軟PLC開發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、軟PLC開發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)The Design and Realization of SoftPLC Programming System魏曉晴，吳旭光，牛云，郭逸WEI Xiaoqing, WU Xuguang, NIU Yun, GUO Yi (西北工業(yè)大學(xué)，西安710072)摘 要：設(shè)計完成了一種軟PLC編程開發(fā)系統(tǒng)，并研究了各部分的設(shè)計組成與實(shí)現(xiàn)方法。其中重點(diǎn)研究了梯形圖到指令表編譯解算的實(shí)現(xiàn)過程，并提出了一種解算的新策略，以一種“節(jié)點(diǎn)勢”的形式將梯形圖圖元間的邏輯關(guān)系抽象為數(shù)值關(guān)系，并以此建立二叉樹，遍歷生成語句表。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠方便準(zhǔn)確地完成梯形圖的編輯與解算，并且可以對梯

2、形圖進(jìn)行邏輯查錯和規(guī)范檢查。 關(guān) 鍵 詞：軟PLC；節(jié)點(diǎn)勢；二叉樹；梯形圖；語句表中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0 引言隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，軟PLC技術(shù)己漸漸成為國內(nèi)外工業(yè)控制技術(shù)研究的熱點(diǎn)。軟PLC是以標(biāo)準(zhǔn)的、通用的控制器硬件平臺和專用控制卡作為硬件基礎(chǔ)，基于工業(yè)控制計算機(jī)(IPC)或嵌入式PC(EPC)，使用軟件實(shí)現(xiàn)PLC功能的軟邏輯控制系統(tǒng)。因此，軟PLC既可提供傳統(tǒng)PLC的相應(yīng)功能，也具備PC機(jī)或嵌入式系統(tǒng)的各種優(yōu)點(diǎn)，具有更強(qiáng)的兼容性和可擴(kuò)展性。軟PLC開發(fā)系統(tǒng)實(shí)際上就是帶有編譯和調(diào)試功能的軟PLC編程器1，應(yīng)當(dāng)支持基于IEC61131-32國際標(biāo)準(zhǔn)

3、的編程語言。在IEC61131-3定義的5種語言中，梯形圖和語句表應(yīng)用最為廣泛，梯形圖便于工程人員編程，語句表便于控制器解析執(zhí)行。因此，在軟PLC開發(fā)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)從梯形圖到語句表的轉(zhuǎn)換解算尤為重要?，F(xiàn)有的解算方法有很多，但往往存在結(jié)構(gòu)不清晰、建立過程繁瑣、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)判斷困難等問題3-4。為此，本文提出了一種梯形圖到語句表轉(zhuǎn)換的新策略。1 軟PLC開發(fā)系統(tǒng)本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種軟PLC開發(fā)系統(tǒng)。它運(yùn)行在PC機(jī)上，既可以與軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)組成一個完整的系統(tǒng)，又可以單獨(dú)仿真運(yùn)行。該開發(fā)系統(tǒng)按功能可分為梯形圖編輯模塊，編譯解算模塊，通信監(jiān)控模塊三大部分，以VC+編程實(shí)現(xiàn)。2 梯形圖編輯模塊2.1設(shè)計組成梯形

4、圖編輯模塊即梯形圖編輯器，主要功能包括梯形圖圖元的繪制，編輯，保存和讀取，如圖1所示。圖1 梯形圖編輯模塊設(shè)計組成2.2編輯功能的實(shí)現(xiàn)梯形圖元件包括常開觸點(diǎn)、輸出線圈等簡單元件和定時器、計數(shù)器等復(fù)雜元件。由C+面向?qū)ο蟮睦^承特性，可以抽象出一個基類作為梯形圖圖元的總體接口，再以這個類為基礎(chǔ)，派生出具體的圖元子類。梯形圖圖元的基類定義如下：class Element : public CObject public:int type;int row,col;public:Element();Element(int type,int row,int col);virtual Element();vi

5、rtual void Draw(CDC *pDC);因每個圖元繼承自同一個基類，擁有共同的屬性，因此，界面上的所有圖元可看作一個集合，稱為集合類。對圖元的各種操作，如繪制、選中、刪除、存取等，都是通過對集合類的操作進(jìn)行，這里用到的集合類為C+的CPtrArray類。如繪制定時器圖元的過程：程序響應(yīng)鼠標(biāo)左鍵消息，新建一個定時器子類對象，將該對象加入集合類并調(diào)用定時器子類的Draw（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)繪制。示例代碼如下：Timertof *tof;tof=new Timertof(operation,row,col);m_ptrArray.Add(tof);tof-Draw(pDC);3編譯模塊3.1設(shè)計

6、組成梯形圖的編譯6是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要包括編譯解算和語法查錯兩部分。編譯解算即把用戶編輯的梯形圖程序，編譯轉(zhuǎn)換生成語句表。語法查錯即在編譯過程中，按照梯形圖編程語言規(guī)范，進(jìn)行邏輯和語法分析，若發(fā)現(xiàn)梯形圖有錯誤，便生成相應(yīng)的錯誤提示信息，并顯示到用戶界面。3.2基于“節(jié)點(diǎn)勢”的梯形圖到語句表解算的新策略將梯形圖邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換解算為語句表一直是軟PLC開發(fā)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文提出了一種轉(zhuǎn)換解算的新策略，它基于二叉樹的轉(zhuǎn)換解算方法，但不同于傳統(tǒng)的掃描分割圖形構(gòu)造二叉樹法，而是一種按“節(jié)點(diǎn)勢”關(guān)系構(gòu)造二叉樹的方法，它的指導(dǎo)思想是將梯形圖圖元間邏輯關(guān)系抽象為數(shù)值關(guān)系，量化地顯示出梯形圖的層次，從而以之

7、精確地解析出圖元之間的串、并聯(lián)等關(guān)系。本文首次提出了“節(jié)點(diǎn)勢”這一概念，可以將它類似于電路中的電勢理解。節(jié)點(diǎn)，即梯形圖各圖元間的連接點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)勢，即節(jié)點(diǎn)的勢值。因?yàn)樘菪螆D每個圖元都有左右兩個節(jié)點(diǎn)，因此每個圖元擁有左節(jié)點(diǎn)勢和右節(jié)點(diǎn)勢。如圖2所示，I0.0的左節(jié)點(diǎn)勢=0，右節(jié)點(diǎn)勢=1。梯形圖到語句表的轉(zhuǎn)換解算的過程大體分為以下四步。1定義梯形圖的“節(jié)點(diǎn)勢”。按從左右，從上下的順序多次掃描梯形圖，按一定規(guī)則給每個圖元左右節(jié)點(diǎn)賦值。通過各圖元節(jié)點(diǎn)勢的確定，就將梯形圖圖元間邏輯關(guān)系抽象為數(shù)值關(guān)系了，如左右節(jié)點(diǎn)勢都相等的圖元互為并聯(lián)關(guān)系。如圖2所示，I0.1與I0.6左節(jié)點(diǎn)勢同為1，右節(jié)點(diǎn)勢同為2，兩者是并

8、聯(lián)關(guān)系。圖2 節(jié)點(diǎn)勢示例2定義二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)typedef struct Tree int index;/索引值int type;/類型char *opr;/根節(jié)點(diǎn)內(nèi)容struct Tree *lchild;/左節(jié)點(diǎn)指針指向的二叉樹struct Tree *rchild; /右節(jié)點(diǎn)指針指向的二叉樹int lenode;/左節(jié)點(diǎn)勢值int rinode;/右節(jié)點(diǎn)勢值BOOL restruct;/二叉樹屏蔽標(biāo)志 DTree;3按從左右，從上下的順序掃描梯形圖，對每個圖元（橫豎線除外），構(gòu)建對應(yīng)的二叉樹。然后依據(jù)二叉樹間的節(jié)點(diǎn)勢關(guān)系，循環(huán)構(gòu)建新二叉樹，屏蔽舊二叉樹。直到現(xiàn)有的二叉樹數(shù)目等于輸出元件個

9、數(shù)時，停止循環(huán)，完成最終構(gòu)建，現(xiàn)有二叉樹為最終二叉樹。4運(yùn)用遞歸算法，遍歷最終二叉樹，生成語句表，顯示在主界面上，同時生成編譯數(shù)據(jù)及文件。該策略基于二叉樹的解算方法，但通過梯形圖“節(jié)點(diǎn)勢”的確定，將梯形圖圖元間邏輯關(guān)系抽象為數(shù)值關(guān)系，能大大降低二叉樹算法的時間和空間復(fù)雜度，思路簡單清晰，運(yùn)行快速精確。并且能夠解算多支梯形圖及復(fù)雜的邏輯關(guān)系，在執(zhí)行過程中對梯形圖進(jìn)行邏輯查錯和規(guī)范檢查，該解算方法還能夠?yàn)槠渌愃茍D形關(guān)系的解算提供參考，具有普遍適用性。4通信監(jiān)控模塊本系統(tǒng)既可以單獨(dú)仿真運(yùn)行，又可與軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)組成一個完整的系統(tǒng)，為此，提供了與執(zhí)行系統(tǒng)通信的串口，既可通過虛擬串口軟件與基于PC的

10、軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)連接運(yùn)行，也可通過實(shí)際串口與基于嵌入式的軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)連接。串口通信采用事件驅(qū)動的接收方式，利用MSComm 控件進(jìn)行串口初始化、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等串行通信管理。本系統(tǒng)通過串口下載編譯數(shù)據(jù)到執(zhí)行系統(tǒng)，并與之進(jìn)行聯(lián)調(diào)。執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行編譯數(shù)據(jù)后刷新輸出映像區(qū)，開發(fā)系統(tǒng)獲取執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并在梯形圖界面上顯示，以監(jiān)控執(zhí)行系統(tǒng)的工作狀態(tài)。5測試結(jié)果該軟PLC開發(fā)系統(tǒng)主界面主要有梯形圖編輯區(qū)、指令區(qū)和信息輸出區(qū)三部分。如圖3所示，在中間編輯區(qū)繪制了兩支簡單的梯形圖，經(jīng)過編譯解算，在右方指令區(qū)顯示出它們對應(yīng)的語句表程序，在下方信息輸出區(qū)顯示出對應(yīng)的提示信息。當(dāng)連接監(jiān)控時，開發(fā)系統(tǒng)通過串

11、口獲取執(zhí)行系統(tǒng)的工作狀態(tài)并在梯形圖界面上顯示，某觸點(diǎn)或線圈操作數(shù)為1時對應(yīng)的圖元加粗變紅。該實(shí)例證明，本系統(tǒng)可以解算多支梯形圖，并且實(shí)現(xiàn)定時器計數(shù)器等復(fù)雜元件的編輯及編譯解算。圖3 軟PLC編程開發(fā)系統(tǒng)主界面6 結(jié)束語本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種軟PLC編程開發(fā)系統(tǒng)。并提出了一種簡單易用的梯形圖到語句表轉(zhuǎn)換的新策略。經(jīng)過大量測試證明，該系統(tǒng)能夠方便準(zhǔn)確地完成梯形圖程序的開發(fā)和解算，并且在執(zhí)行過程中完成對梯形圖的邏輯查錯和規(guī)范檢查。如今國外的軟PLC編程系統(tǒng)是工控市場上的主流，國產(chǎn)的相對較少而且不成熟，因此，本文對推進(jìn)軟PLC的國產(chǎn)化有著重要意義。參考文獻(xiàn)1 趙雨生,高美鳳.一種梯形圖編程系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

12、方法J.工業(yè)控制計算機(jī),2008,21(6):34-352 KONG Yaguang,WANG Wenhai. Realization of Control Algorithm Editor Based on IEC61131-3 J.Computer Engineering , 2006 , ( 18 ) : 283 2843 石銳,周雷,楊正益.軟PLC梯形圖到語句表轉(zhuǎn)換新策略的研究J.計算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(18):244-248 4 葛芬,吳寧.基于AOV圖及二叉樹的梯形圖與指令表互換算法J.南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2006,38(6):754-7585 王亞男，陳嬋娟.基于Flex與Bison的軟PLC編譯模塊的研究J.制造業(yè)自動化，2011，33(17)：76-79基金項目：西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)業(yè)種子基金資