嵌入式軟PLC編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

安靜

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，廣東韶關(guān)512126）

1 引言

隨著控制技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化和開放式發(fā)展，傳統(tǒng)PLC逐漸暴露出其許多不足。主要表現(xiàn)為技術(shù)封閉，造成了各生產(chǎn)廠商的PLC產(chǎn)品互不兼容，且編程開發(fā)方法差別很大，技術(shù)專門性很強(qiáng)，用戶必須經(jīng)過長期培訓(xùn)才能掌握其中一種產(chǎn)品的開發(fā)方法，這些問題制約了傳統(tǒng)PLC的快速發(fā)展［1]。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)控制的IEC61131國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，出現(xiàn)了用軟件方式實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC控制功能的軟PLC技術(shù)。

軟PLC具有符合現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，體系結(jié)構(gòu)開放，支持多種硬件環(huán)境，解決了傳統(tǒng)硬PLC互不兼容的問題。軟PLC把控制運(yùn)算的功能封裝在軟件中，具有傳統(tǒng)PLC的功能，可在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)程序的編輯、運(yùn)算、編譯、存儲(chǔ)等功能，具有編程語言標(biāo)準(zhǔn)化、控制功能模塊化、硬件配置靈活等特點(diǎn)［2]。

本文介紹的嵌入式軟PLC編程系統(tǒng)軟件在Windows環(huán)境下引入VC++開發(fā)工具，利用VC++強(qiáng)大的軟件功能，使人機(jī)交互界面更友好，由于VC++固有的面向?qū)ο髾C(jī)制，可方便地設(shè)計(jì)梯形圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合相應(yīng)的算法，完成軟PLC編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文主要給出編輯、編譯和仿真模塊。

2 嵌入式軟PLC系統(tǒng)的總體框架

圖1 嵌入式軟PLC系統(tǒng)總體框圖

嵌入式軟PLC主要由編程系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)組成。編程系統(tǒng)進(jìn)行梯形圖的編輯、指令的解析以及生產(chǎn)目標(biāo)代碼；運(yùn)行系統(tǒng)執(zhí)行目標(biāo)代碼，實(shí)現(xiàn)控制目的［3]。其總體架構(gòu)如圖1所示。

軟PLC編程系統(tǒng)的編程語言基于國際電工委員會(huì)發(fā)布的IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)通用的開發(fā)環(huán)境，主要是由編輯、編譯、仿真和通信四大模塊組成［4]。其中編輯模塊提供用戶程序開發(fā)環(huán)境；編譯模塊實(shí)現(xiàn)對用戶程序的掃描和編譯；仿真模塊用以離線模擬、調(diào)試用戶程序；通信模塊負(fù)責(zé)把編譯后的用戶程序目標(biāo)代碼下載到運(yùn)行系統(tǒng)。

3 軟PLC編程系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)（International Electro technical Commission）定義了5種PLC編程語言的規(guī)范：梯形圖（LD）、順序功能圖（SFC）、功能模塊（FBD）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）和指令表（IL）［3]。由于梯形圖簡單、直觀，所以本編程系統(tǒng)主要采用梯形圖作為用戶程序的開發(fā)語言。

本軟件采用VC++開發(fā)工具，并基于多文檔的Document/View結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以支持梯形圖和指令表對應(yīng)的格式—*.lad和*.txt。其界面由梯形圖編輯區(qū)、指令表區(qū)和信息輸出區(qū)三部分組成，如圖2所示。

圖2 軟PLC編程系統(tǒng)主界面

1）梯形圖編輯區(qū)用于梯形圖駐留和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置；

2）指令表區(qū)用于顯示梯形圖對應(yīng)的邏輯指令；

3）信息輸出區(qū)顯示梯形圖可能的語法錯(cuò)誤信息以及正確執(zhí)行后的輸出信息。

4 梯形圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 梯形圖元件類的繼承關(guān)系設(shè)計(jì)

梯形圖元件包括常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)和輸出線圈等簡單元件和定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)運(yùn)算（包括加減運(yùn)算、比較運(yùn)算等）等復(fù)雜元件。由面向?qū)ο蟮睦^承特性，可以抽象出一個(gè)類作為梯形圖元件的總體接口，再以這個(gè)類為基礎(chǔ)，派生出具體的元件子類。梯形圖元件的抽象類定義如下：

由此抽象類派生出簡單元件類和復(fù)雜元件類，并擴(kuò)充相應(yīng)的屬性和方法操作；再由這兩類派生出具體元件類，如常開觸點(diǎn)或定時(shí)器等。如圖3所示為各元件類型的繼承樹示意圖。

圖3 梯形圖元件類型的繼承關(guān)系

4.2 梯形圖容器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)存儲(chǔ)梯形圖的容器選擇用雙向鏈表結(jié)構(gòu)表示。其原因基于以下兩點(diǎn)：①對梯形圖的添加、修改、刪除等操作，能夠方便地運(yùn)用鏈表的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)完成；②梯形圖的編輯過程是動(dòng)態(tài)的，梯形圖的行數(shù)、列數(shù)和元件類型都是未知的，這種動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)過程，用鏈表結(jié)構(gòu)比其它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)得更為清楚、有效。

存儲(chǔ)梯形圖的雙向鏈表在文檔類中定義為：CObList m_LADList，存儲(chǔ)梯形圖的容器。由此，添加梯形圖元件，實(shí)質(zhì)就是在內(nèi)存中建立相應(yīng)的對象，并調(diào)用鏈表的AddHead或AddTail函數(shù)加入該對象的指針；而刪除梯形圖元件，實(shí)質(zhì)就是調(diào)用鏈表的RemoteHead或RemoveTail函數(shù)移除鏈表中對應(yīng)對象的指針。下列代碼表示生成一個(gè)常開元件對象，并把該對象的指針加入到鏈表中：

//通過簡單工廠生成常開元件對象

pLADEle＝CPLCFactory：：GetInstance（TYPE_POSITIVE）；

pLADEle-＞SetIsSelected（FALSE）；

//將常開元件對象的指針加到鏈表中

//這里，plcList是指向 m_LADList的指針plcList-＞AddHead（pLADEle）；

4.3 用戶對梯形圖元件的控制

用戶通過與編程界面的交互，達(dá)到對梯形圖元件的控制。為了縮小顯示、控制和梯形圖元件三者間的耦合性，可引入MVC（Model-View-Control）模式解決。其中，由VC++中的CView類充當(dāng)顯示部分，并設(shè)計(jì)CPLCEleController類用以控制梯形圖元件。CPLCEleController類依賴于工廠類CPLCEleFactory類，通過簡單工廠模擬以創(chuàng)建梯形圖元件實(shí)體，并且針對編輯、編譯和仿真的操作封裝了相應(yīng)方法。其定義如下：

5 梯形圖的編輯

梯形圖的編輯部分封裝于視圖類，能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與顯示分離，以有效降低代碼的耦合性。

梯形圖的編輯大體可分為以下步驟：①選擇所要加載的梯形圖元件類型；②用戶在編輯區(qū)單擊鼠標(biāo)，掃描程序獲取單擊對應(yīng)位置的笛卡兒坐標(biāo)值；③添加該梯形圖元件到存儲(chǔ)鏈表中；④在窗口中顯示該梯形圖；⑤設(shè)置梯形圖元件的其它參數(shù)。

5.1 梯形圖的繪制

矢量圖是計(jì)算機(jī)通過數(shù)學(xué)表達(dá)式解析的圖形，具有內(nèi)存消耗小，操作靈活的特點(diǎn)。因此，本軟件按矢量繪制梯形圖。

在VC++中，MFC類庫中的CDC類封裝了矢量圖的相關(guān)操作，由此，對梯形圖的繪制可以通過遍歷鏈表，并調(diào)用CDC類對象指針的函數(shù)來完成。并基于面向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)性調(diào)用各元件實(shí)際的繪制操作：

梯形圖被繪制后，其類型、行號(hào)、列號(hào)信息均被確定。而其它的參數(shù)，如元件編號(hào)、定時(shí)器的時(shí)基，由用戶輸入確定，具體可以通過添加消息映射函數(shù)，掃描鼠標(biāo)操作實(shí)現(xiàn)。當(dāng)用戶雙擊某梯形圖元件時(shí)，彈出參數(shù)設(shè)置對話框，輸入數(shù)據(jù)后，相關(guān)的參數(shù)就被綁定在該元件對象中。下面的代碼片段表示對定時(shí)器設(shè)置參數(shù)。

5.2 梯形圖的序列化

要實(shí)現(xiàn)梯形圖的多次編輯，就要對梯形圖實(shí)現(xiàn)序列化，將其保存為文件；而當(dāng)再次調(diào)用時(shí)，需要把程序加載到內(nèi)存。

對于Document/View結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)都存放于CDocument類里，將其中的變量寫入文件，即實(shí)現(xiàn)了梯形圖的序列化；打開文件時(shí)，通過動(dòng)態(tài)創(chuàng)建機(jī)制，把其中變量導(dǎo)入內(nèi)存，即實(shí)現(xiàn)了梯形圖的反序列化。

由于梯形圖元件類繼承了CObject類，因此，運(yùn)行時(shí)其自身具有類型識(shí)別和動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的功能，在CArchive類中調(diào)用重載的讀寫運(yùn)算符＂＞＞＂和＂＜＜＂，就能執(zhí)行相應(yīng)文件緩沖區(qū)建立和數(shù)據(jù)讀寫。

6 梯形圖的編譯

梯形圖的編譯是編程系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因?yàn)榫幾g的實(shí)質(zhì)是把用戶編輯的梯形圖程序，經(jīng)過語法分析和邏輯分析，循環(huán)掃描，最終生成運(yùn)行系統(tǒng)可識(shí)別的目標(biāo)程序。

按照梯形圖編程語言規(guī)范，編譯程序掃描梯形圖，經(jīng)過語法分析和邏輯分析后，若發(fā)現(xiàn)梯形圖有錯(cuò)誤，便生產(chǎn)相應(yīng)的錯(cuò)誤提示信息，并復(fù)制到用戶界面。

6.1 梯形圖的掃描

梯形圖掃描和編譯以梯級(jí)為單位，且梯級(jí)是由相互影響的行組成的最小單元，圖4所示為一個(gè)梯級(jí)。對梯形圖的掃描采用深度掃描算法，即以豎線元素作為邏輯區(qū)分，對梯形圖網(wǎng)絡(luò)自左向右，從上到下，逐個(gè)元素進(jìn)行。

圖4 梯形圖掃描過程圖

以圖4為例，一個(gè)梯形圖梯級(jí)的深度掃描過程為：①首先讀取串聯(lián)關(guān)系的元件X1和X2；②遇到并聯(lián)接點(diǎn)A，從而轉(zhuǎn)至下一行掃描，讀取元件X4；③遇到并聯(lián)接點(diǎn)B，轉(zhuǎn)至下一行，讀取元件X6；④回到并聯(lián)接點(diǎn)B，讀取元件X5；⑤回到并聯(lián)接點(diǎn)A，讀取元件X3；⑥讀取輸出元件Y1，則完成該梯級(jí)的掃描和編譯。

實(shí)踐證明，該掃描算法容易實(shí)現(xiàn)，能深入解析梯形圖邏輯關(guān)系，占用存儲(chǔ)空間較少，掃描效率較高。

6.2 梯形圖數(shù)據(jù)信息的記錄

為了提高移植性，降低運(yùn)行系統(tǒng)程序與VC++程序的耦合度，本軟件引入了生成相應(yīng)配置文件技術(shù)，以記錄梯形圖的數(shù)據(jù)信息，供仿真模塊或運(yùn)行系統(tǒng)讀取。

梯形圖被掃描過程，程序自動(dòng)生成梯形圖相關(guān)的邏輯關(guān)系數(shù)據(jù)對應(yīng)的配置文件，用四組數(shù)字分別代表梯形圖的類型、連接關(guān)系，包括復(fù)雜元件中定時(shí)器的時(shí)基等數(shù)據(jù)信息，以備在運(yùn)行系統(tǒng)加載。其梯形圖數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)示例如表1所示。

表1存儲(chǔ)了一個(gè)梯形圖的梯級(jí)信息，一個(gè)梯形圖元件對應(yīng)表中的一格，表中＂X-X-X-X＂的格式為簡單的元件信息，分別表示“元件類型-連接關(guān)系-存儲(chǔ)類型-對應(yīng)存儲(chǔ)類型數(shù)組的偏移量”。如表中第1行第1列的＂1-0-0-25＂數(shù)據(jù)，代表梯級(jí)中位于第1行第1列，無并聯(lián)關(guān)系的常開觸點(diǎn)，它在簡單元件類型輸入數(shù)組中的存儲(chǔ)偏移量為25。

表1 梯形圖數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)示例

7 梯形圖的仿真

為了判定被編譯程序執(zhí)行的正確性，本編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)了仿真模塊，以模擬現(xiàn)場梯圖程序運(yùn)行。仿真需要將梯形圖程序轉(zhuǎn)化為C程序，以實(shí)現(xiàn)邏輯控制。

仿真模塊主要分為邏輯運(yùn)算模塊、算術(shù)運(yùn)算模塊和梯形圖更新顯示模塊。其中，邏輯運(yùn)算模塊是仿真模塊的核心，負(fù)責(zé)對梯形圖數(shù)據(jù)信息的識(shí)別，以及邏輯狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。

仿真程序通過讀取存儲(chǔ)梯形圖邏輯信息的配置文件，并還原對應(yīng)每個(gè)梯形圖元件及相應(yīng)的邏輯關(guān)系。以下的代碼片段通過運(yùn)行是類型識(shí)別，反映了當(dāng)前讀取的元件是常開/常閉觸點(diǎn)或輸出線圈時(shí)的邏輯運(yùn)算：

//常閉觸點(diǎn)，右連接：＝左連接取反

//常開觸點(diǎn)，右連接：＝左連接，不需改動(dòng)

//輸出能流為左連接狀態(tài)和本元件狀態(tài)相與

動(dòng)態(tài)仿真過程在梯形圖編輯區(qū)實(shí)時(shí)顯示方便用戶進(jìn)行錯(cuò)誤定位、追蹤。具體表現(xiàn)為梯形圖元件能流導(dǎo)通時(shí)的變色反顯，可通過重繪觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)。

8 結(jié)束語

本嵌入式軟PLC編程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了梯形圖的編輯、編譯和仿真功能。并基于VC++開發(fā)平臺(tái)面向?qū)ο蟮姆庋b、繼承和多態(tài)性，通過編輯過程引入存儲(chǔ)梯形圖信息的配置文件，實(shí)現(xiàn)了編譯與仿真的橋接，有效地降低了與VC++開發(fā)環(huán)境的耦合度，移植性強(qiáng)。

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