基于组态仿真平台的梯形图设计理论研究

摘 要：梯形图是一种形象、直观的图形化编程语言，沿用继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号来表达元件以及它们之间的逻辑关系。对于具有电气专业背景的人来说，非常容易接受，而且不需要学习更深的计算机知识。因此，深入研究组态仿真平台的梯形图的执行理论，设计一个好的梯形图组态仿真平台是非常必要的。

关键词：梯形图； 组态； 仿真； 执行理论

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2013）06-172-001

一、绪论

梯形图起源于电气系统的继电器逻辑和执行线路，它用不同的图符来表示不同的指令，用串、并联等概念组织图符的顺序位置来表述逻辑。它沿用继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号来表达元件以及它们之间的逻辑关系。对于具有电气专业背景的人来说，非常容易接受，而且不需要学习更深的计算机知识。

目前，有的仿真组态平台是人为把梯形图转换成逻辑模块，界面效果不好，如果进行阅读还要重新翻译回去，既费时，效率也不高。因此，组建一个有电气背景知识的人员来进行组态或阅读梯形图的仿真组态平台是非常有意义的，这样的平台可以有很好的逼真性和很高的仿真度。

二、梯形图编程语言简介

梯形图主要的组成元素为[3]：

1.电源轨线

梯形图电源轨线（Power Rail）也称作母线。其图形表示是位于梯形图左侧和右侧的两条垂直线，左侧的垂直线称为左电源轨线，或左母线。右侧的垂直线称为右电源轨线，或右母线。梯形图中，能流从左电源轨线开始，向右流动，经连接元素和其他连接在该梯级的图形元素后到达右电源轨线。

2.常开（闭）触点

如果常开（闭）触点相关布尔变量的状态是0N（OFF），那么将左边链接的状态复制到右边链接。否则，右边链接的状态是0FF。

3.线圈

左边链接的状态被复制给相关布尔变量和右边链接。

4.取反线圈

左边链接的状态被复制给右边链接。左边链接的相反状态被复制给有关布尔变量，也就是若左边链接的状态是OFF，则有关变量的状态是ON，反之亦然。

5.置位（复位）线圈

当左边链接处于ON状态时，有关布尔变量被置位为ON（OFF）状态，并保持该状态直到由RESET（SET）线圈复位。

三、梯形图执行设计总体思路

如图1中所示梯形图，我们把每个触点看成一个可以开合的开关，而左母线看成一直是通电状态的供电电源，而触点之间的连线看成是一种导线，只是通电的一个过程。而本文最后程序处理是把这个问题转化成了通路的问题，即从左母线开始共有几条通路能到达线圈5，即使得线圈5有电状态。由上例可以看出，共有两条通路，一条是通过触点1、4到达线圈5，第二条是通过触点2、3、4到达线圈5。

而这种思路的优点是运行时候不必全部把这些通路执行一遍，而是只要先判断出来一条通路是通着的，即线圈5有电，则下面的通路都不用执行，这样省略了执行时间，提高了程序运行效率。

通过上述分析就可以将梯形图转化成AOV图，将用户编写的高级语言程序转换成与之等价的低级语言程序供下位机使用。源码是梯形图，是面向图形的，应该转化成计算机能够识别的语言，即驱动程序。基于这个目的，本文的梯形图转化策略主要完成两个工作：

（1）如果直接将用户编辑的梯形图转化成计算机能识别的目标码，难度比较大，所以先将梯形图转化成AOV图；

（2）再有AOV图通过查找最短路径和通路数来实现驱动程序的编写。

四、梯形图向AOV图转换程序设计

AOV图是一种有向图，用顶点表示活动，用弧表示活动的优先关系。因此，我们可以将梯形图各触点和线圈映射成AOV图的顶点，触点和线圈之间的前驱后继关系映射成AOV图的弧。转换程序主要思想为：

（1）先从图元即AOV图顶点集合中找出一个引脚坐标最小的图元A，当做搜索起始点；

（2）根据连线信息找出与作为起始点的图元引脚相连接的图元，作为该图元的后继结点。若连线信息搜索完毕，即没有与图元A的引脚相连接的连线，搜索停止；

（3）将与起始点图元相连的图元压栈；

（4）然后将栈中的图元依次出栈；

（5）转（2）。

根据上述算法，就可以将梯形图转换成AOV图，从而转换成了通路的问题，并且可以进一步利用最短路径算法，求出最短路径，则最优通路就是最短路径，更加提高了程序的运行效率。

本文主要是对梯形图执行顺序进行了理论研究，把梯形图执行看成是两点之间一共有几条通路，以及哪条通路能使得线圈通电的问题。这样，可以把梯形图转化成AOV图，然后采用搜索后继方法找到两点之间共有几条通路，这样可以大大提高程序的执行效率。

参考文献：

[1]王俊梅等.面向对象组态软件流程图CAD的开发与实现，工业控制计算机，2000，13（3）：25-27

[2]彭瑜，何衍庆.IEC61131-3编程语言及应用基础[M]北京：机械工业出版社，2009：41-80

[3]吕崇德.仿真技术在中国电力工业中的发展及应用，系统仿真学报，1999，11（6）：226-227