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随着工业控制系统复杂程度不断提高，系统功能需求不断增加，状态数目巨大，PLC需要尽可能的在现场完成越来越复杂的控制任务，同时无人化车间、智慧型工厂等应用场合对智能数控系统有着更高的安全性要求，传统PLC程序设计方法已无法保证复杂控制系统的正确性和安全性。本文针对传统PLC程序设计方法在PLC编程中存在程序编辑和测试工作量大、PLC软件平台只能检测语法错误、无法检测逻辑错误、人工测试不能保证找出全部逻辑错误等方面的不足，提出了基于时间自动机理论的PLC程序设计方法。 在分析了时间自动机理论和IEC61131-3标准顺序功能图语法定义的基础上，设计了详细完整的UPPAAL时间自动机模型到IEC61131-3标准PLC程序的转换规则，包括位置和转移边的转换、同步通道信号的转换、变量声明和系统声明的转换。根据转换规则设计了UPPAAL时间自动机模型转换成PLC程序的具体算法，并使用Python编程语言设计了模型转换工具TA2PLC，该工具可以自动生成符合IEC61131-3标准的PLC程序。 在上述工作基础上，给出了基于时间自动机理论的PLC程序设计方法的总体现实流程。以二十层电梯控制系统的PLC程序设计为实验，利用时间自动机理论在UPPAAL中建立系统的形式化模型，仿真和验证系统的正确性、安全性等逻辑属性，通过TA2PLC工具自动生成符合IEC61131-3标准的完整PLC程序。并介绍了该方法在高档数控系统智能化技术面向智能制造的安全控制功能方面的应用。 基于时间自动机理论的PLC程序设计方法，利用时间自动机理论在UPPAAL软件中建立的系统形式化模型，各子系统状态逻辑清晰直观，可以简化复杂系统应用逻辑编程的难度，对系统设计属性进行形式化仿真和验证，可以保证PLC程序应用逻辑的正确性和安全性，通过模型转换工具TA2PLC自动生成的IEC61131-3标准PLC程序中，SFC语言功能块具有良好的程序结构，便于程序后续的调试和维护。