降低整个数控系统的成本40。 1.4 本文的立题和主要研究工作本文的立题和主要研究工作 作为开放式数控产品的华中数控需要开发开放式的编程环境，用图形化的梯形 图编程替代 c 语言作为 plc 应用程序的编程方式是开放式编程的重要体现之一，对 于华中数控产品的迅速推广具有十分重要的意义41-45。 基于以上原因，本人接受了研究课题，在已有 plc 开关量 i/o 板，plc 与 cnc 接口规范的基础上实现 plc 梯形图编程语言的开发环境。 本文介绍了 plc 梯形图编程语言的开发环境的实现过程， 它具体包括设计 plc 程序的开放性通用可执行数据结构；开发梯形图语言的图形化编程环境，实现了梯 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 形图草图的绘制、修改、保存等编辑功能；通过关系表与指令语句表的转化。最后 在华中数控系统平台上开发了 plc 程序执行模块。 华中数控内置式 plc 是利用数控系统的计算机硬件资源、 机床输入输出控制板、 软件 plc 技术集成的， 也是 plc 的一种， 因此首先简单介绍了一般 plc 的基本原理、 功能作用、产生发展、应用范围、发展趋势和国内外研究现状以及开放的数控系统 对 plc 的要求；然后，对梯形图、梯级的本质特征进行分析，对软件单元以及软件 之间逻辑关系进行了分类；接着，设计出恰当的数据结构记录 plc 程序的草图，分 析了用梯形图、指令表、关系表三种方式描述 plc 程序的原理，介绍了三者之间的 联系以及相互转换的方法以及梯形图逐步简化的详细过程，简要介绍了 plc 程序的 执行原理；最后以数控冲床中“销操作”与“世纪星”操作面板按键为实例，对 plc 梯形图编程环境加以验证。 1.5 本章小结本章小结 软件 plc 是数控系统的主要组成部分，是软件数控的表现形式之一，本章简单 介绍了一般 plc 的基本原理、功能作用、产生发展、应用范围、发展趋势和国内外 研究现状以及开放的数控系统对 plc 的要求，使我们更清晰地认识了数控系统中软 件 plc 的功能和应用范围。随后，介绍了本课题的来源、意义与本文所作的工作。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 2 梯形图的描述方式梯形图的描述方式 梯形图是通过连线把代表 plc 指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表 达所使用的 plc 指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一 为母线， 另一为内部横竖线。 内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组， 这个指令组一般总是从装载（ld）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含 ld 指令） ，以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流 程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组 的。图 2.1 是西门子系列产品的一个普通梯形图例。 图 2.1 梯形图的一般形式 梯形图是由若干个梯级组成的。如同汉字是汉语文本的最小表义单元一样，梯 级从某种意义上也是不可分割的，是梯形图表达含义的最小单元。因此，对梯形图 的分析只需要针对一个一个相对独立的梯级即可，解决了任何一种形态的梯级也就 解决了整个梯形图的问题。 在梯形图中，有两个最基本的要素,一是软件单元，二是单元之间的逻辑关系。 要解释分析梯形图，需要首先从这两个要素入手。 2.1 梯形图中的单元梯形图中的单元 2.1.1 单元的类型单元的类型 软件单元的类型很多，根据功能大致可以分为以下三大类： 1）基本单元：包括常开单元，常闭单元、逻辑非单元、正向转向单元、负向 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 转向单元、输出单元等。 图 2.2 基本单元 2）功能型单元：包括定时器单元、计数器单元、字节赋值、字节左移等等； 图 2.3 功能型单元 3）逻辑关系单元与空单元。 逻辑关系单元主要分为串联符单元、并联符单元；空单元，表示该位置没有任 何单元，是空白的，空单元对于梯形图解析过程有很重要的作用。 t0 c0 inton pt?ms cdctd ld pv 定时器 计数器 en eno in 字节赋值 mov_b out en shl_b in n eno out 字节左移 p n not 常开单元 常闭单元 输出单元 正向转向单元 负正向转向单元 逻辑非单元 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 图 2.4 逻辑单元 2.1.2 描述单元的数据结构描述单元的数据结构 从软件单元的描述方式可将单元大致划分为两类：一类是单元类型，包括布尔 型 （bool） 、 字节型 （byte） 、 字符型 （word） 、 计时器型 （timer） 、 计数器型 （counter） 以及串并联型（series/parallel type）等等；二是功能模块类型,所有的功能模 块都是为了实现特殊的功能而设计的，具有很鲜明的个体特性，比如图 2.3 中的字 节赋值功能块和字节左移功能块。下面分别介绍这两种类型的描述方式。 1）单元类型。 我们可以用比较统一的数据结构来描述绝大多数的“单元类型”的软件单元， 具体形式如下： struct splcprogcell int type； /类型 int flag； /标识子类型 int ex_i； /块索引 char reg_type； /寄存器类型（x y r g f） int index,bit； /寄存器地址、索引 int number； /序号 int para 3； /参数设置数组 int var 3； /变量值数组 ; （1）类型（type） ：单元的基本类型，比如：布尔型、计时器型、串联符型、 右并联符左并联符 串联符 并联连接符 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 并联符型等类型； （2）标识（flag）:标识是对类型（type）进一步的细化。例如，常开单元与 常闭单元同属于布尔型单元，其类型相同，但标识不同； （3）块索引（ex_i）:针对串并联型单元而设置，其作用将在以后的文字中详 细解释；对于其他类型的单元，缺省值设为1。 （4）寄存器类型（reg_type） ，即软件单元所对应寄存器的类型，有 x、y、r、 g、f 等类型； （5）地址（index） 、位索引（bit） ：对于单元 x0.1，寄存器地址（index）为 0,索引（bit）为 1； （6）序号（number） ，也是针对编译的需要设定的。梯形图中的每个软件单元 符号，都对应唯一的一个序号； （7）参数设置数组（para 3）针对某些功能单元而设置，如定时器、计数 器的设定值；变量值数值（var 3）则贮存设定值所对应的当前值。 2）功能模块类型。 功能模块类似封装好的“黑箱” ，有规范的数据接口，用以实现特定的功能。下 面介绍一种功能模块“波段型”功能模块。如图 2.5，在波段型的功能模块中， 并行排列的多个单元组成为一组。在应用过程，同时只能有一个单元被使能，而整 个功能单元输出值即为被使能单元所对应的设定值。 图 2.5 “波段型”功能模块 x0.1 x0.0 x0.2 x0.3 r2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 在数控系统中，波段型单元有很实际的用途，例如数控机床控制面板上“增量 倍率”对应有“1” 、 “10” 、 “100” 、 “1000”四个按键。很明显，从逻辑上 四个按键应该是互锁，即只能有一个发挥作用；当其中一个被按下是，上一次的值 就无效了，被按下键所对应的设定值成为整个波段模块的当前值。波段型模块的数 据结构可表述如下： struct sradioblock int n; int newband, oldband; int bandvaluemax_band_of_radio; struct splcprogcell cell,bandcellsmax_band_of_radio; ; （1）新波段值（newband） ：最近一次所选中的波段值； （2）旧波段值（oldband） ：新的波段值被选中的前一次的波段值； （3）波段值数组（bandvalue） ：保存波段模块的所有输出值，与波段模块中成 员单元一一对应； 由波段型单元的数据结构可知，功能模块本质上也是由一些基本单元构成的， 所谓特殊只是在于作为模块成员的基本单元之间相互关系的处理上。波段功能模块 本身就可以用普通单元类型组成的梯形图替代。 图 2.6 是波段型功能模块在数控系统控制面板上的应用实例。图中左部是运用 功能模块的实现方式，梯形图由两个梯级组成。在第一个梯级中，常开单元 x0.1、 x0.2、x0.3、x0.4 分别代表“增量倍率”的“1” 、 “10” 、 “100” 、 “1000” 四个按键。根据被按下的按键输入相应的数值，并存放于中间寄存器 r4，是第一个 梯级实现的功能。在第二个梯级的中，单元 y0.1、y0.2、y0.3、y0.4 分别对应“增 量倍率”中四个按键的指示灯，因此第二个梯级的作用是根据寄存器 r4 位置的状 态值点亮先前被按下的按键对应的指示灯。 图的右边是左边梯形图的等效图，共需要 8 个梯级才能实现。前 4 个是一组， 其作用是当某按键被按下，其所对应的寄存器地址置位，其它三个按键对应的寄存 器地址复位，以实现互锁。后 4 个为一组，其作用是分别根据寄存器地址的状态值 决定需不需要点亮所对应的指示灯。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 x0.2 x0.1 x0.3 x0.4 r4.1 r4.2 r4.3 r4.4 x0.1 s r r r r4.1 r4.2 r4.3 r4.4 x0.2 s r r r r4.1 r4.2 r4.3 r4.4 x0.3 s r r r r4.1 r4.2 r4.3 r4.4 x0.4 s r r r y0.1 r4.1 y0.2 r4.2 y0.3 r4.3 y0.4 r4.4 r4 r4 y0.1 y0.2 y0.3 y0.4 图 2.6 波段型功能模块与其等效梯形图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 2.2 梯形图中单元之间的逻辑关系梯形图中单元之间的逻辑关系 2.2.1 逻辑关系的种类逻辑关系的种类 梯形图所表达的逻辑关系有两种，一是串联，二是并联。如图 2.7。 图 2.7 串、并联示意图 在图 2.7 中，单元之间的逻辑关系是非常单一的，要么是串联，要么是并联， 解释、记录起来非常方便。比如串联处理，只需用一个数组 seriesmax_cell记录 下各个单元，执行起来将数组中的各个单元的值进行“逻辑与”运算即可。我们把 这样单一的逻辑关系称为“简单串联”与“简单并联” 。 然而在梯形图的实际运用过程中，单元间的关系往往不是这样。如图 2.8。 图 2.8 包含串并联嵌套的梯形图 图 2.8 中，x0.0 与 x0.5、x0.1 与 x0.6、x0.7 与 x1.2 是简单并联的关系；x0.2 与 x0.3、 x1.0 与 x1.1 为简单串联的关系。但是，应该如何描述 x0.0 与 x0.1 之 间的关系，是串联或是并联，答案恐怕两者都不是。 （1）串联 （2）并联 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 如果从梯形图执行顺序的角度着眼，上面的问题可以这样叙述：x0.0 的值与 x0.5的值做逻辑或的运算结果与x0.1的值与x0.6的值做逻辑或的运算结果做逻辑 与运算。很显然，这里出现了串、并联相互嵌套的现象。 2.2.2 串并联嵌套现象的分析串并联嵌套现象的分析 关于梯形图的逻辑关系模型，张汉兵曾提出过下面一种模型10，如图 2.9。 图 2.9 一种梯形图模型的标准形式 在该模型中，存在行、段、梯级三个层次的概念。单元的串联组成“行” ，行的 并联组成“段” ，最后段的串联形成梯级。该模型可以描述某些梯形图结构，比如 图 2.10(1)；但对于稍微复杂些的梯形图形态就难以胜任了，如图 2.9(2)，究其原 因在于该模型不能包含较复杂的逻辑嵌套关系。 综合上述的分析以及前人的研究成果可以得出以下结论：梯形图所表达的是软 件单元本身与单元之间的逻辑关系；单元间的逻辑关系一般有三类串联、并联 以及这两种关系的相互嵌套，其中的重点与难点在于如何表达嵌套的串并联关系。 梯形图的标准形式 第一段 第二段 输出段 第三段 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 图 2.10 两种梯形图实例 2.3 关系表的产生过程关系表的产生过程 2.3.1 梯形图的简化过程梯形图的简化过程 针对梯形图中存在的串、并联多重嵌套的现象，以图 2.11 中的梯级为实例，提 出一种逐步消除嵌套关系以简化梯形图的方法。首先为了描述的简便，梯形图中的 每个软件单元被顺次地（从左到右、从上到下）编上唯一的序号。值得注意的是， 在梯形图中如果代表同一寄存器地址的软件单元出现过两次或者两次以上，应当作 不同的单元看待，给予不同的序号。 图 2.11 编好序号的梯形图 根据梯形图程序执行的顺序，单元 10 首先必须与单元 11 做逻辑与运算，如果 （1） （2） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 创造出一个“虚拟”的软件单元用以替代实际的软件单元 10 和单元 11 以及两者之 间的逻辑关系（单元 3 与单元 4 的同理） ，便可使图中单元的数目减少，使梯形图 简化。依照这个思路，第一步简化后的梯形图应该如图 2.5 所示。 图 2.12 第一次串联处理后的梯形图 新出现的 “虚拟单元”（virtual cell） 14 替代了原图中的串联组 （serial group） 单元 3 和单元 4。同理， “虚拟”单元 15 替代了单元 10 与单元 11。这种消除 串联组的操作命名为串联处理。当重新观察串联处理后的梯形图，可以发现图中已 经再没有符合串联条件的单元。 相对应的，我们很方便的提出了并联组（parallel group）与并联操作的概念。 观察第一次串联处理后的梯形图，很容易发现图中共有 4 组符合并联处理条件的软 件单元，分别为单元 1 与单元 7、单元 2 与单元 8、单元 9 与单元 12、单元 15 与 13 单元，虚拟单元 16、17、18、19 分别替代以上四组并联组单元。这里有一条原 则：在以后的简化过程中，对待需要处理的单元，无论是自然单元还是虚拟单元都 一视同仁。图 2.13 是通过并联简化处理后的梯形图。 图 2.13 第一次并联处理后的梯形图 此时的梯形图经过一组串并联处理。当再次观察梯形图，不难发现重新出现了 符合串处理条件的单元组单元 16、单元 17 与单元 14 以及单元 18 与单元 19。 接着，对现有的梯形图继续做串联处理。简化后的梯形图如图 2.6。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 图 2.14 第二次串联处理后的梯形图 虚拟单元 20、21 分别替代存在串联关系的单元 16、单元 17 与单元 14 以及单 元 18 与单元 19。此时的梯形图已简化到只有两行，软件单元数目也由最初的 13 个 减少到 4 个。 同样的，仍然需要审视一下有无符合并联条件的单元组，很明显，单元 20 与单 元 21 符合并联处理的条件。当单元 22 的出现代替单元 20、单元 22，梯形图中再 没有可以继续串联的单元组了，我们也得到了梯形图简化的最终形式，如图 2.15。 图 2.15 第二次串联处理后的梯形图 综上所述，对于梯形图中相互嵌套的复杂串并联关系，如果用创造的新单元替 代串并、联单元组，用虚拟单元的出现屏蔽层层的嵌套关系，便