軟PLC開發系統的設計與實現

魏曉晴，吳旭光，牛 云，郭 逸，騰林陽

WEI Xiao-qing, WU Xu-guang, NIU Yun, GUO Yi, TENG Lin-yang

（西北工業大學，西安 710072）

0 引言

隨著計算機技術、通訊技術和微電子技術的迅速發展，軟PLC技術己漸漸成為國內外工業控制技術研究的熱點。軟PLC是以標準的、通用的控制器硬件平臺和專用控制卡作為硬件基礎，基于工業控制計算機(IPC)或嵌入式PC(EPC)，使用軟件實現PLC功能的軟邏輯控制系統。因此，軟PLC既可提供傳統PLC的相應功能，也具備PC機或嵌入式系統的各種優點，具有更強的兼容性和可擴展性。

軟PLC開發系統實際上就是帶有編譯和調試功能的軟PLC編程器[1]，應當支持基于IEC61131-3[2]國際標準的編程語言。在IEC61131-3定義的5種語言中，梯形圖和語句表應用最為廣泛，梯形圖便于工程人員編程，語句表便于控制器解析執行。因此，在軟PLC開發系統中實現從梯形圖到語句表的轉換解算尤為重要。現有的解算方法有很多，但往往存在結構不清晰、建立過程繁瑣、復雜節點判斷困難等問題[3,4]。為此，本文提出了一種梯形圖到語句表轉換的新策略。

1 軟PLC開發系統

本文研究并實現了一種軟PLC開發系統。它運行在PC機上，既可以與軟PLC執行系統組成一個完整的系統，又可以單獨仿真運行。該開發系統按功能可分為梯形圖編輯模塊，編譯解算模塊，通信監控模塊三大部分，以VC++編程實現。

2 梯形圖編輯模塊

2.1 設計組成

梯形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 梯形圖編輯模塊設計組成

2.2 編輯功能的實現

梯形圖元件包括常開觸點、輸出線圈等簡單元件和定時器、計數器等復雜元件。由C++面向對象的繼承特性，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，派生出具體的圖元子類。梯形圖圖元的基類定義如下：

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：程序響應鼠標左鍵消息，新建一個定時器子類對象，將該對象加入集合類并調用定時器子類的Draw（ ）函數實現繪制。示例代碼如下：

3 編譯模塊

3.1 設計組成

梯形圖的編譯[6]是本系統的關鍵部分，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范，進行邏輯和語法分析，若發現梯形圖有錯誤，便生成相應的錯誤提示信息，并顯示到用戶界面。

3.2 基于“節點勢”的梯形圖到語句表解算的新策略

將梯形圖邏輯關系轉換解算為語句表一直是軟PLC開發中的重點和難點，本文提出了一種轉換解算的新策略，它基于二叉樹的轉換解算方法，但不同于傳統的掃描分割圖形構造二叉樹法，而是一種按“節點勢”關系構造二叉樹的方法，它的指導思想是將梯形圖圖元間邏輯關系抽象為數值關系，量化地顯示出梯形圖的層次，從而以之精確地解析出圖元之間的串、并聯等關系。

本文首次提出了“節點勢”這一概念，可以將它類似于電路中的電勢理解。節點，即梯形圖各圖元間的連接點。節點勢，即節點的勢值。因為梯形圖每個圖元都有左右兩個節點，因此每個圖元擁有左節點勢和右節點勢。如圖2所示，I0.0的左節點勢＝0，右節點勢＝1。

梯形圖到語句表的轉換解算的過程大體分為以下四步。

1）定義梯形圖的“節點勢”。按從左→右，從上→下的順序多次掃描梯形圖，按一定規則給每個圖元左右節點賦值。通過各圖元節點勢的確定，就將梯形圖圖元間邏輯關系抽象為數值關系了，如左右節點勢都相等的圖元互為并聯關系。如圖2所示，I0.1與I0.6左節點勢同為1，右節點勢同為2，兩者是并聯關系。

圖2 節點勢示例

2）定義二叉樹數據結構

typedef struct Tree

{ int index;//索引值

int type;//類型

char *opr;//根節點內容

struct Tree *lchild;//左節點指針指向的二叉樹

struct Tree *rchild; //右節點指針指向的二叉樹

int lenode;//左節點勢值

int rinode;//右節點勢值

BOOL restruct;//二叉樹屏蔽標志

} DTree;

3）按從左到右，從上到下的順序掃描梯形圖，對每個圖元（橫豎線除外），構建對應的二叉樹。然后依據二叉樹間的節點勢關系，循環構建新二叉樹，屏蔽舊二叉樹。直到現有的二叉樹數目等于輸出元件個數時，停止循環，完成最終構建，現有二叉樹為最終二叉樹。

4）運用遞歸算法，遍歷最終二叉樹，生成語句表，顯示在主界面上，同時生成編譯數據及文件。

該策略基于二叉樹的解算方法，但通過梯形圖“節點勢”的確定，將梯形圖圖元間邏輯關系抽象為數值關系，能大大降低二叉樹算法的時間和空間復雜度，思路簡單清晰，運行快速精確。并且能夠解算多支梯形圖及復雜的邏輯關系，在執行過程中對梯形圖進行邏輯查錯和規范檢查，該解算方法還能夠為其他類似圖形關系的解算提供參考，具有普遍適用性。

4 通信監控模塊

本系統既可以單獨仿真運行，又可與軟PLC執行系統組成一個完整的系統，為此，提供了與執行系統通信的串口，既可通過虛擬串口軟件與基于PC的軟PLC執行系統連接運行，也可通過實際串口與基于嵌入式的軟PLC執行系統連接。串口通信采用事件驅動的接收方式，利用MSComm 控件進行串口初始化、接收數據、發送數據等串行通信管理。

本系統通過串口下載編譯數據到執行系統，并與之進行聯調。執行系統執行編譯數據后刷新輸出映像區，開發系統獲取執行系統的運行狀態并在梯形圖界面上顯示，以監控執行系統的工作狀態。

圖3 軟PLC編程開發系統主界面

5 測試結果

該軟PLC開發系統主界面主要有梯形圖編輯區、指令區和信息輸出區三部分。如圖3所示，在中間編輯區繪制了兩支簡單的梯形圖，經過編譯解算，在右方指令區顯示出它們對應的語句表程序，在下方信息輸出區顯示出對應的提示信息。當連接監控時，開發系統通過串口獲取執行系統的工作狀態并在梯形圖界面上顯示，某觸點或線圈操作數為1時對應的圖元加粗變紅。該實例證明，本系統可以解算多支梯形圖，并且實現定時器計數器等復雜元件的編輯及編譯解算。

6 結束語

本文設計實現了一種軟PLC編程開發系統，并提出了一種簡單易用的梯形圖到語句表轉換的新策略。經過大量測試證明，該系統能夠方便準確地完成梯形圖程序的開發和解算，并且在執行過程中完成對梯形圖的邏輯查錯和規范檢查。如今國外的軟PLC編程系統是工控市場上的主流，國產的相對較少而且不成熟，因此，本文對推進軟PLC的國產化有著重要意義。

[1]趙雨生, 高美鳳. 一種梯形圖編程系統的研究與實現方法[J]. 工業控制計算機, 2008, 21(6): 34-35.

[2]KONG Yaguang, WANG Wenhai. Realization of Control Algorithm Editor Based on IEC61131-3[J].Computer Engineering, 2006, (18): 283-284.

[3]石銳, 周雷, 楊正益. 軟PLC梯形圖到語句表轉換新策略的研究[J]. 計算機工程與應用, 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]. 南京航空航天大學學報, 2006, 38(6): 754-758.

[5]王亞男, 陳嬋娟. 基于Flex與Bison的軟PLC編譯模塊的研究[J]. 制造業自動化, 2011, 33(17): 76-79.