CN103559727A - 一种梯形图数据结构描述及扫描解析方法 - Google Patents

Abstract

一种梯形图数据结构描述及扫描解析方法。其方法包括：1）将引脚作为梯形图图形元素的图形属性成员，并且连接线元素包含并入、并出类型引脚；2）将父节点、子节点元素作为梯形图图形元素的模型属性成员，并且连接线元素包含水平、垂直子类型；3）采用梯形图图形元素组成的“十字链表”和“二叉树”数据结构描述和记录梯形图中所有元素的图形属性与模型属性；4）遍历“十字链表”与“二叉树”计算梯形图图形元素之间（含连接线元素）的拓扑关系；5）遍历“二叉树”计算梯形图图形元素之间（连接线元素除外）的逻辑关系。本发明在描述梯形图图形元素之间拓扑关系同时记录了逻辑关系，简化了解析算法，提高了转化成中间语言的效率。

Description

一种梯形图数据结构描述及扫描解析方法

技术领域

本发明属于PLC软件开发技术领域，具体涉及一种梯形图的数据结构描述及扫描解析方法。

背景技术

PLC（可编程逻辑控制器）是一种取代继电器执行逻辑运算及其他顺序控制功能，控制各种类型的机械或生产过程的电子装置。具有可靠性高、编程简单、使用方便、功能完善、通用性好等特点。

梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图相似，直观易懂，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。但是，梯形图不能直接被PLC所识别，无法在PLC中直接运行。因此需要将梯形图转化为PLC能够识别的形式。

目前，已公开的各种文献中提到的梯形图转换成中间语言的方法中，梯形图数据结构描述较为复杂，并且，采用的梯形图转换成树形数据结构的转换算法通常比较复杂（例如：先将梯形图映射为AOV图再进行转化），生成的树结构中包含辅助信息；以至于解析梯形图逻辑关系的算法通常时间复杂度较高，影响了转换效率。因此，对于图形元素之间串、并联关系复杂的梯形图转换受到限制，不能很好的应用到逻辑关系相对复杂的梯形图程序。

发明内容

本发明主要针对现有PLC软件开发中梯形图数据结构复杂、辅助信息较多、并且梯形图扫描算法复杂、解析效率较低等缺点。提出了一种面向对象的易于实现、简单、高效的基于图形元素“十字链表”和“二叉树”数据结构的描述和扫描解析梯形图拓扑关系和逻辑关系的方法。梯形图图形元素实例化过程中，采用基于图形元素“十字链表”来描述图形属性的同时，使用图形元素“二叉树”记录梯形图的模型属性，并且通过扫描图形元素“十字链表”和“二叉树”来解析梯形图图形元素之间的拓扑关系和逻辑关系。

在介绍本申请的技术方案之前，首先对本申请中出现的技术特征名称解释或定义如下：

图形元素：就是组成梯形图的各种“图形符号”，包括连接线、网络、触点、线圈、运算块、跳转、标号、返回、注释等；

连接元素：梯形图中触点、线圈等其它图形元素通过“连接线”进行连接，包含水平和垂直两个方向，分别对应着连接线两端的图形元素之间是“串联”和“并联”关系；

水平类型：水平方向连接左、右两个图形元素的连接线类型；

垂直类型：垂直方向连接上、下两个图形元素的连接线类型；

前、后向元素：梯形图中某一图形元素的左、右侧对应的图形元素，其中左边的图形元素称为本元素的前向元素，右边的图形元素称为本元素的后向元素；引脚的四个类型（输入、输出、并入、并出）：

①输入引脚：连接前向元素的引脚称为图形元素的输入引脚；

②输出引脚：连接后向元素的引脚称为图形元素的输出引脚；

③并入引脚：对于连接线元素（水平或垂直）连接左侧垂直连接线的引脚称为连接线元素的并入引脚；

④并出引脚：对于连接线元素（水平或垂直）连接右侧垂直连接线的引脚称为连接线元素的并出引脚；

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现：

本发明采用梯形图图形元素组成的“十字链表”和“二叉树”对梯形图的数据结构进行描述，通过遍历图形元素“十字链表”和“二叉树”对梯形图的拓扑关系和逻辑关系进行解析。

一种梯形图数据结构描述及扫描解析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）定义图形元素在梯形图中的图形属性，将引脚作为梯形图中触点元素、运算块元素、跳转元素、返回元素、线圈元素的图形属性成员；在梯形图编辑时，图形元素之间通过引脚相互连接，连接线元素除含有输入、输出引脚属性外，还包含并入、并出类型引脚，并且通过并入、并出类型引脚的所属图形元素的图形属性能够得到相应的连接线元素；引脚的图形属性中除所属图形元素图元属性外，还包含所连接的对端引脚和连接的对端的图形元素；触点元素、运算块元素包含输入、输出引脚；线圈元素、返回元素、跳转元素只包含一个输入引脚；

（2）定义图形元素在梯形图中的模型属性，连接线元素的模型属性包括元素子类型（水平类型、垂直类型），父节点元素，左子节点元素，右子节点元素；触点元素、运算块元素、线圈元素、返回元素、跳转元素的模型属性中只包括父节点元素，其自身只作为叶子节点元素；

（3）梯形图图形元素实例化过程中，设置图形元素的前向、后向图形元素，对于连接线元素还要设置并入、并出本连接线元素的其它连接线元素，这样整个梯形图就可以采用“十字链表”数据结构来描述梯形图所有图形元素的图形属性；设置图形元素父节点元素，左子节点元素，右子节点元素，对于连接线元素要设置左子节点元素、右子节点元素、父节点元素；对于其他图形元素设置父节点元素，这样整个梯形图就可以采用“二叉树”数据结构来记录梯形图所有图形元素的模型属性；

（4）通过遍历梯形图图形元素组成的“二叉树”和“十字链表”，扫描解析出梯形图图形元素的相对位置的静态关系和包括嵌套在内的并联逻辑关系，并且结合梯形图编辑过程的操作，进一步计算出梯形图编缉过程中图形元素相对位置变化的动态拓扑关系；

（5）采用中序遍历算法扫描记录梯形图图形元素之间逻辑关系的“二叉树”，并且结合图形元素的类型及连接元素子类型计算出“二叉树”上由触点组成的串、关联关系，计算出运算块元素、跳转元素、返回元素执行的判断条件，以及线圈元素的赋值关系。

本发明的优点及积极效果是：

本发明提出了一种梯形图的数据结构描述及扫描解析方法，具有如下优点和积极效果：

（1）定义的梯形图图形元素数据结构简单、易于实现；

（2）梯形图图形元素的图形、模型属性描述层次清晰，易于封装；

（3）梯形图图形元素图形属性解析简单，通过扫描梯形图图形元素组成的“十字链表”和“二叉树”即可计算出表示梯形图图形元素间的拓扑关系；

（4）梯形图图形元素模型属性解析简单，通过扫描梯形图图形元素组成的“二叉树”即可很容易的计算出梯形图图形元素间的复杂的逻辑关系；

（5）梯形图图形元素组成的“二叉树”不包含辅助信息，转化成中间语言的遍历解析算法简单、易于实现，大大提高了梯形图转化成中间语言的效率。

附图说明

图1为梯形图编译数据流示意图。

图2为连接线元素特征示意图，其中：

a为单条水平连接线；

b为水平连接线与左侧垂直连接线；

c为水平连接线与右侧垂直连接线；

d为水平连接线与左侧、右侧垂直连接线。

图3为梯形图示例。

图4为梯形图“十字链表”拓扑关系图，其中：

a为跳转、线圈、返回元素在链表中的节点；

b为触点元素在链表中的节点；

c为连接线元素在链表中的节点；

d为整个梯形图所有元素组成的链表。

图5为梯形图“二叉树”逻辑关系图。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例对本发明方法做详细说明：

如图1所示，本发明实现的梯形图数据结构描述和扫描解析方法的示意图。梯形图图形元素实例化过程中，采用梯形图图形元素组成“十字链表”和“二叉树”对梯形图的数据结构进行描述，通过遍历图形元素“十字链表”和“二叉树”对梯形图的拓扑关系和逻辑关系进行解析。具体包括以下步骤：

1、定义图形元素在梯形图中的图形属性：

（1）、连接线图形元素：除了具有输入、输出类型引脚外，还含有并入、并出类型引脚；并且通过并入、并出引脚的所属图形元素能够得到相应的连接线元素。（如图2a水平方向连接线的并入、并出引脚连接为空；如图2b水平方向连接线的并入引脚连接了左侧的垂直方向连接线；如图2c水平方向连接线的并出引脚连接了右侧的垂直方向连接线；如图2d水平方向连接线的并入引脚连接了左侧的垂直方向连接线、并出引脚连接了右侧的垂直方向连接线。）

（2）、触点元素具有图形元素子类型（触点的子类型包含：常开、常闭等）、输入引脚，输出引脚。

（3）、运算块元素具有图形元素子类型（运算块子类型包含：程序、函数、功能块），多个输入引脚、多个输出引脚。

（4）、线圈元素具有图形元素子类型（线圈的子类型包含：置位、复位、取反等）、输入引脚、输出引脚，

（5）、返回元素、具有图形元素子类型、输入引脚；

（6）、跳转元素具有图形元素子类型、输入引脚；

（7）、图形元素的其它公共图形属性参数。

2、定义图形元素在梯形图中的模型属性：

（1）、连接线元素具有元素子类型（水平类型、垂直类型，如图2a为水平类型连接线；如图2b水平类型连接线连接了左侧的垂直类型连接线；如图2c水平类型连接线连接了右侧的垂直类型连接线；如图2d水平类型连接线同时连接了左侧的垂直类型连接线和右侧的垂直类型连接线。）），父节点元素，左子节点元素，右子节点元素。

（2）、触点元素具有父节点（自身只作为叶子节点）。

（3）、运算块元素具有父节点（自身只作为叶子节点）。

（4）、线圈元素具有父节点元素（自身只作为叶子节点）。

（5）、返回元素具有父节点元素（自身只作为叶子节点）。

（6）、跳转元素具有父节点元素（自身只作为叶子节点）。

3、建立“十字链表”和“二叉树”：

梯形图编辑过程中，如图3所示，将引脚作为梯形图图形元素（含触点图形元素、运算块图形元素、跳转图形元素、返回图形元素、线圈图形元素）的图形属性成员，梯形图各图形元素之间通过引脚图形元素相互连接，即梯形图图形元素之间通过输入、输出引脚的属性可以获取前向、后向图形元素；并且通过连接线元素的并入、并出引脚获取该连接线元素的并入、并出连接线元素，因此，通过图形元素之间的输入、输出、并入、并出关系的建立，形成由各个图形元素组成的“十字链表”结构模型描述拓扑关系，如图4a所示为跳转、线圈、返回元素在链表中的节点；如图4b为触点元素在链表中的节点；如图4c为连接线元素在链表中的节点如图4d为整个梯形图所有元素组成的链表。

梯形图编辑过程中，将梯形图各图形元素的类型、子类型、父节点图形元素、子节点图形元素等属性参数进行赋值，尤其对于连接线的并入、并出连接线赋值“纵向”子类型信息。因此，通过图形元素之间父子关系的建立，形成由各个图形元素组成的“二叉树”结构的模型记录逻辑关系，如图5所示。

对于“十字链表”和“二叉树”的建立采取以下实施方式：

在梯形图图形元素实例化过程中，设置图形元素的前向、后向图形元素，尤其对于连接线图形元素还要设置并入、并出类型的连接线，这样整个梯形图就可以采用“十字链表”数据结构来描述梯形图所有图形元素的图形属性；设置图形元素的父、子关系，对于连接线图形元素要设置左子节点元素、右子节点元素、父节点元素；对于其他类型图形元素设置父节点元素，此父节点元素类型必须是连接线元素，这样整个梯形图采用“二叉树”数据结构来描述梯形图所有图形元素的的模型属性。

（1）、触点元素相关操作：

A、追加

a、串联：

描述梯形图拓扑关系的“十字链表”上，在选择的图形元素的前（后）增加触点元素和与其前向相连接的“水平”连接线。

描述梯形图逻辑关系的“二叉树”上，增加“水平”连接线元素（作为作为所选节点的父节点）、触点元素（作为所选节点的兄弟节点）。

b、并联：

描述梯形图拓扑关系的“十字链表”上，在所选择的图形元素的上（下）增加触点元素和与其前向相连接的前向、后向“垂直”连接线元素。

描述梯形图逻辑关系的“二叉树”上，增加“垂直”连接线元素（作为作为所选节点的父节点）、触点元素（作为所选节点的兄弟节点）。

B、删除

a、串联：

描述梯形图拓扑关系的“十字链表”上，删除所选择的串联分支上的触点元素和与其前向相连接的“水平”连接线元素。

描述梯形图逻辑关系的“二叉树”上，删除相应触点元素子节点和“水平”连接线元素节点，并且，如果所删除的“水平”连接线元素为所删除的触点元素的父节点，则在“二叉树”上将此节点的兄弟节点提升至父节点（被删除的“水平”连接线元素）的位置；否则，在“二叉树”上将此节点的父节点提升至所删除的“水平”连接线元素节点的位置，此节点的兄弟节点提升至父节点的位置。

b、并联：

描述梯形图拓扑关系的“十字链表”上，如果所选择删除的触点元素的前向连接线是此连接线前向连接线的并出连接线，则在图形上删除所选择的并联分支上的触点元素和前向连接线元素；如果所选择删除的触点元素的后向连接线元素是此连接线后向连接线元素的并入类型连接线，则在图形上删除所选择的并联分支上的触点元素和前向、后向连接线元素。

描述梯形图逻辑关系的“二叉树”上，删除相应触点元素子节点和“垂直”连接线元素节点，并且，如果所删除的“垂直”连接线元素为所删除的触点元素子节点的父节点，则在“二叉树”上将此节点的兄弟节点提升至父节点（被删除的“垂直”连接线元素）的位置；否则，在“二叉树”上将此节点的父节点提升至所删除的“垂直”连接线元素节点的位置，此节点的兄弟节点提升至父节点的位置。

（2）、运算块图形元素相关操作：

A、追加

描述梯形图拓扑关系的“十字链表”上，在所选择的图形元素的前（后）增加运算块图形元素和与其前向相连接的“水平”连接线；

描述梯形图逻辑关系的“二叉树”上，首先，查找该运算块所属逻辑关系“二叉子树”；然后在“二叉子树”的左（右）增加“水平”连接线元素父节点和运算块元素子节点。

B、删除

描述梯形图拓扑关系的“十字链表”上，删除所选择的串联分支上的运算块元素和与其前向相连接的“水平”连接线元素。

描述梯形图逻辑关系的“二叉树”上，删除相应运算块元素子节点和“水平”连接线元素父节点；并且，将此节点的兄弟节点提升至父节点（被删除的“垂直”连接线元素）的位置（此运算块子元素节点和“水平”连接线元素必为父子关系）。

（3）、跳转元素、返回元素、线圈元素相关操作：

A、追加

a、横向：

描述梯形图拓扑关系的“十字链表”上，在所选择的图形元素的前（后）增加图形元素和与其前向相连接的“水平”连接线元素。

描述梯形图逻辑关系的“二叉树”上，增加“水平”连接线元素父节点、图形元素节点（作为所选节点的兄弟节点）。

b、纵向：

描述梯形图拓扑关系的“十字链表”上，在所选择的图形元素的上（下）增加跳转、返回或线圈图形元素和与其相连接的“水平”、“垂直”连接线元素。

描述梯形图逻辑关系的“二叉树”上，增加“垂直”连接线元素父节点、图形元素节点（作为所选节点的兄弟节点）。

B、删除：

a、横向：

描述梯形图拓扑关系的“十字链表”上，删除所选择的图形元素和其前向连接线元素。

描述梯形图逻辑关系的“二叉树”上，删除相应跳转、返回或线圈图形元素子节点和“水平”连接线元素节点，并且，如果所删除的“水平”连接线元素为所删除的触点元素节点的父节点，则在“二叉树”上将此节点的兄弟节点提升至父节点（被删除的“水平”连接线元素）的位置；否则，在“二叉树”上将此节点的父节点提升至所删除的“水平”连接线元素节点的位置，此节点的兄弟节点提升至父节点的位置。

b、纵向：

描述梯形图拓扑关系的“十字链表”上，删除所选择的纵向分支上的跳转、返回或线圈图形元素和前向连接线节点；

描述梯形图逻辑关系的“二叉树”上，删除相应图形元素子节点和“垂直”连接线节点，并且，将此节点的兄弟节点提升至父节点（被删除的“垂直”连接线元素）的位置（此跳转、返回或线圈图形元素子节点和“水平”连接线必为父子关系）。

4、解析梯形图拓扑关系：

通过遍历梯形图图形元素组成的“二叉树”和“十字链表”，扫描解析出梯形图图形元素的相对位置的静态关系和包括嵌套在内的并联关系，并且根据梯形图编辑过程的操作方法，并且结合梯形图编辑过程的操作，进一步计算出梯形图编缉过程中图形元素相对位置变化的动态拓扑关系。

（1）、遍历梯形图图形元素组成的“十字链表”，通过图形元素之间的前向、后向、并入、并出关系，计算图形元素之间的相对位置静态关系；

（2）、遍历梯形图图形元素组成的“二叉树”，通过节点之间的父子关系、左右兄弟关系，计算触点图形元素之间的包括嵌套在内的并联关系；

（3）、梯形图编辑过程中（即图形元素的增加、删除、修改）通过遍历“十字链表”和“二叉树”获得的图形元素相对位置关系和嵌套的并联关系，进一步计算出整个梯形图图形元素相对位置变化的动态拓扑关系。

5、解析梯形图逻辑关系：

梯形图图形元素在模型上通过父子关系进行连接，因此，可以采用中序遍历算法扫描记录梯形图图形元素之间逻辑关系的“二叉树”，并且结合图形元素的类型及连接线元素节点图形元素子类型计算出“二叉树”上由图形元素组成的串、关联关系；运算块元素、跳转元素、返回元素的执行条件；线圈元素的赋值关系。

（1）、扫描到连接线节点子类型为“水平”时，则表示其左、右子节点之间是“串联”关系；扫描到连接线节点子类型为“垂直”时，则表示左、右子节点之间是“并联”关系；

（2）、扫描到运算块元素、跳转元素、返回元素、线圈元素时，则结束前一段由触点元素组成的“二叉子树”的扫描，并且将前一段的逻辑关系作为此运算块元素或跳转元素、返回元素执行的判断条件；

（3）、扫描到线圈元素时，将已经扫描解析的前一段逻辑关系的结果与该线圈元素组成赋值关系。

Claims (3)

1.一种梯形图数据结构描述及扫描解析方法，其特征在于：

采用梯形图图形元素组成的“十字链表”和“二叉树”对梯形图的数据结构进行描述，通过遍历图形元素“十字链表”和“二叉树”对梯形图的拓扑关系和逻辑关系进行解析。

2.根据权利要求1所述的梯形图数据结构描述及扫描解析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）定义图形元素在梯形图中的图形属性，将引脚作为梯形图中图形元素的图形属性成员；

其中，所述图形元素包括中触点元素、运算块元素、跳转元素、返回元素、线圈元素、连接线元素；

图形元素之间通过引脚相互连接，连接线元素除含有输入、输出类型引脚外，还包含并入、并出类型引脚，并且通过并入、并出类型引脚的所属图形元素的图形属性能够得到相应的连接线元素；

（2）定义图形元素在梯形图中的模型属性，连接线元素的模型属性包括子类型、父节点元素、左子节点元素、右子节点元素；触点元素、运算块元素、线圈元素、返回元素、跳转元素的模型属性中只包括父节点元素，其自身只作为叶子节点元素；

其中，所述元素子类型包括水平类型、垂直类型，水平类型是指水平方向连接左、右两个图形元素的连接线称为水平类型，垂直类型是指垂直方向连接上、下两个图形元素的连接线成为垂直类型。

（3）梯形图图形元素实例化过程中，设置图形元素的前向、后向图形元素，对于连接线元素还要设置并入、并出本连接线元素的其它连接线元素，这样整个梯形图就可以采用“十字链表”数据结构来描述梯形图所有图形元素的图形属性；

设置图形元素父节点元素，左子节点元素，右子节点元素，对于连接线元素要设置左子节点元素、右子节点元素、父节点元素；对于其他图形元素设置父节点元素，这样整个梯形图就可以采用“二叉树”数据结构来记录梯形图所有图形元素的模型属性；

（4）通过遍历梯形图图形元素组成的“二叉树”和“十字链表”，扫描解析出梯形图图形元素的相对位置的静态关系和包括嵌套在内的并联逻辑关系，计算出梯形图编缉过程中图形元素相对位置变化的动态拓扑关系；

（5）采用中序遍历算法扫描记录梯形图图形元素之间逻辑关系的“二叉树”，并且结合图形元素的类型及连接元素子类型计算出“二叉树”上由触点组成的串、关联关系，计算出运算块元素、跳转元素、返回元素执行的判断条件，以及线圈元素的赋值关系。

3.根据权利要求2所述的梯形图数据结构描述及扫描解析方法，其特征在于：

在步骤（1）中，引脚的图形属性中除所属图形元素图元属性外，还包含所连接的对端引脚和连接的对端的图形元素；触点元素、运算块元素包含输入、输出引脚；线圈元素、返回元素、跳转元素只包含一个输入引脚。

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