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1、 第 1 1期 2 0 1 3年 l 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne To o l& Au t o ma t i c M a n uf a c t u r i ng Te c hn i qu e NO 1 1 NO V 2 01 3 文 章 编 号 ： 1 0 0 12 2 6 5 ( 2 0 1 3 ) 1 10 0 6 10 3 软 P L C梯形图向指令表转化的算法研究与实现 水 韩 江， 段 少磊 ， 夏 链 ， 董 方方 ( 合肥 工 业大 学 机械 与汽 车工程 学 院 ， 合 肥 2 3 0 0 0 9 )
2、 摘 要 ： 梯 形 图与 指令表 是 P L C 中最常 用的 两种语 言 。其 中梯 形 图形 象直观 ， 易于编程 ， 但 梯形 图往 往 需要 转换 为指令 表语 言才能在 P L C运行 系统 中解释 执 行 。针 对 上 述 问题 提 出 了一 种 适 用 于数控 机 床 软 P L C的梯 形 图向指 令表 转换 的算 法 。该 算 法基 于 A O V 图映射 ， 将 梯 形 图程 序 存 储 为邻 接表 数 据 结 构 ， 采 用拓 扑排 序 方法将 邻接 表 中 内容 按 指令 表 逻 辑 顺序 输 出 ， 最 终 实现 梯 形 图 向指 令表 的 转 化 。论 文 给 出
3、 了该 算 法在 自主开发 的软 P L C中的一 个应 用 实例 ， 描 述 了梯 形 图 向指 令表 转化 的主要 思 想和 实现过程 。 关键词 ： 软 P L C； 梯 形 图； 指 令表 ； A O V图 ； 邻接 表 ； 拓 扑排序 中 图分 类 号 ： T H1 6 4 ； T G 6 5 9 文 献标识 码 ： A Re s e a r c h a n d I mpl e m e nt at i o n of Al g o r i t hm f r o m LD t o S TL i n S o f t PLC HAN J i a n g，DUAN S h a o l e i
4、，XI A Li a n，DONG Fa n g - f a n g ( S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g，He f e i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，He f e i 2 3 0 0 0 9，C h i n a ) Ab s t r ac t ：La dd e r di a g r a m a n d i ns t r u c t i o n t a b l e a r e t he t wo mos
5、t c o mmon l y u s e d l a n g u a g e i n t he P LC La dd e r di a g r a m f o r i t s i n t u i t i v e i ma g e i s e a s i l y t o p r o g r a m ， b u t for b e i n g i n t e r p r e t e d a n d e x e c u t e d b y t h e P LC r un t i me s y s t e m ，i t o f t e n ne e d t o c o n v e t o i n s
6、t r u c t i o n t a bl e I n v i e w o f t h e a b o ve q u e s t i o n，a n a l g o r i t h m o f t r a ns f o r ma t i o n f r o m l a d d e r d i a g r a m t o i ns t r u c t i o n t a b l e fo r t he s o f t PLC o f CNC ma c h i n e t o o l s i s p r e s e n t e d Ba s i n g o n AOV d i a g r a p
7、 h，L a d d e r d i a g r a m i s s t o r e d for a d j a c e n c y l i s t i n t h i s a l g o r i t h m，a n d t h e c o n t e n t s o f t h e a d j a c e n c y l i s t a r e o u t p u t a c c o r d i n g t o i n s t r u c t i o n t a b l e l o g i c a l s e q u e n c e b y t h e t o p o l o g i c a
8、 l s o r t me t h o dFi na l l y，t h e tra n s f o r ma t i o n f r om l a d d e r di a g r a m t o i n s t r uc t i o n t a bl e i s c o mp l e t e d An e x a mp l e o f t r a n s f o r ma t i o n i n t h e s e l f d e v e l o pe d s o f t PLC i s g i v e n i n t h e p a p e r，whi c h i nt r o d u
9、c e s t h e ma i n i d e a o f t h e a l g o r i t h m a n d r e a l i z a t i o n p r o c e s s Ke y w o r d s ： s o f t P L C； l a d d e r d i a g r a m； i n s t r u c t i o n t a b l e ； AO V d i a g r a p h ； a d j a c e n c y l i s t ； t o p o l o g i c a l s o r t 0 引言 传统 P L C技 术 产 生 至今 ， 因其
10、自身 存 在 的一 些 难 以克服 的缺 点 ， 发 展受 到 严 重 的 限制 。近年 来 ， 随 着计 算机 技术 的 飞 速发 展 ， 软 P L C这项 新 兴 技 术 迅 猛发展 ， 它不仅具有传统 P L C在功能 、 可靠性、 速度 等方 面 的优点 ， 而 且 与之 相 比 ， 更 加 开放 、 灵 活 ， 价 格 也更 加低 廉 。 软 P L C技 术符 合 国际 电工 委员 会 制定 的工业 自 动化 系 统 控 制 逻 辑 组 态 软 件 标 准 ( I E C 6 1 1 3 1 3 ) ， 其 主要 的 编程语 言 有梯 形 图和 语句 表 两 种 。梯 形 图作
11、为一种形象直观的语言 ， 利于编程 和理解 ， 但不能被 P L C的 C P U识 别 。与 之 相 比 ， 指令 表 更 接 近 于 汇 编 语 言 ， 易 于 底 层 运 行 系统 的解 释执 行 。 因此 实 际 逻 辑控 制 中往往 需 要将 梯 形 图 转化 为 指 令 表 。然 而 如 果通 过人 工进 行 指令 表 翻 译 ， 工作 量 大 且 容 易 出错 ， 所 以研究 一种 切实 可 行 的梯 形 图 向指 令表 转 化 的算 法很 有 必 要 。本 文 基 于 A R M 9平 台 ， 提 出 了一 种 先将梯形 图映射为 A O V图 ， 再用邻 接表存储 ， 最后
12、进行 拓扑 排序 的指 令 表 转化 算 法 。该算 法 具 有 通用 性 ， 不仅成 功 应 用 于 自主开 发 的齿 轮数 控 系 统 的 软 P L C模 块 当 中 ， 而且 可 以用 于 F A N U C， 西 门子 和三菱 等 多种 P L C梯 形 图 向指 令表 的转 化 。 1 A OV 图 ， 邻接表 和拓扑排序 1 1 AoV 图 在一 个有 向无 环 图 G 中 ， 若 用顶 点表 示 活 动 或 任务， 有向边表示活动 间的先后关系 ， 则称该有 向图 G为顶 点表 示活 动 的网络 ， 简称 为 A O V图 。 1 2邻接 表 邻接 表是 最 常用 的一 种 图
13、 的顺 序存 储 与 链 式存 收稿 日期 ： 2 0 1 30 31 9 基金项 目： 十二五国家科技 重大专项 资助 ( 2 0 1 2 Z X 0 4 0 0 1 0 2 1 ) ； 国家科技支撑计划资助( 2 0 1 2 B A F 1 3 B O O) 作者简介 ： 韩 江( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 河南洛 阳人 ， 合肥 工业大 学教授 ， 博 士 ， 博士 生导师 ， 主要从事数控 系统与数控 技术方 面的研究 ， ( Em a i l ) d s l h e ll o wy 1 6 3 c o rn。 6 2 组合机 床 与 自动化 加工 技术 第 1 1期 储 结
14、合 的存储 方 法 。对 图 的每个 顶 点 建立 一个 单 链 表 ， 该 单 链 表包 含 两 种 结 点 结 构 ， 如 图 1所 示 ， 一 种 是结点 表 的结 点 结 构 ， 它 由顶 点 域 和指 向第 一 条 邻 接边的指针域构成， 另一种是边表结点 ， 它 由邻接点 域和指 向下 一条邻 接边 的指 针域构 成 。 顶点域 指针域 邻接点域 指针域 匝 工 工 顶点表 边表 图 1邻接表表示的结点及边表结构 1 3拓 扑排序 在 有 向 图 G 中 ， 寻 找 一 个 线 性 序 列 ( V ， ， ) ， 其 中从 顶点 到 有 一条 路径 ， 序 列 中顶 点 V 必 在
15、 之前 的过程 称 为拓扑排 序 。 2 梯 形图的映射及邻接表存储 2 1 梯 形 图向 AOV 图的映射 顶 点和 弧是构 成 A O V 图 的基 本 元 素 ， 其 中顶 点 是 构 成 A O V 图 的 关 键 ， 而 弧 是 构 成 A O V 图 的 骨 架 ， 我们 将梯 形 图中 的基本 图元抽 象 为 顶点 ， 图元 与图元之间的连接线抽象为有向图 中的弧， 这样就 得 到 了梯形 图的 A O V 图结 构 。 2 2梯 形图 的邻接 表存储 形式 常用的 A O V有向图的存储结构有邻接矩阵， 邻 接 表和 十字链 表 三种 ， 其 中邻 接 矩 阵属 于静 态 方
16、法 ， 效 率很 低 。相 比而 言 ， 邻 接 表 和 十 字 链 表 都 属 于 动 态存 储 结 构 ， 更 适 用 于 梯 形 图 的存 储 。 由于 十 字 链 表 方法 容 易 求 得 顶 点 的 入 度 和 出 度 ， 因 此 有 的 研 究 基于十字链表结构来存储 梯形图程序， 虽然也 能方便的实现指令表的转化， 但其建立过程 比较复 杂。与之相比， 邻接表更易建立 ， 也容易求得某个顶 点 的 出度 ， 但 是 求 人 度 需 要 遍 历 整 个 邻 接 表 。综 合 比较 二 者 的优 缺点 ， 本 文选 用 邻 接表 存 储结 构 ， 同时 在梯 形 图 向 A O V
17、图 映 射 过 程 中 统 计 各顶 点 的 入 度 信息， 以此来弥补邻接表求人度难的缺点。 梯形 图映射为 A O V 图后 ， 根据 所 记 录 的顶 点 信 息 以及 各 顶点 前驱 结 点 和后 继结 点 的信 息就 可 以将 梯 形 图存 储 为邻 接 表 结 构 ， 其 邻 接 表 顶 点 表 和 边 表 的定 义 描述如 下 ： t y pe de f s t r u c t Ve r t e x Ty p e； t y p e d e f s t r u e t n o d e 边 表结点 i n t v e x ； 邻接点域 s t r u c t n o d en e x
18、 t ； 指 向下一邻接点指针域 Ed g e No d e ； t y p e d e f s t r u c t Vn o d e 顶 点 表 结 点 Ve r t e x T y p e v e r t e x ； 顶 点 域 E d g e N o d e l i n k ； 边 表 头 指针 i n t i n d e g r e e ； 入度 值 i n t o u t d e g r e e ； 出度 值 V e r t e x N o d e ； t y p e d e f V e r t e x N o d e A d j L i s t MA X V E R T E X N
19、 U M ； 声 明顶 点数 组 t y p e d e f s t r u c t 定 义 图 的数 据结 构 A d j L i s t d i g ； 邻接表 i n t v e x n u m； 图 的顶 点 数 A L G r a p h ； A O V图的存储 过 程 ： 首先 将 映 射 得 到 的 顶 点 数 目赋给 G v e x n u m， 然 后 做 一 个 f o r 循 环 遍 历 每个 顶 点 ， 将 顶 点 i 入 度 值 i n d e g r e e赋 给 G d i g i i n d e g r e e ， 统计 每个 顶点后 继结 点 的数 目， 再做
20、 一个 f 0 r 循 环 ， 遍历 每个顶 点 的各 后继 结 点 ， 将 第 一个 后 继 结 点 的编号赋 值给边 表 邻接 点 域 s v e x ， 然后 把 边 表 指针 域 s n e x t 赋值 为空 ， 最后将 边表 指针 s 指 向顶 点指针 域 ， 这样第 一 个 后 继 结 点 与 顶 点 的链 表 结 构 就建 立 起 来 ， 重 复上 述 过 程 直 到 所 有 后 继 结 点 都 与 顶 点建 立链 表关 系 为 止 ， 如 此 就 完 成 了一 个 顶 点 的单 链 表 结 构 的建 立 ， 继 续循 环 扫描 其 它顶 点 ， 分 别建 立 相应 的单链表
21、， 当所 有顶 点 扫描 完 成后 ， 梯 形 图 的邻 接表 存储 结构 就建立 完成 了。 邻接 表数 据 建 立 后 ， 就 可 以方 便 的求 得 各 顶 点 的出度值 ， 只需要 做一 个 f o r 循 环 ， 统 计 以顶 点 i 所在 链 表 的后 继结 点数 目， 即可 得 到该 顶 点 的 出度值 ， 并 存储 在变 量 G d i g i o u t d e g r e e中。 3梯形 图转化为指令表实例 根据 前面 所 述 转 化 算 法 ， 现 举 一 实 例 如 图 2所 示 。 图 2 a是在 自主开 发 的编 程 环 境 中编 写 的梯 形 图 ， 该程序 具有
22、 块并 联 和块 串联 的典 型结 构 ， 可 以映 射 为 图 2 b所示 的 A O V有 向图 ， 图 2 b则 可 以存 储 为 图 2 c形式 的邻接 表 。 ( a ) 梯形图 ( b ) A O V有 向图 v e r t e x i n d gr e e l i n k V e X l l e xt VP 0 j 1 X O 0 0 l 1 _ 一 X( ) o1I 1 Xo o 2l 2 X0 0 3l 1 X0 04 l YO 0 0l 2 X0 o 5l i X 0 0 6 l 2 X0 o 7i 1 X0 o 8 1 ( c ) 邻接表 图 2典 型 梯 形 图 的 A
23、OV 图 与邻 接表 对 应 关 系 曼 爹 2 0 1 3年 1 1月 唐 传 胜 ， 等 ：无速度 传 感器 永磁 同步 直线 电机 伺服 系统 的 自适应 鲁棒控 制 6 7 5 结 论 本 文依 据 P ML S M 的结构 特 点 ， 以 电机 的 速度 和 d轴电流作为状态观测量 ， 以 d 、 q轴电压作为输出 ， 提 出 了一种 自适 应 鲁 棒 控 制 控 制 策 略 ， 并 通 过 理 论 分析 和 仿 真 实 验 ， 验 证 了所 提 出 的控 制 策 略 与 P I D 控制 、 S M C相 比 ， 不但 具 有很 强 的抗 负 载 能 力 和对 参 数 时变 的 鲁
24、 棒 性 ， 而 且 具 有 较 快 的 速 度 响 应 能 力 。 同时， 提 出的新 型滑模观测器 比传统 滑模 观测器具 有更 高 的观 测精 度 ， 有 效改 善 了系 统 的观测性 能 。 参考文献 1 C h u n l i a n g L i n ， H o r n y o n g J a n ， N i a h n c h u n g S h i e h G A b a s e d mu l t i o b j e c t i v e P I D c o n t r o l f o r a L i n e a r B r u s h l e s s DC mo t o r J
25、I E E E A S ME T r a n s o n Me c h a t r o n i c s ， 2 0 0 3 ， 8 ( 1 )： 5 66 5 2 He mt n d e z g u z m i n V M， S i l v a o r t i g o z a R P I c o n t r o l p l u s e l e c t r i c c u r r e n t l o o p s f o r P M s y n c h r o n o u s mo t o r s J I EEE Tr a ns o n Co n t r o l S ys t e ms Te c
26、hno l o g y，20 1 1，1 9 ( 4)： 8 6 88 7 3 3 刘 贤兴 ， 卜 言柱 ， 胡 育文 ， 等 基 于精 确线性 化解 耦 的永 磁 同步电机 空 间矢 量 调制 系统 J 中 国电机 工 程 学 报 ， 2 0 0 7， 2 7( 3 O) ： 5 55 9 4 F a a j e n g L i n ， P o h u n g S h e n ， R o n g r o n g F u n g R F N N c o n t r o l f o r P ML S M d r i v e v i a b a c k s t e p p i n g t e c
27、 h n i q u e J I E E E T r a n s o n Ae r o s p a c e a n d E l e c t r o n i c s S y s t e ms ， 2 0 0 5， 4 1 ( 2) ： 6 20 6 40 5 Yu n H o n g ， B i n Y a o A g l o b a l l y s t a b l e h i g h p e r f o r m a n c e a da pt i v e r o b us t c o nt r o l a l g or i t h m wi t h i npu t s a t u r a t
28、i on f o r pr e c i s i o n mo t i o n c on t r o l o f l i n e a r mo t o r dr i v e s y s t e ms J I E E E A S ME T r a n s o n Me c h a t r o n i c s ， 2 0 0 7 ，1 2 ( 2)： 1 9 82 0 7 6 张国柱 ， 陈杰 ， 李 志平 基 于复 合 自适 应律 的直 线 电机 自适应鲁棒 控制 J 控制 理 论与 应用 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 8 ) ： 83 3 83 7 7 张希 ， 陈宗祥 ， 潘俊 民 ，
29、等永 磁 直线 同步 电机 的固定边 界层 滑模控 制 J 中 国电机工 程学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 2 2 ) ： 1 1 5 1 21 8 孙宜标 ， 杨雪 ， 夏加 宽 ， 等基 于对 角化 法 的永 磁 直线 同 步 电机 二阶滑模控制 J 中国 电机 工程学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 2) ： l 2 41 2 8 9 C u p e r t i n o F ， N a s o D， Mi n i n n o E， T u r c h i a n o B S l i d i n g m o d e c o nt r o l wi t h d o u
30、 b l e b o u nd a r y l a y e r f o r r o bu s t c o mp e n s a t i o n o f p a y l o a d m a s s a n d f r i c t i o n i n l i n e a r m o t o r s J I E E E T r a n s o n I n d u s t ry A p p l i c a t i o n s ， 2 0 0 9， 4 5( 5)： 1 6 8 81 6 9 6 1 O F a a j e n g L i n ， P o h u n g S h e n ， S o n
31、g l i n Y a n g ， P o h u a n C h o u Rec ur r en t r a d i a l b a s i s f u c t i o n n e t wo r k ba s e d f u z z y n e u r a l n e r wo r k c o n t r o l for p e r ma ne nt - ma g ne t l i n e a r s y n c hr o no us m o t o r s e r v o d r i v e J I E E E T r a n s o n M e c h a t r o n i c s ，
32、 2 0 0 6 ， 4 2 ( 1 1 )： 3 6 9 43 7 0 5 1 1 C h a o u i H， S i c a r d P A d a p t i v e f u z z y l o g i c c o n t r o l o f p e r m a n e n t ma g n e t s y n c h r o n o us ma c h i n e s wi t h n o l i n e a r f r i c t i o n J I E E E T r a n s o n I n d u s t ry E l e c t r o n i c s ， 2 0 1 2
33、 ， 5 9( 2) ： 11 2 3 一 l 1 3 3 1 2 邹积浩 ， 朱善安基 于最大推力 电流法的凸极式永 磁直 线 同步 电动机速度无传感器推力直接控制 J 电工技 术学报 ， 2 0 0 4 ， 1 9 ( 1 2 ) ： 6 9 7 7 1 3 王庆龙 ， 张崇巍 ， 张兴 基 于变 结构模 型参 考 自适应 系 统 的永磁 同步 电机转 速辨 识 J 中 国电机工 程学报 ， 2 0 0 8， 2 8 ( 9)： 7 l一7 5 1 4 黄雷 ， 赵光轴 ， 年珩基 于扩展 法 电动 势估算 的 内插 式 永磁 同步 电动机 无传 感 器控 制 J 中 国电机 工程 学 报
34、 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 9 ) ： 5 9 6 3 1 5 鲁文其 ， 黄文新 ， 胡育 文永磁 同步 电动机新 型滑模 观 测器无传感器控制 J 控制理论与应用 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 4 ) ： 42 9 43 2 1 6 鲁文其 ， 胡育文 ， 杜栩杨 ， 等永磁 同步电机新型 滑模 观 测器无传感器矢量控制调速系统 J 中国电机 工程学 报 ， 2 0l O， 3 0( 3 3)： 7 88 3 1 7 陆华才 ， 徐月同基于 A E K F的永磁直线 同步电机 速度 和位置 估 计 算 法 J 中 国 电机 工 程 学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 9 (
35、 3 3)： 9 09 4 1 8 C u p e r t i n o F ， G i a n g r a n d e P ， G i a n m a r i o P， S a l v a t o r e L End e f f e c t s i n l i n e a r t u bul a r mo t o r s a nd c o mp e ns a t e d p o s i t i o n s e n s o r l e s s c o n t r o l b a s e d o n p u l s a t i n g v a h a g e i n j e c t i o n J
36、 I E E E T r a n s o n I n d u s t r y E l e c t r o n i c s ， 2 0 1 1 ， 5 8 ( 2)： 4 9 45 0 2 1 9 郭庆鼎 ， 王成 元 ， 等直线 交流伺 服系统 的精 密控制 技 术 M 北京： 机械工业出版社 ， 2 0 0 0 ( 编辑赵蓉) ( 上接 第 6 3页) 4 结束 语 本 文提 出 的 算 法 以邻 接 表 作 为 存 储 工 具 ， 通 过 A O V图映射和拓扑排序 方法， 成功的实现 了梯形图 向指 令 表 的 转 化 。该 算 法 具 有 通 用 性 ， 适 用 于 各 种 数控产品中
37、软 P L C梯形 图向指令表 的转化 ， 已经成 功应 用 于 自主开 发 的齿 轮数 控 系统 的 软 P L C模 块 当 中， 证 明了该算法的实用性和可靠性 。 参考文献 1 黄延延 ， 林 跃 ， 于海斌 软 P L C技 术研究及 实现 J 计 算机工程 ， 2 0 0 4， 3 0 ( 1 ) ： 1 6 51 6 7 2 黄晶晶， 陈文芗 ， 叶军君， 等 基于二叉树 的P L C梯形图转化 为指令表的算法 J 现代电子技术， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 2 51 2 7 3 陆 秦数 据 结 构 M 北 京 ： 中 国水 利 水 电 出版 社 。 2 00 9 4 陈明数据结构 M 北京 ： 清华 大学 出版 社 ， 2 0 1 1 5 朱兆斌 ， 赵东标软 P L C中梯 形图 向指 令表转 化的实 现 J 机械与 电子 ， 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 6 1 6 3 6 冯光 ， 夏清 国， 裴元 方P L C梯形 图 向 A O V图的一 种转 化算法 J 航空计算技术 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 2 ) ： 1 0 91 1 2 7 陈 贤国数控机 床 P L C编 程 M 北 京 ： 国防工 业 出版 社 ， 2 0 1 0 ( 编辑赵蓉 )