一种判断梯形图程序的无“竞态”的方法
【专利摘要】本发明涉及一种判断梯形图程序的无“竞态”的方法，将梯形图转化为包括多元组的关系图，如果梯形图的触点、线圈或者功能模块模拟而成的实结点不存在任何线路，使之沿任何一条线路都不能回到原点，则梯形图程序为无“竞态”。本发明所述的判断梯形图程序的无“竞态”的方法，是从梯形图程序结构的角度检测“竞态”，该方法可以简便，快速的判断出梯形图程序不存在“竞态”。当梯形图程序复杂时，使用传统的模型检测或定理证明，工作量是非常庞大的，并且容易出错，而本发明的工作量小，不易出错。
【专利说明】一种判断梯形图程序的无“竞态”的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及PLC梯形图程序的验证方法，更具体地说，涉及一种判断梯形图程序的无“竞态”的方法。
【背景技术】
[0002]可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)广泛的应用于复杂的嵌入式控制应用程序，如制造工业、娱乐场所、电力，交通、化工等安全苛求系统等，对PLC程序的安全可靠性要求很高。目前，在PLC的编程语言中，梯形图(Ladder Diagram)占主导作用，是目前使用最多的一种PLC编程语言。
[0003]梯形图的“竞态”指的是在输入和功能模块的状态不变的情况下，输出发生变化。“竞态”是一种难以被检测的逻辑错误，其检测不仅会耗费大量资金，对于电力、交通等对程序正确性有极严格要求的系统，发生“竞态”将导致严重的后果。
[0004]目前普遍使用的“竞态”检测方法是模型检验和定理证明，模型检测的缺点是要遍历系统模型的状态空间，所以面临着“状态空间爆炸”的问题；定理证明可直接处理无限的状态空间，它使用类似于结构化的推导过程来证明具有无限状态的系统。但是，定理证明大多数是交互的，需要人的参与，所以不仅出错的概率大大的提高了，自动验证的可行性也降低了。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种以降低检测的复杂度为目的，从梯形图程序的结构出发，寻找一个正确的结论，可以不用复杂的检测快速判断程序无“竞态”的判断梯形图程序的无“竞态”的方法。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种判断梯形图程序的无“竞态”的方法，将梯形图转化为包括多元组的关系图，如果梯形图的触点、线圈或者功能模块模拟而成的实结点不存在任何线路，使之沿任何一条线路都不能回到原点，则梯形图程序为无“竞态”。
[0008]作为优选，关系图D为一个四元组，包括非空有限集V(D)、V’ (D), A(D)和C，记为D = (V, V' , A, c);其中，
[0009]V = Iv1, V2…，vn}为有限非空实结点的集合，用来表示梯形图中的图符单元；
[0010]V’ = Iv’P V’2…，V’m}为有限非空虚结点的集合，用于连接实结点，表示逻辑关系“与”，FnF' = 0，FuFV0；
[0011](KxP) Ufx K)，是实结点和虚结点组成的二元组的集合，表示从实结点到虚结点或虚结点到实结点的有向弧集合，其中，(vx，V’ y)表示实结点Vx到虚结点V’ y的有向弧，(V’ y, Vz)表示虚结点Vny到实结点Vz的有向弧，则结点VX、V’ y、Vz表示实结点Vz的状态变化依赖于Vx ；
[0012]c:A — Z+表示关系图中每一条弧上的权值，其中，Z+表示正整数集合，弧上权值大小为对应梯形图的梯级。
[0013]作为优选，如果一个实结点只有输入有向弧，没有输出有向弧，称该实结点为根节点；如果一个实结点，存在一条线路，使之沿着这条线路能回到原点，则线路表示为一个关系图的环。
[0014]作为优选，关系图中每一条弧上的权值为I表示第一梯级，权值为2表示第二梯级，以此类推。
[0015]作为优选，将梯形图转化为关系图的步骤如下:
[0016]步骤1、将梯形图程序的触点、线圈、功能模块模拟为实结点；
[0017]步骤2、任选梯形图程序的一个线圈，假设该线圈为Cx，对应的实结点为Vx ；
[0018]步骤3、确定Cx的割集的个数mx,创建mx个虚结点；
[0019]步骤4、遍历一个割集内的元素，连接元素对应实结点到该割集对应的虚结点的有向弧；连接虚结点到Vx的有向弧；为从实结点到实结点的有向弧赋予权值；重复上述步骤，直到遍历完所有的割集；
[0020]步骤5、取Cx梯级路径上的一个触点，判断梯形图程序是否存在以该触点为输出线圈的路径，如果有，重复步骤3、步骤4 ;如果没有，取另一个触点进行判断，直到遍历完所有触点；
[0021]步骤6、如果还存在其他没有遍历的线圈，重复步骤2、步骤3、步骤4、步骤5，直到遍历完所有线圈；
[0022]步骤7、取梯形图程序的一个功能模块，假设对应的实结点为Vy，确定模块割集的数目my，创建my个虚结点；遍历一个模块割集内的元素，连接元素对应的实结点到该模块割集对应的虚结点的有向弧；连接虚结点到Vy的有向弧；为弧赋予权值；重复上述步骤，知道遍历完所有的模块割集。
[0023]作为优选，所述的路径，为在梯形图中，由触点、功能模块以及连接他们之间的导线组成的线路；
[0024]所述的梯级路径，为使能量流从左母线到线圈的路径；
[0025]所述的割集，是由梯级路径中的触点、功能模块组成的集合，并且如果删除割集内的任意元素，则梯级路径断开；
[0026]所述的模块割集，是由控制功能模块所有端口的触点组成的集合，并且如果删除模块割集内的任意元素，则功能模块无法正常工作。
[0027]本发明的有益效果如下:
[0028]本发明的思路是通过梯形图程序的结构检测“竞态”，由于梯形图程序复杂，难以观察判断，所以本发明提出了关系图的概念。用关系图清楚地描述梯形图的逻辑关系。据此，本发明提出了一种梯形图程序的无“竞态”的充分条件，应用于大型的梯形图程序验证，本发明可以简便、快捷的判断出梯形图不存在“竞态”或者可能存在“竞态”的危险，减少了程序验证的工作量。
[0029]本发明所述的判断梯形图程序的无“竞态”的方法，是从梯形图程序结构的角度检测“竞态”，该方法可以简便，快速的判断出梯形图程序不存在“竞态”。当梯形图程序复杂时，使用传统的模型检测或定理证明，工作量是非常庞大的，并且容易出错，而本发明的工作量小，不易出错。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是梯形图程序转化为关系图；
[0031]图2是梯形图程序对应的时序图。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
[0033]本发明所验证的梯形图程序是依据IEC61131-3标准编写的。
[0034]第一部分:关系图的定义。
[0035]从形式化的角度定义，一个关系图D由非空有限集V(D)、V’ (D) ,A(D)和c构成，可以被定义为一个四元组，记为D= (V，V’，A，C)，其中，
[0036]V = {Vl, V2-, vj表示有限非空实结点的集合，用来表示梯形图中的图符单元，如触点、线圈、功能模块等；
[0037]V’ = Iv’i，V’2…，V’m}表示有限非空虚结点的集合，起到连接实结点的桥梁作用，没有具体的意义，表示逻辑关系“与”。其中，FnF’ = 0，FuFV0;
[0038]是实结点和虚结点组成的二元组的集合，表示从实结点到虚结点或虚结点到实结点的有向弧集合，其中(vx，V’ y)表示实结点Vx到虚结点V’ y的有向弧；(V’ y, Vz)表示虚结点Vny到实结点Vz的有向弧；所以结点VX、V’ y、Vz表示为实结点Vz的状态变化依赖于Vx ；
[0039]c:A —Z+表示关系图中每一条弧上的权值，其中Z+表示正整数集合。弧上权值大小为对应梯形图的梯级。比如权值为“I”表示第一个梯级，为“2”表示第二个梯级，以此类推。
[0040]如果一个实结点只有输入有向弧，没有输出有向弧，称该实结点为根节点；如果一个实结点，存在一条线路，使之沿着这条线路能回到原点，称线路是一个关系图的环。
[0041]第二部分:梯形图到关系图转化方法。
[0042]为了阐述梯形图到关系图的转化方法，我们需要定义如下概念:
[0043]路径:在梯形图中，路径是指由触点、功能模块以及连接他们之间的导线组成的线路。
[0044]梯级路径:可使能量流从左母线到线圈(右母线)的路径。
[0045]割集:割集是由梯级路径中的触点、功能模块组成的集合，并且删除割集内的任意元素，都会使得梯级路径断开。
[0046]模块割集:模块割集是由控制功能模块所有端口的触点组成的集合，并且删除模块割集内的任意元素，都会使得功能模块不能正常工作。
[0047]具体转化步骤:
[0048]步骤1、将梯形图程序的触点、线圈、功能模块模拟为实结点。
[0049]步骤2、任选梯形图程序的一个线圈，假设该线圈为Cx，对应的实结点为Vx。
[0050]步骤3、确定Cx的割集的个数mx,创建mx个虚结点。
[0051]步骤4、遍历一个割集内的元素，连接元素对应实结点到该割集对应的虚结点的有向弧；连接虚结点到Vx的有向弧；为从实结点到实结点的有向弧赋予权值。重复上述步骤，直到遍历完所有的割集。
[0052]步骤5、取Cx梯级路径上的一个触点，判断梯形图程序是否存在以该触点为输出线圈的路径，如果有，重复步骤3、步骤4 ;如果没有，取另一个触点进行判断，直到遍历完所有触点。
[0053]步骤6、如果还存在其他没有遍历的线圈，重复步骤2、步骤3、步骤4、步骤5，直到遍历完所有线圈。
[0054]步骤7、取梯形图程序的一个功能模块，假设对应的实结点为Vy。确定模块割集的数目my,仓Il建my个虚结点。遍历一个模块割集内的元素,连接元素对应的实结点到该模块割集对应的虚结点的有向弧；连接虚结点到Vy的有向弧；为弧赋予权值。重复上述步骤，知道遍历完所有的模块割集。
[0055]第三部分:根据关系图判断“竞态”不存在的方法。
[0056]对于无环的关系图，任意非根结点Vm都可以找到控制其状态的实结点\，同样Vn如果不为根结点，同样可以找到控制其状态的实结点，以此类推，非根结点Vm最后可以看成是由一个根结点控制其状态的。根结点的状态在PLC的扫描周期内是不变的，所以Vn不变，如果Vn对应梯形图的输出线圈，说明输出线圈在程序执行的过程中状态是不变。
[0057]根据上面的分析可以得出判断方法:如果关系图不存在环，对应的梯形图程序就一定不存在“竞态”，此结论就是梯形图程序的无“竞态”的充分条件。
[0058]实施例
[0059]如图1所示，根据本发明所述的方法转化为关系图:
[0060]首先将梯形图的触点、线圈、功能模块模拟为实结点，从图1中的梯形图程序可得到实结点的集合「=，％2，％3，v%。，\u，\λ。};
[0061]取线圈Qai作为初始结点，其对应的实结点力匕。遍历线圈Qai可以得到Qai的割集为^.^^、^。.^^，所以创建两个虚结点^，^;
[0062]遍历割集{M0.!,M0.J内的元素，连接Μαι，Μα2对应实结点到虚结点Λ的有向弧；连接V’!到^工的有向弧；根据所在的梯级，给弧赋上权值“4”。同理遍历割集{Μο.2,Μ0.3}内的元素，连接Μα2，Μα3对应实结点νι，ν%3到虚结点ν’2的有向弧;连接V、到
的有向弧，并且给弧赋上权值“4”。
[0063]通过遍历线圈Qai梯级路径上的触点可知，不存在以梯级路径上的触点为输出线圈的路径，所以取另一个线圈Mc^进行遍历。同上步骤，可知Μ。。的割集只有一个{Μαι}，所以创建一个虚结点V’ 3 ;连接U SI」V’ 3的有向弧，连接V’ 3到1的有向弧；赋予弧上的权值为“5”。同上，遍历线圈Qatl可知割集为{01}，创建一个虚结点/4;连接\到/4的有向弧?，连接V’ 4到\。的有向弧；弧上的权值赋予值为“2”。
[0064]由于没有可以遍历的线圈，并且梯形图存在功能模块，所以遍历功能模块，确定其模块割集为{Ια0，Mc^QacJ,所以创建一个虚结点V’5 ;连接模块割集内的元素对应的实结点到虚结点的有向弧，即连接、％。、\.ο到V’ 5的有向弧；连接V’ 5到\的有向弧；为弧赋予权值为“I”。
[0065]根据上面的步骤可以得到图1的转化结果。
[0066]如图2所示，虽然梯形图程序对应的关系图存在环，但是功能模块产生的输出状态变化不是“竞态”，根据本发明总结的判断方法可知该梯形图程序一定不存在“竞态”的危险，从时序图也可以看出梯形图程序不发生“竞态”。
[0067]上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种判断梯形图程序的无“竞态”的方法，其特征在于，将梯形图转化为包括多元组的关系图，如果梯形图的触点、线圈或者功能模块模拟而成的实结点不存在任何线路，使之沿任何一条线路都不能回到原点，则梯形图程序为无“竞态”。
2.根据权利要求1所述的判断梯形图程序的无“竞态”的方法，其特征在于，关系图D为一个四元组，包括非空有限集V⑶、V’ (D)、A (D)和C，记为D= (V, V', A, c);其中， V= Iv1, V2-, vn}为有限非空实结点的集合，用来表示梯形图中的图符单元； V’ = Iv11, V12-, v'J为有限非空虚结点的集合，用于连接实结点，表示逻辑关系“与”，VnV' = 0, VuV'^0；u(l..'X V)，是实结点和虚结点组成的二元组的集合，表示从实结点到虚结点或虚结点到实结点的有向弧集合，其中，(vx，V’ y)表示实结点Vx到虚结点V’ y的有向弧，(V’ y, Vz)表示虚结点Vny到实结点Vz的有向弧，则结点Vx、V’ y、Vz表示实结点Vz的状态变化依赖于Vx ； c:A — Z+表示关系图中每一条弧上的权值，其中，Z+表示正整数集合，弧上权值大小为对应梯形图的梯级。
3.根据权利要求2所述的判断梯形图程序的无“竞态”的方法，其特征在于，如果一个实结点只有输入有向弧，没有输出有向弧，称该实结点为根节点；如果一个实结点，存在一条线路，使之沿着这条线路能回到原点，则线路表示为一个关系图的环。
4.根据权利要求2所述的判断梯形图程序的无“竞态”的方法，其特征在于，关系图中每一条弧上的权值为I表示第一梯级，权值为2表示第二梯级，以此类推。
5.根据权利要求2所述的判断梯形图程序的无“竞态”的方法，其特征在于，将梯形图转化为关系图的步骤如下: 步骤1、将梯形图程序的触点、线圈、功能模块模拟为实结点； 步骤2、任选梯形图程序的一个线圈，假设该线圈为Cx，对应的实结点为Vx ； 步骤3、确定Cx的割集的个数mx,创建mx个虚结点； 步骤4、遍历一个割集内的元素，连接元素对应实结点到该割集对应的虚结点的有向弧；连接虚结点到Vx的有向弧；为从实结点到实结点的有向弧赋予权值；重复上述步骤，直到遍历完所有的iiij集； 步骤5、取Cx梯级路径上的一个触点，判断梯形图程序是否存在以该触点为输出线圈的路径，如果有，重复步骤3、步骤4 ;如果没有，取另一个触点进行判断，直到遍历完所有触占.步骤6、如果还存在其他没有遍历的线圈，重复步骤2、步骤3、步骤4、步骤5，直到遍历完所有线圈； 步骤7、取梯形图程序的一个功能模块，假设对应的实结点为Vy，确定模块割集的数目my,创建my个虚结点；遍历一个模块割集内的元素，连接元素对应的实结点到该模块割集对应的虚结点的有向弧；连接虚结点到Vy的有向弧；为弧赋予权值；重复上述步骤，知道遍历完所有的模块割集。
6.根据权利要求5所述的判断梯形图程序的无“竞态”的方法，其特征在于， 所述的路径，为在梯形图中，由触点、功能模块以及连接他们之间的导线组成的线路； 所述的梯级路径，为使能量流从左母线到线圈的路径； 所述的割集，是由梯级路径中的触点、功能模块组成的集合，并且如果删除割集内的任意元素，则梯级路径断开； 所述的模块割集，是由控制功能模块所有端口的触点组成的集合，并且如果删除模块割集内的任意元素，则功能模块无法正常工作。
【文档编号】G05B19/05GK104133412SQ201410323117
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】罗继亮, 黄颖坤, 陈珑, 邵辉, 晏来成 申请人:华侨大学