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第 3期 2 0 1 1年 3月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c hi ne To o l Aut o ma t i c M a nu f a c t u r i n g Te c h ni qu e NO. 3 M a r .2 01 1 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 1 0 3 0 0 3 6 0 5 基于 P L C梯形图图元状态的实时监控算法及实现 王珍珠 , 刘 伟 , 刘 占清 1 . 中国科 学院 研 究生 院, 北京 1 0 0 0 3 9 ; 2 . 中国科 学 院 沈 阳计算技 术研 究所 , 沈 阳 1 1 0 1 6 8 ; 3 . 沈 阳高精 数控技 术有 限公 司, 沈 阳 1 1 0 1 6 8 摘要 针对数控 系统中的 P L C, 提 出了一种根据 P L C梯形图 中各图元状 态的变化 实时监控 的算法。 该算法 先依 据 P L C各 图元 扫描 值 0或 1 设置梯 形 图 中各 图元 的状 态 黄或绿 , 再 根据 各 图元 的状 态来设置横 线和 竖线 的状 态, 从 而显 示各条通路 的状 态 全绿 为通 否则不通 。 用户在监 控模 式 下 可 直观地 看到 P L C逻辑状 态 的变化 , 达 到 实时监 控 的 目的。通过 模 拟验 证 , 该 算 法 已成 功 运 用在 高档 数控 国家工程研 究 中心的蓝 天 系列数控 系统 中。 关键 词 P L C; 梯 形 图; 实时监控 ; 监控模 式 中图分 类号 T P 3 1 6 . 2 文献 标识码 A Al g o r i t hm a nd I m p l e m e nt a t i o n o f Re a l - t i m e M o ni t o r i n g Ba s e d o n t he St a t e o f La dde r Di ag r a m El e m e nt s W ANG Z h e n z hu ’ .LI U W e i r,LI U Zh a n . qi n g ’ 1 . Gr a d u a t e U n i v e r s i t y o f C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s ,B e i j i n g 1 0 0 0 4 9,C h i n a ; 2 . S h e n y a n g I n s t i t u t e o f C o mp u t i n g T e c h n o l o g y ,C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8,Ch i n a Abs t r a c t Th i s pa pe r pr o po s e s a a l g o r i t h m of i mpl e me n t i n g r e a l - t i m e mo n i t o r i n g a c c o r di n g c h a n g e s o f e a c h no d e s t a t e i n t h e La d de r Di a g r a m b a s e d t h e PLC o f n u me r i c a l c o n t r o l s ys t e m.Fi r s t l y,t h e a l g o r i t h m s e t s t h e s t a t e y e l l o w o r g r e e n o f e a c h n o d e o f t h e L a d d e r Di a g r a m a c c o r d i n g t h e s c a n n i n g v a l u e 0 o r I o f e a c h no d e o n PLC. S e c o nd l y, t he a l g o r i t h m s e t s t he s t a t e of ho r i zo n t a l a nd v e r t i c a l l ine a c c o r d ing e a c h n o d e s t a t e , t h e n t h e s t a t e o f t h e p a t h wa y i s s h o wi n g a l l g r e e n s t a n d s f o r p a s s , o t h e r wi s e n o p a s s . Us e r s c a n d i r e c t l y wa t c h t h e l og i c s t a t e c ha n g e s o f PLC t o a c h i e v e t he pu r po s e o f r e a l t i me mo n i t o r ing i n t h e M o ni t o r M o d e .Af t e r s i mu l a t i o n v a l i d a t i o n, t h e a l g o r i t h m s u c c e s s f u l l y r u n s i n t h e La n Ti a n s e r i e s n u me r i c a l c o n t r o l s ys t e m o f Na t i o n a l En g ine e r ing Re s e a r c h Ce n t e r for Hi g h En d CNC. Ke y wo r ds PLC;l a dd e r d i a gra m; r e a l - t i me mo n i t o r ing ;mo n i t o r mo d e O 引言 可编 程 控 制 器 是 一 种 数 字 运 算 操 作 的 电 子 系 统 , 专为 在 工业 环 境 应 用 而 设 计 的 。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 与算 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 类 型 的机 械 或生产过程。可编程控制器及其有 关外部设备 , 都 应 按易 于是工 业 控 制 系 统 形 成 一个 整体 , 易 于扩 充 其 功能 的原 则设 计 。 。基 于 微 处 理 器 的可 编 程 控 制 器 P r o g r a m m a b l e L o g i c C o n t r o l l e r - P L C 是通 过用 户 编 程来控 制工业 设 备运 行 的控 制 系统 。 随着 P L C 在 工业控 制领 域 中越 来 越 发 挥 特 有 的优 势 , 数控 系 统 C N C 对 P L C的监 控作 为 P L C应用 过程 的一个 重 要 环节也 显得至关 重要 。S .D a ’ n a 等 设计 并实 施 了 一 种通过 T C P / I P和 G S M 网络对 P L C程 序 进行 监控 的平 台 。S u n g J u n g Mu l ma n提 出 一种 利 用 神 经 网 络对 P L C程序进行监控和错误预测的算法 。张志 强 等基 于 P C P L C控制 系 统 串 口通 讯 技 术 和对 串 口 通 讯故 障问题 的研 究 , 提出 了运行于 P C和 P L C间 的 收 稿 日期 2 0 1 0 0 91 5 基金项 目 国家科技重大专项 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 9 0 1 3 作者简介 王珍珠 1 9 8 3 一 , 女, 山东 人, 中国科 学 院研 究 生院 硕士 研 究生 ,研究 方 向为计 算 机软 件 与理 论 , 嵌 入 式软 件 , Em a il s u r g i n g f a i r y 1 6 3 . c o rn。 2 0 1 1年 3月 王珍珠 , 等基于 P L C梯形 图图元状态的实时监控算法及实现 3 7 串口通讯监控程序的设计方法 。姜海等提 出了以 MC G S组态 软件 为开 发平 台 , 实 现 可编程 控 制器 工作 状态 监控 的方法 。文献 [ 7 ] 介 绍 了运 用 V C十 实 现 P C机和 P L C串行通 信 的编程 方法 , 开发 了上位 机 监控 系统 。文献 [ 8 ] 提 出了一种 P C机 和主 控节 点 通 过 串 口通 信实 现对 监 控节 点 进 行监 控 的方 式 。文献 [ 9 ] 提 出 了一 种基 于 P CP L C结 构 的 以组 态 王 为平 台 的监 控 方案 。本 文 提 出 的监 控 算 法是 在 数 控 系统 中 的 P L C梯 形 图 编辑 器 的 编辑 模 式 下 , 通 过设 置 梯 形 图图元显 示 位进 行 实 时监 控 P L C逻 辑 状 态 , 可 正 确有效 地对 P L C系统 进行 实时 监控 。 1梯形图及其数 据结构 梯形 图 m 是 I E C 6 1 1 3 1 - 3标 准 ⋯ 规 定 的一 种 图 形 化编程 语 言 , 它将 P L C指令 的 图形 符 号 通 过 串联 或 并联 结 构 连 接 在 一 起 , 形 成 简 单 、 直 观 、 具 有 特 定 功 能 的流 通 图 。P L C梯形 图 图元 的数据结 构 如下 t y pe de f s t r u c t n o d e { u n s i g n e d i n t t y p e ; / / 节 点 类 型 P o s P ; / / 节点 位置 P a r a mL i s t}P a r a m; / / 节点 参数 v o i d fi r s t i n ; / / 人 弧 v o i d fi r s t o u t ; / / 出弧 i n t I n ; / / 标示该 图元左边是 否是通路 i n t O u t ; / / 是否显示上一 扫描周期 的值 i n t c u r l n ; / / 暂存上一 扫描周期 的值 i n t c u r O u t ; / / 当前 出图元数 i n t v i s i t e d ; / / 图元的显示标示 位 , 为 1时显 示为绿色 , 为 0时显示 为黄色。 s t r uet n o d e }n e x t ; / / 下 一 节 点 }N o d e ; / / 节点数据结构 I n 为 1表示 该 节点 左 面 的逻 辑 为 通 路 , 否 则 不 通 。 O u t 节点 为常 开常 闭节 点 时 , O u t 为 1表示 该 节 点需 显示 上一 扫描 周 期 的 值 , 并 将 当前 周期 的值 暂 存在 c u r l n ; O u t 为 0显 示 当前 周 期 值 ; 虚 节 点 O u t 为 1表示虚 节点 的后 续 节 点 显 示 位 为 l , O u t 为 0表 示 后续节 点显 示位 为 0或者 不存 在后 续节点 。 2 C N C与 P L C的通信机制 C N C和 P L C的通信是通过数据报的传输来实现 的。该数据报结构包括首部和有效负载两部分。数 据 报格式 如 图 1 所 示 。 首部包括 通信 协议 C o m mu n i c a t i o n s P r o t o c o 1 、 有效 负 载长度 L e n g t h o f P a y l o a d 、 有 效 负 载 首 地 址 F i r s t A d d r e s s o f P a y l o a d , 共 占用 3个 字节 。 有效 负载 的 数 据 单 元 包 括 逻 辑 名 L O G N L o g i . c a l n a m e 、 字 操 作 数 WO D N Wo r d N a me 、 对 照 位 字节1 1 1 字节 1 3 1 3 1 2 2 图 1数 据 报 格 式 R B R e f e r e n c e B i t 、 地 址 A D D R A d d r e s s 、 值 V A L U E Va l u e 。 1 通信 协议 C P占一个 字节 , 是 C N C和 P L C通 信 规则 的集 合 。P L C 向 C N C发 送 请 求 , C N C对 P L C 的请求进行应答 。P L C向 C N C请求数据时将 C P置 为 2 0 1 0表示 字 操 作 数 改 变 的 数 据 请 求 或 6 1 1 0 表示 字操 作 数 未 改 变 的数 据 请 求 , 终 止 请 求 时 C P 置为 0 。若 C N C收到 P L C的请求 , 则准备请求数据 值送 回给 P L C, 将 C P置 为 3 , 若 在 C N C准 备 数 据 的 过程 中出错 则 将 C P置 为 5送 回 给 P L C。在 此 共 五 种信号 , 仅用了 8位 中的 3位 , 剩余 5位用 于扩展 。 通信协议位图如图 2 。 保留的5 位 .用 通信协议 时 O l 1 系统准备好效据 l o t 系统在准备的过 程中出错 1 1 0 字操作数为改变 时的数据请求 图 2通 信 协 议 位 图 2 有 效 负 载 长 度 L P占 一 个 字 节 , 是 P L C 向 C N C请求的数据的个数。梯形 图一屏共 1 2行 , 一行 最 多有 9个节 点 , 所 以有 效 负载 长度 最大 值 为 1 2 9 1 0 8 , 最小 值 为 0 只 有 首部 无 有 效 负 载 。有 效 负 载数 据单 元 的长度 为 3 I字 节 , 有 效 负 载长 度 的范 围 是 0 9 3 1~1 2 9 3 1字节 。 3 有 效负 载 的首地 址 F A P占一个 字节 , 是 P L C 向 C N C请求数据 的首地址 。该算法将按照有效节点 的个数建立一个有效负载的动态数组。 4 逻辑名 L O G N 占 1 3个字节 , 是梯形 图中节 点及节点参数的逻辑名称。 5 字操 作数 WO D N 占 l 3个 字 节 , 是 逻辑 名 对 应 的字 操作 数 。 6 对照 位 R B占 1个 字 节 , 字 操 作 数 与对 照 位 相 与得 到逻 辑值 。 7 字操作 数 的地址 A D D R, 是指 向 I N T的指 3 8 组 合机床 与 自动化加工 技术 第 3期 针 。 8 V A L U E 占 2个 字 节 , 将 字 操 作 数 地 址 存 放 的内 容 取 出 赋 值 给 V A L U E 。 C N C 就 是 根 据 这 个 V A L U E值来 进行动 态显示 的 。 3 监控算法实现 P L C梯形 图 中图元 的类 型不 同导致 实 时 显示 的 依 据不 同。若 图元 类 型为多 路选 择器 除外 的逻辑 值 为 1 则设 置节 点 的 v i s i t e d为 l , 显 示 为绿 色 , 否 则 显示 为 黄色 缺 省 颜 色 , 而 在 多 路选 择 器 中 , v i s i t e d 为 l 表 示 多路选 择器 的八 条路 径 中至 少有一 条 路径 是通 的 , 仅选 择 最 靠上 面 的一 条通 路 显 示 绿 色 ; v i s i . t e d为时 , 代 表 多 路 选择 器 没 有 通路 , 八 条 路 径 均 显 示 为黄色 。 该算 法 设 计 了乒 乓 快 捷 操 作 键 “ A L TD” 和 “ S P A C E ” 操 作 。“ A L TD” 键 控制 梯 形 图 “ 编辑 模 式 ” / “ 监控模 式 ” 之 间 的互 换 。 “ S P A C E ” 键 为 暂 停/ 继续扫描键。“ P g U p ” 和“ P g D n ” 对监控模式下 的梯 形 图进行上 下翻 页 。 该监控模 块 包 括 二 大 部 分 的 算 法 , 一 是 监 视 前 的准 备 , 二是 实时监 视 。 3 . 1监视前 的准备 监视前的准备包括程序初始化 , 建立数据链 , 建 立有 效负 载的动态 数组 , 获得数 据 。 3 . 1 . 1 程序初 始化 程序初 始 化 是 对 图元 节 点 中 的 I n , O u t , C u r l n , v i s i t e d四种 标示位 设置初 始值 , 并 对要 求显示 上 一周 期 的图元节 点 作 标 记 O u t 的值 为 1 。如 果 O u t 为 1 , 则要 将 当前 周期 的逻辑值 暂存 在 C u r l n里 , 以备下 一 周期 显示使 用 。 3 . 1 . 2 建立数 据链 建立数 据链是 建立 有效 节 点所 涉及 的参 数逻 辑 名 的数据链 , 首先 要计 算 有效 节 点。在 任 一 时刻 , 数 控 系统 中的 P L C梯 形 图 编辑 器 屏幕 最 多 能 显示 1 2 行梯 形 图 , 所 谓 有 效 节 点 是 指 屏 幕上 的梯 形 图 中构 成 完整 逻辑 的节点 , 靠 近 屏幕 上 部 和下 部 的图符 如 果要 与 l 2行 之 外 的 图符 才 能 构 成 完 整 的梯 形 图逻 辑则不计算在内。把一屏中除去有效节点的剩余节 点称 之为非 有效节 点 。 建立 当前屏 幕 有 效 节 点 的 数 据链 , 再 通 过 该 数 据链 建立动 态 数 组 , 而 不 是 直 接 利用 整 个 梯 形 图 的 链结 构建立 当前 屏 幕 的 动 态数 组 , 是 因 为建 立 动 态 数组需知道当前 所建数组 的确切长度。当然 , 也可 利用 整个 梯形 图的链 结构 建立 一条 有效 节点 的 指针 链 , 但 所 占内存要 多很 多 。 因此 , 对 于 内存 资 源有 限 的数 控 系统 来说 , 用动态 数组更 为合适 。 3 . 1 . 3建立有 效负 载的动 态数组 根据 3 . 1 . 2节 中建 立 的有 效节 点 数据 链 中的逻 辑 名 , 得 到动 态 数 组元 素 字 操 作 数 、 对 照位 , 并将 动 态数 组 的首地址 赋值给有 效负 载的首地 址 F A P 。 字操作 数 根 据 逻 辑 名 的不 同 而 获 得 的 方 式 不 同 1 逻辑 名 以 T开头代 表定时器 , 以 C开头 的代 表计数 器 , 以 P开头 的代 表脉 冲 , 这几 种 操作 数统 称 元操 作数 。它 们 的字 操 作 符 与 逻 辑 名相 同。 而 R B 的设 置 , 除计 数器 中的 C x x Wx x的 R B为 2 5 5之 外 , 其 余的情况计数器 C x x l x x , C x x A x x , C x x Z x x , C x x R x x 、 定 时器 和 脉冲的 R B均为 1 。 2 逻 辑 名 以 w 开 头 的 代 表 是 字 操 作 数 , 其 L O G N和 WO D N是 一样 的 , R B的值均 为 2 5 5 。 3 逻辑 名 以 u, I 开 头 的 代 表输 入 或 输 出假 设 U a b K c d对 应 的 字操 作 数 WO D N 为 Wa b K e f , 其 中 e f e d / 8, RB 2 。 3 . 1 . 4获得数 据 模 拟版本 中 获得 数 据 是 通 过 读 文 件 得 到 的 , 真 实版 本 中获得 数据 是从 I / O映像 表 中得到 的 。 3 . 2实时监视 实时监视 包括设 置 节点 、 横 线 和竖 线 的显 示 位 , 非有效 节点 的处理 , 刷新显 示 , 显 示后 的处理 。 3 . 2 . 1 图元节 点显示 位 的设 置 P L C获得数 据后 , 先 要将此 数据 与对 照位 R B相 与得 到其逻 辑 值 , 然 后 根 据 图 元 节 点 的类 型来 设 置 该节点 的显示 位 v i s i t e d , 且 此功 能块仅 对 节点 的 v i s i - t e d进 行设置 。设 n为梯 形 图 中任 一 节点 , 下 面根 据 节点类 型来设 置 1 I 1 的类 型为常 开 触 点 、 输 出节 点 、 比较 器 、 符 号 函数 , 若 逻辑 值为 1 , 则显 示 位 v i s i t e d为 l , 显示 绿 色 , 否则显示 黄色 。而若 13 为 常 闭触 点 、 反 输 出 节点 分别 与常 开触 点 、 输 出节 点 的设 置相反 。 2 n的类 型 为多路 选 择器 时 , 此 时 的 v i s i t e d显 示位 含义 与上 述 不 同 , 用 一 长 度 为 8的数 组 存 放 多 路选择 器 的布 尔值 , 数组 的下标加 1对应 选择 器 的 8 个路 径 。选 择器显 示第 一 个 布尔值 为 1的路 径 为绿 色 ; 若 8个 布尔 值都 为 , 则选择 器 8条路 径均 为黄色 。 3 . 2 . 2 横线显示 位 的设置 横 线显示 位 的设 置 是根 据 其左 面 的路 径 是 否为 通路来 处理 的。设 置横线 的显示 位 还必 须先 设 置 I n 位 。为 了竖线 显示 位设 置 4 . 2 . 3小节 方 便 , 也设 置 了虚 节 点 的 I n和 O u t 。从 当前 屏 有 效 节 点 开 始 扫 描 , 设 n为 当前节 点 , n p为 n上 一节 点 , n 1为 n的下 一 节 点 , 在 扫描过 程 中设 置每 一 节点 的 I n , 并 设 置横 线 的 v i s i t e d和虚节点 的 I n和 O u t 。由 于横线 显 示位 2 0 1 1年 3月 王珍 珠 , 等 基 于 P L C梯 形 图 图元 状 态的实 时监 控算 法及 实现 3 9 设 置较节 点 显 示 位设 置 复 杂 , 图 3给 出 了横 线 显 示 位设 置流 程 图 。 图 3横 线 显 示 位 设 置 流 程 图 横线 显示 位设 置过 程描 述如 下 1 从 梯形 图 当前 屏 中取 出一 个 有效 节 点 n , 如 果该节 点为空节 点 , 就结束 , 否 则就将 n ln一 ne xt o 2 根据 n的类型不同来进行不同的设 置, 分 5 种类 型 a n为条 件节 点 , 若 n的 I n为 1 , 则 n的 v i s i t e d 为 1 。 b n为 多路选 择 器 , 此 时若 多路 选 择 器 的 显示 位 为 1 , 则下 一节 点 n l的 I n也 为 1 。 c n为 常开 节 点 、 常 闭 节点 、 数 值 比较 器 、 符 号 函数 时 , 若 n的 I n和 v i s i t e d都 为 1 , 则 n 1的 I n也 为 1。 d n为横 线 , 若 n p是 虚结 点 , 则 n的 I n为 1 , 若 n p不 是虚 节点 , 且 n的 I n为 1 , 则 n的 v i s i t e d为 1 , 此 时要 根据横 线 n的前 一 节 点 n p是 否是 虚 节 点 来 设 置 n的 I n位 和 v i s i t e d显 示 位 。若 n的 I n和 v i s i t e d 都 为 1 , 则 n 1的 I n位 也为 1 。 e n为虚节 点 , 梯形 图中并联 结 构 是 由虚 节 点 来 连 接 的 , 图 4标 出 出虚 节 点 的位 置 。若 存 在 与 虚 节点 同行 且 紧接 虚节点 的 图元节 点 n 1 , 若 n 1的 v i s i t e d为 1 , 则 n的 Ou t 为 1 。 图 4竖 线 显 不 位 设 置 流 程 图 3 继续 取 当前屏 中的有 效 节点 进行 上 述 处理 , 直 到处 理完 当前 屏 中所有 的有 效节 点 。 3 . 2 . 3竖 线 的设置 我们 假 定 图 5中的 三 个 虚 节 点 分 别 记 为 X , x 2 , x 1 , 其 中 x 2的 v i s i t e d控 制 X和 x 2之 间 的 竖 线 的显 示 , x 1的 v i s i t e d控 制 x 2和 x l之 间 的 竖 线 的 显 示 。 如果 梯 形 图 中 X和 x 1之 间 还 有 虚 节 点 则 设 为 X n 。 在扫 描梯形 图 的 过 程 中 , 虚 节 点 的 设 置 是 一 个 递 归 的过 程 , 设 置过 程描 述如 下 , 流程 图如 图 4所示 。 图 5查 找 梯 形 图 中的 虚 节 点 竖线 显示 位设 置过 程描 述如 下 1 取 当前 屏 中有效 节点 中 的一个 虚节点 X 。 2 查看 虚 节点 X的 I n和 O u t , 若满 足条件 X一 I n0& x一 O u t 0 记 为 条件 a , 说 明当前 虚节 点不 需要 处理 。 3 如果 X不满足条件 a , 就做 以下处理 a 找 到 X最 底 层 的虚 节 点 , 在 图 5中 , 最 底 层 的虚节点 为 x 1 , 若 满 足 条 件 X一 I n 1 & x 1一 Ou t 1 l I X一O u t 1 x l一I n 1 4 0 组合 机床 与 自动化 加 工技术 第 3期 记 为条 件 b , 那 么 x下 面 的虚 节 点 的 v i s i t e d都 为 1 , I n和 O u t 都为。如果不满足条件 b , 则 x l一v i s i . t e d0。 b 找 到紧接 x l的上 一行 的 虚节 点 图 5中为 x 2 , 若不存 在 】 【 2 , 竖线处 理结束 , 否则 按处理 X和 x 1 的方法 , 即递 归 条 用 1 处 理 x和 x 2 。如 果 x和 x 2 之间还 存在 多 个虚 节 点 , 比如 X和 x 2之 间 还 有 x n , 则按 同样的方 法处理 x和 x n 。 4 继 续扫 描并处 理虚 节点 , 直 到 当前屏 有 效节 点的虚 节点都处 理结束 。 4 结束语 该算 法是在 梯形 图编 辑 器下 先 是设 置梯 形 图 中 各图元 节点 状态 显 示 , 然 后 根 据 图元 节 点 状 态 设 置 横 线显示 , 最 后 根 据 图元 节 点 和横 线 的显 示 来 确 定 梯 形 图中竖线 的显示 来 进行 实 时监 控 的 。通过 模 拟 数 据验证 , 该算 法 可以正 确 、 快捷 地 跟踪 P L C内部运 行 数据 的状态 , 为 梯 形 图 的监 控 模 块 设 计 起 到 了指 导 意义 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]唐明军.基于 A R M 的可编 程控制 器的研制 [ J ] .南 京 南京信息工程大学 , 2 0 0 7 . 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