物流输送线控制图形化编程方法设计

2023年7月1日

第46卷第13期

现代电子技术

ModernElectronicsTechnique

Jul.2023

Vol.46No.13

引用格式：吴帅举，杨其华，何雨辰.物流输送线控制图形化编程方法设计[J].现代电子技术，2023，46（13）：91⁃96.

DOI：10.16652/.1004⁃373x.2023.13.016

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物流输送线控制图形化编程方法设计

吴帅举，杨其华，何雨辰

（中国计量大学机电工程学院，浙江杭州

摘

310018）

要：为解决物流输送线上PLC编程方式工作量大、技术要求高的问题，设计图形化编程方法，应用于物流设备组线

时替代PLC的自备单片机控制系统。通过对物流线运行原理的分析，确定了将流程图转换为控制指令的图形化转换方法，

设计了编程平台的图形化资源，定义对应图元的相关参数。针对流程图逻辑表达不清的问题，提出一种结构优化的算法，先

将控制程序流图抽象化为AOV图，使用邻接表的方式存储数据，再针对组合判断和循环两种控制逻辑对AOV图进行结构优

化和深度遍历调整，最后输出控制指令，发送给下位机，由下位机按规定顺序执行控制指令。研究结果表明，该图形化编程

方法能够实现流程图向控制指令的转化，将生成的控制指令下发给下位机后，下位机能够按照流程图的逻辑运行。

关键词：物流输送线；AOV图；邻接表；组合逻辑；图形化编程；流程图；控制指令；上位机

中图分类号：TN02⁃34；TP273；TP311文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2023）13⁃0091⁃06

Designofgraphicprogrammingmethodforcontroloflogisticstransmissionline

(SchoolofElectricalandMechanicalEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)

WUShuaiju,YANGQihua,HEYuchen

Abstract：InordertosolvetheproblemofheavyworkloadandhightechnicalrequirementsofPLCprogrammingmodeon

thelogisticsconveyingline,graphicprogrammingmethodisdesignedtoreplacetheself⁃providedsingle⁃chipmicrocomputer

ntheanalysisoftheoperatingprincipleofthe

logisticsline,thegraphicconversionmethodtoconverttheflowchartintothecontrolinstructionisdetermined,thegraphic

resourcesoftheprogrammingplatformaredesigned,andtherelatedparametersofthecorrespondinggraphelementaredefined.

Tosolvetheproblemofunclearlogicalexpressionofflowchart,trol

programflowgraphisabstractedintoAOVgraph,uctureoptimization

anddepthtraversaladjustmentarecarriedoutontheAOVgraphforthetwocontrollogicsofcombinationjudgmentandcycle,

trolinstructionsareexecutedbythelowermachine

ultsshowthatthegraphicalprogrammingmethodcanrealizethetransformationofflowchartto

hegeneratedcontrolinstructionissenttothelowermachine,thelowermachinecanrunaccordingto

thelogicofflowchart.

Keywords：logisticstransmissionline;AOVgraph;adjacencylist;combinatoriallogic;graphicalprograming;flowchart;

controlcommand;uppercomputer

0引言

大，且应用场景及要求相对固定的物流线系统建设，

PLC编程仍显现出对技术要求较高和工作量较大的问

题

[1⁃3]

。研究设计一种面向物流线（仓储）系统建设定制

的图形化编程新方法，在设备接口标准化的前提下，有

望进一步降低编程门槛和技术投入成本。

对于图形化编程软件开发，相关研究多集中在图形

语言向可执行程序的转换算法上，根据转换目标的不

同，这些转换算法大致可分为三类

[4⁃5]

：

1）将流程图直接翻译为文本代码。文献[6]针对程

物流线一般由各种装卸、传输、分流等执行设备和

货物、位置等检测设备按特定物流管理要求组合而成，

多由PLC协调各连接设备间的关系，实现物流线系统的

自动或半自动货物传输控制。PLC及其梯形图编程模

式已为工业系统设备普遍应用，但对于设备连接规模较

收稿日期：2023⁃01⁃10修回日期：2023⁃02⁃06

基金项目：国家自然科学基金项目（61903352）

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现代电子技术

2023年第46卷

序的数据流模型提出了基于分支标记的代码生成方法，

通过给模型分层、标记分支等方法，将流程图翻译为文

本代码。

件生成可执行代码。文献[7]针对机器人的控制系统，将

编译后实现机器人控制程序。

原理为先将图转化为有向图模型

[8]

，再对该模型进行遍

历，依次输出节点中的控制指令和参数，常用的模型有

AOV图、二叉树、广义表等

[9⁃11]

。

考虑到高可靠性单片机系统已在自动化、智能化的

3）将图形化程序转化为控制指令表。该方法基本

2）将图形化程序转化为中间文件，并编译中间文

表一个设备动作或功能，通过对这些图形单元的相互连

接，能清晰地体现控制系统各设备动作、功能的逻辑

关系。

平台设计流程图转化为XML文件，再用自制的编译器

众多物流设备发展中普及应用

[12⁃13]

，物流控制和检测设

备对象种类相对固定，设备的组合方式、数据流形式等

也相对明确，则将物流线系统的设备及测控数据流逻辑

组合，以图形化方式设计呈现，并将其图形自动转化为

依托单片机控制系统工作的控制指令，可最大限度地降

低物流线系统控制实现的编程要求，明显提高物流线系

统的建设效率。

图1控制流程图与AOV图的转化

为了使控制器能按照逻辑运行，首先将流程图抽象

化为AOV图，使用邻接表的数据结构存储这个AOV图，

再将图中节点的参数转化成一条条控制指令，按节点顺

序输出这些指令，得到一个控制指令表，最后让控制器

解析指令表并按特定的顺序执行指令，就能实现流程图

对控制器的逻辑控制。

在本文设计的图形化编程平台上，物流输送线的控

制流程图抽象化为AOV图的过程如图1所示。AOV有

向图（见图1b））的数学定义和邻接表的具体概念将在

下文描述，两者的组合使用为图形结构向数据结构的转

化提供了通用模型。

1.2.2

图2中AOV图的每个顶点代表了图1中程序流图

AOV图模型与邻接表

1

1.1

系统设计

在对物流输送线的图形化编程平台进行设计之前，

功能需求分析

首先要对物流输送线的控制过程进行分析，从而确定本

平台的主要功能，主要功能总结如下：

1）实现对物流线设备的逻辑控制

对物流输送线进行编程控制的目的就是实现对物

流设备的逻辑控制。物流设备间的逻辑控制主要包括：

输送类设备间的时序逻辑、检测类设备与分拣类设备间

的组合判断逻辑、分拣设备与输送设备的循环逻辑等。

2）对各设备运行参数进行配置

下的各设备动作进行配置。

3）图形化的编程环境

物流线设备种类多，采用传统的编程方法对每个设

备进行编程，控制工作量大，而采用简单友好的图形化

编程环境能减少工作量。

1.2

采用流程图式的图形化编程方法符合物流输送线

图形化转换方法

系统实现原理

除了定义设备运行的逻辑，也需要对不同运行环境

中的图形单元，每条有向弧代表了这些图形单元的逻辑

关系，可用数学形式表达AOV图：

G=(V,E)

V

是图

G

中顶点的集合；

E

是图

G

中边的集合。

V

、式中：

E

表示为：

V=

(

v

i

|

v

j

∈dataobject

)

E=

{

(v

i

,v

j

)

|

v

i

,v

j

∈V⋂P(v

i

,v

j

)

}

(v

i

,v

j

)

表示从顶点

v

i

到顶点

v

j

有一条有向

集合

E

中，

控制的实际应用场景。

1.2.1

流程图式的图形化编程方式（以下简称程序流图）

弧连接。

考虑到由程序流图抽象化的AOV图多为稀疏图，

且可能存在回路，采用邻接表的数据结构形式存储

AOV图。邻接表结构及AOV图向邻接表的转化如图2

所示。

如图1a）所示，是由多个相互连接的图形单元组成的有

向图。连接线的方向代表控制的流向，一个图形单元代

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在操作过程中，用户需要从模块库中拖拽出需要操

作的设备，在功能窗口中定义该设备在本流程节点需要

执行的功能和相关参数，再通过调整位置和连接线，设

定该设备在整个流程中的运行逻辑。由于每个流程节

点对应的是设备功能而非设备，故同一台设备可以在

一个流程中多次出现。

2.2

在物流输送线的逻辑控制主要包含以下逻辑：输送

逻辑的映射与模型结构调整

类设备间的时序逻辑、检测类设备与分拣类设备间的组

合判断逻辑、分拣设备与输送设备的分支逻辑这三种主

要逻辑，为便于表达，用AOV模型表示这三种逻辑结

构，如图3所示。

图2邻接表结构与AOV图存储

2

2.1

关键技术与实现

图形单元设计

图形单元在程序流图中充当流程节点，在抽象化的

AOV图中充当数据节点，是用户需要操作的主要元素，

需要对其进行图标的设计和数据的封装。针对物流线

上的设备和功能，各设备的图形单元定义如表1所示。

表1主要设备图形单元定义

单元名称

输送机

单元图例功能定义

设备启停

正/反转

调速

设备启停

伸/缩

正/反转

设备启停

轮方向角

正/反转

摆臂启停

摆臂角

收/放

光电信号

通/阻

参数定义

设备编号

工作参数

图3三种逻辑结构

本文设计实现图形化编程的原理是将图转化为指

设备编号

工作参数

摆轮台编号

摆轮号(位)

工作参数

摆臂编号

工作参数

伸缩机

令。在流程图中，一个流程节点代表一个设备功能，即

一条控制指令。流程图中的节点连线代表设备的运行

逻辑，即控制指令的执行次序。为便于表达，用抽象化

的AOV图模型表示，以第一种结构为例，说明流程图的

结构映射到设备运行逻辑的基本规则。

图3a）是一个简单的时序逻辑，其含义为按照图中

连接线的流向，依次执行节点1、节点2、节点3、节点4

的功能，在生成的指令表中指令执行顺序也是自上而下

的。按照这种规则，简单的逻辑，如分支和循环，AOV

图都可以表达，但对于复杂的组合判断逻辑结构，如

图3b）所示，按照上述的规则无法表达对应的逻辑。在

该种逻辑结构下，节点2、节点3、节点4、节点5全部表

示为读取信号的传感器节点，在流程图中，此结构表示

这4个节点中有信号方可执行节点6，若直接抽象为

AOV图，则逻辑的控制流将只进入4个支路中的某一个

摆轮

摆臂

传感器

传感器编号

0/1

设备编号

货物编码

扫码器

设备启停

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支路，原本的逻辑应是对4条支路的结果进行“与关系”

的运算，但这样的AOV图结构无法形成这种逻辑的映

射。同理，将4条支路的结果取“或关系”的运算，这种

结构也不能映射出节点的“或关系”的逻辑。无论是支

路的“或关系”还是“与关系”，两者结构相似，但逻辑不

同，直接按原结构进行模型的转化，无法清晰地表达出

预想的逻辑，故需要对组合判断的AOV图进行结构的

调整。

为了使AOV图能表达出正确的逻辑，将代表支路

“与关系”的AOV图结构调整为图4a），将代表“或关系”

的结构调整为图4b）。

在构建邻接表过程中，该类节点的前节点（如节点1）和

后节点（如节点6）将会被标记，根据不同的关系创建结

构不同的邻接表。

2.3

AOV图和邻接表从物流输送线控制系统的模型

指令的生成与传输

层，对程序流图进行了描述，而实际程序的运行需要反

设计对应的结构（见表2），以满足实际的应用。

表2控制指令结构

帧头帧长地址指令码控制参数跳转地址

8bit8bit

N

×8bit

映到由模型生成的数据上。本文针对生成的控制指令

帧尾

8bit(0xFF)16bit(0xA55A)8bit4×8bit

对于只有顺序结构的AOV图而言，指令表只需从

上到下按顺序逐句读取控制指令，就能执行对应的逻

辑；而对于带有分支和循环结构的AOV图而言，上述方

法无法成功。因此，想要执行分支和循环逻辑，必须实

现控制指令的跳转功能，如表2所示的控制指令的结

构，能实现指令执行的跳转功能。

每条指令的后4个字节即执行完该指令后可能跳

转的指令表地址，通过AOV图已获得了程序流图的完

整结构，通过节点连接关系就能得到这些地址。一般

的节点，其生成指令后只有一个地址，对于一个判断节

点而言，可能存在多个地址，这时就需要根据判断的结

果选择对应的地址，图5为指令解析的程序流程。

图4组合逻辑判断结构的调整

在图4中节点2、节点3、节点4、节点5表示4个传

感器的检测节点从节点1到节点6，需要对这4个节点

的状态进行判断，假设检测到信号表示为1，未检测到

信号表示为0。对于图4a）的情况而言，4个节点都为1

才能使控制流从节点1到节点6，这时控制流需要经过

这4个节点，且这4个节点中有一个为0，控制流都无法

到达节点6，图4a）调整后的结构正好表示了这种逻辑。

对于图4b）的情况而言，节点2、节点3、节点4、节点5

只要其中之一为1，就可使控制流从节点1到达节点6。

此时的控制流不必经过全部的4个节点，只需从节点2

开始依次判断节点状态，只要检测到了1，就可直接流

向节点6，图4a）调整后的结构正确地表达了这种逻辑。

图4的两种情况为两类基本情况，实际的物流线控

制流程的组合判断逻辑都是这两类基本情况的互相组

合，对于复杂的逻辑而言，全部按以上的两种原则调整

结构。

在具体的实现过程中，如节点2、节点3、节点4、节

点5这样的节点，节点间的相互关系由用户自己定义，

图5控制指令的解析流程

通过控制指令的跳转功能，能够实现AOV图的分

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支、循环结构在实际运行过程中的逻辑表达问题。

物流控制系统采用主从控制，由一台主控制器负

责与上位机的交互和对从控制器的调度，从控制器则

负责接受主控制器的调度并控制各设备，当编程平台

完成图形化编程后，将生成的控制指令表发送给主控

制器，主控制器按照控制指令表的顺序调度各从控制

器执行具体的功能，从而实现对物流输送线系统的逻辑

控制。

（即该节点的下位节点）为06和07，而调整后生成的指

令如图7b）所示，节点3先指向4，节点4分别指向6和

5，节点5指向6和7。该段指令反映了如下逻辑：控制

流先通过节点3进入4，若节点4检测到信号，则直接进

入6，否则，再判断节点5是否检测到信号，若有则流向

节点6，否则流向节点7。这样的指令结构说明了调整

算法的正确性。

对于功能2的验证，将图6生成的指令表发送给下

位机，下位机采用通用的32位MCU作为控制器，该控制

器包括多个开关量端口和通信端口，通过对应的开关端

口的状态验证控制指令在程序里运行的逻辑，实验结果

表明，下位机在运行过程中，控制节点能按照预定逻辑

运行，增加程序中的节点，下位机的逻辑运行也不会出

错，证明了方法的可靠性。指令表跳转地址部分结构如

图7所示。

3功能验证

基于VS2019（VisualStudio2019）下winform框架，

进行前述算法下的图形化编程平台开发。其主界面为

程序流图的编辑区（见图6a）），右侧图元为流图的节点

模块，通过拖动这些图元到编辑区，再给这些图元连线

的方式完成对程序流图的编辑，完成编辑后，点击生成

按钮，将会运行转换程序，生成对应指令表，为了便于调

试验证，生成的指令表将会显示在左侧栏中。

图7指令表跳转地址部分结构

4结论

本文针对物流输送线的控制流模型，提出了基于

图6图形化编程平台实例

AOV图的图形化编程方法。本研究设计编程平台的基

本图元，搭建图形化的编程环境，通过将控制流程图转

换为AOV图的方法，实现了从图形化程序向控制指令

的转化。针对一般的AOV图无法表达复杂的分支逻辑

这一问题，本文提出了针对组合逻辑的AOV图结构优

化方法，通过该方法使复杂的组合逻辑能够按顺序表

达。经过对生成指令的解析和单片机实际的运行，证明

了该图形化编程方法的实用性和正确性。

本文提出的方法直观地体现了物流输送线的控制

逻辑，有效地解决了传统物流输送线控制编程工作量大

图6为一段物流输送线的图形化程序，通过该段

实例，主要验证该设计的两个功能：AOV图调整方法

对于组合判断逻辑的调整；下位机是否按照预定逻辑

运行。

对于功能1的验证，图6中节点3、节点4、节点5、节

点6、节点7为一个组合判断逻辑的结构，若不经过结构

的调整，生成指令的最后4位应如图7a）所示，节点4、节

点5各自指令行的倒数第5位字节和倒数第4位字节

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的问题，对提高物流线的搭建效率有一定的意义。

注：本文通讯作者为杨其华。

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作者简介：吴帅举（1995—），男，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向为物流自动化软件。

杨其华（1962—），男，浙江义乌人，教授，硕士生导师，主要研究方向为计算机测控技术、机电一体自动化装备等。

何雨辰（1988—），男，浙江杭州人，副教授，主要研究方向为大数据分析处理。

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