基于VC的梯形圖編程軟件開發(fā)技術(shù)

史先桂

(安徽新華學(xué)院 信息工程學(xué)院，合肥 230088)

史先桂

(安徽新華學(xué)院 信息工程學(xué)院，合肥 230088)

介紹一種采用VC++2010開發(fā)梯形圖編程工具軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。利用面向?qū)ο蟮姆椒?，進(jìn)行系統(tǒng)類層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的執(zhí)行效率、開放性和可擴(kuò)展性；采用鏈表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)梯形圖，能夠方便、靈活地進(jìn)行動(dòng)態(tài)編輯操作；運(yùn)行程序?qū)⑻菪螆D圖形語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為鏈表指令程序，通過(guò)高效邏輯和運(yùn)算管理鏈表指令快速執(zhí)行。

VC++；梯形圖；可編程邏輯控制器控制；組態(tài)軟件

在自動(dòng)控制領(lǐng)域，梯形圖因其直觀易學(xué)的優(yōu)勢(shì)，成為PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)中應(yīng)用廣泛的編程語(yǔ)言[1]?；诠た貦C(jī)的PCI(Peripheral Component Interconnect，外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))插槽、運(yùn)動(dòng)控制卡多軸控制系統(tǒng)以及基于以太網(wǎng)、串口等智能終端的控制編程都要通過(guò)組態(tài)軟件或上位機(jī)自編開發(fā)軟件。針對(duì)擁有大量輸入輸出的復(fù)雜邏輯控制系統(tǒng)，采用上位機(jī)自編開發(fā)軟件，需要定義大量的變量，靠編寫代碼等控制工藝動(dòng)作。因此，項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、可控性差、風(fēng)險(xiǎn)大，一旦出現(xiàn)故障和漏洞，需要開發(fā)人員才能解決。同時(shí)，復(fù)雜的邏輯控制通過(guò)在組態(tài)軟件上編寫腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)也非常困難，沒(méi)有梯形圖編程方便、直觀。這種情況下，在組態(tài)軟件基礎(chǔ)上開發(fā)類似PLC的梯形圖編程工具軟件，那么只要是有梯形圖編程經(jīng)驗(yàn)的人員，就可以在上位機(jī)上開發(fā)復(fù)雜的控制項(xiàng)目，使復(fù)雜的上位機(jī)軟件開發(fā)大大簡(jiǎn)化，不需要編寫代碼，而且調(diào)試方便、直觀、快捷，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)降低。本文利用VC++2010開發(fā)梯形圖編程工具軟件，并重點(diǎn)介紹梯形圖指令圖形化編輯系統(tǒng)、梯形圖編程系統(tǒng)、梯形圖運(yùn)行系統(tǒng)[2]，等功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法。

1 梯形圖指令圖形化編輯系統(tǒng)

完成梯形圖指令圖形化編輯系統(tǒng)，首先要確定梯形圖的指令系統(tǒng)，然后將梯形圖指令符號(hào)用不同圖形表示出來(lái)。

1.1 指令系統(tǒng)

首先規(guī)劃系統(tǒng)需要支持哪些指令，并且要容易擴(kuò)展。本系統(tǒng)支持的梯形圖命令有：

常規(guī)指令：常開、常閉、>、 >=、 <、 <=、 ==、M繼電器輸出、M繼電器上升沿微分、M繼電器下降沿微分、DI輸入、DO輸出、AI輸入 、AO輸出、時(shí)間計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)、計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)、置位、復(fù)位、位設(shè)置；

運(yùn)算指令：數(shù)據(jù)+、-、*、/、絕對(duì)值運(yùn)算；

數(shù)據(jù)傳送指令：字節(jié)傳送、字傳送、數(shù)字快傳送；

伺服步進(jìn)指令：設(shè)置常速、設(shè)置高速、設(shè)置恒速、加速，設(shè)置運(yùn)行脈沖數(shù)，制動(dòng)，清零，查詢當(dāng)前脈沖數(shù)、原位、方向、運(yùn)行狀態(tài)；

特殊指令：子程序、功能塊、報(bào)警信息提示。

1.2 指令符號(hào)繪制

圖1 類層次結(jié)構(gòu)

圖1是畫指令圖元的相關(guān)繼承關(guān)系，每個(gè)畫圖對(duì)象由以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：

typedef struct _TBObjInfo

所有對(duì)象在虛函數(shù) virtual void Draw(CDC* pDC)里實(shí)現(xiàn)畫圖，這種設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單且指令可擴(kuò)展性強(qiáng)。

2 梯形圖編程系統(tǒng)

一個(gè)完善的梯形圖編程系統(tǒng)，首先要將梯形圖指令與相關(guān)的繼電器關(guān)聯(lián)，其次要完成梯形圖編程的編輯系統(tǒng)

2.1 繼電器定義

梯形圖在編輯時(shí)，指令要與相關(guān)繼電器關(guān)聯(lián)。繼電器一般有2種：外部I/O繼電器和內(nèi)部輔助繼電器。

本系統(tǒng)規(guī)劃的外部I/O繼電器最多可提供0～255個(gè)設(shè)備的虛擬地址，供工控機(jī)插卡輸入輸出編址用，數(shù)字量和模擬量輸入輸出變量地址支持0.00～0.31到255.00～255.32，具體地址分配根據(jù)配置的虛擬地址編號(hào)用對(duì)話框設(shè)置如圖2所示。

圖2 輸入、輸出地址配置

如一塊16位DI插卡，地址編號(hào)=1，編址為1.00～1.15，沒(méi)有編址的不能在梯形圖里使用。地址編號(hào)為0,1,...,255，不能重復(fù)；另外數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出的數(shù)量要和實(shí)際插卡設(shè)備一致，以便梯形圖正確編址。

系統(tǒng)規(guī)劃的內(nèi)部繼電器有：M輔助繼電器，地址支持M0～M10000，共具有10 000個(gè)M輔助繼電器。其中：特殊繼電器M0，程序第一次循環(huán)是ON，以后為OFF；M1，0.5 s脈沖；M2，1 s脈沖；M3，M4備用，編程選擇從M5開始；DW數(shù)據(jù)寄存器，共有DW0～DW5000可用；時(shí)間繼電器T，共有T0～T500可用；計(jì)數(shù)器C，共有C0～C500可用。

2.2 梯形圖編程的編輯系統(tǒng)

完成梯形圖編程的編輯系統(tǒng)開發(fā)有2個(gè)要點(diǎn)：智能編輯和存儲(chǔ)。梯形圖的智能編輯系統(tǒng)對(duì)繪制的梯形圖是否正確具有智能判斷功能，可根據(jù)梯形圖符號(hào)、指令類型，左、右連接的對(duì)象，上、下連接的對(duì)象、位置等檢測(cè)繪制是否正確。

2.2.1 梯形圖智能編輯

程序完成相關(guān)功能后，可根據(jù)工藝要求進(jìn)行梯形圖編程。圖3是本系統(tǒng)編輯的一段梯形圖。

圖3 梯形圖編程實(shí)例

程序的每個(gè)段編輯完成，系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)判斷是否符合邏輯要求，如果不合要求則梯形圖開始端會(huì)變紅色，同時(shí)提示錯(cuò)誤。同樣，梯形圖指令繪制位置不正確時(shí)也會(huì)有錯(cuò)誤提示[4]。

2.2.2 梯形圖存儲(chǔ)

每行梯形圖編輯順序?yàn)閺淖蟮接?、從上到下，下面以圖4所示的一段梯形圖來(lái)說(shuō)明存儲(chǔ)方法。

圖4 一段梯形圖

梯形圖的每個(gè)段由兩部分組成：圖4中虛線左邊是邏輯關(guān)系組合，右邊是輸出結(jié)果。梯形圖程序編輯完成后，存儲(chǔ)梯形圖要將邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換成關(guān)系表達(dá)式存儲(chǔ)，以鏈表形式存儲(chǔ)，其結(jié)構(gòu)如下。

typedef struct _TBControLadInfo

結(jié)構(gòu)_TBControLadInfo存儲(chǔ)梯形圖的ID、子程序號(hào)、梯形圖段牽引、梯形圖所屬頁(yè)面ID、梯形圖邏輯關(guān)系組合關(guān)系表達(dá)式、最后一列輸出結(jié)果表達(dá)式。其中成員變量ladder存儲(chǔ)梯形圖每個(gè)段中虛線左邊的邏輯關(guān)系組合表達(dá)式。圖4所示的一段梯形圖存儲(chǔ)表達(dá)式如下：(((M50&M101|T22)|T28)|M217)&!M226&M215&!M224，表達(dá)式通過(guò)+、-、*、、^、=、&、|、!=、<=、<、>=、>、==等邏輯關(guān)系，在梯形圖運(yùn)行時(shí)經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出一個(gè)邏輯狀態(tài)0或1，然后確定最右邊一列的輸出結(jié)果。

成員變量ControlOut存儲(chǔ)梯形圖的每個(gè)段最右邊一列，輸出結(jié)果為組合表達(dá)式，圖4中存儲(chǔ)結(jié)果是(M,217)，表示輔助繼電器M217線圈輸出為0或1。

在存儲(chǔ)時(shí)要求系統(tǒng)能自動(dòng)將梯形圖符號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的運(yùn)算關(guān)系和邏輯符號(hào)，存儲(chǔ)在TBControLadInfo結(jié)構(gòu)鏈表里，并最終存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 梯形圖運(yùn)行系統(tǒng)

運(yùn)行系統(tǒng)首先從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取梯形圖存儲(chǔ)的相關(guān)信息，然后不停循環(huán)掃描主程序，根據(jù)梯形圖程序掃描順序和相關(guān)繼電器狀態(tài)，逐行分析和計(jì)算每個(gè)程序段的邏輯關(guān)系組合表達(dá)式值。若邏輯狀態(tài)為1,在最后一列輸出相關(guān)動(dòng)作，若邏輯狀態(tài)為0則不輸出相關(guān)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)梯形圖的實(shí)時(shí)執(zhí)行[5]。梯形圖運(yùn)行系統(tǒng)開發(fā)有2個(gè)難點(diǎn)：

1)高效分析和計(jì)算程序段前面的邏輯關(guān)系表達(dá)式值

針對(duì)邏輯表達(dá)式專門開發(fā)一個(gè)運(yùn)算管理類CLadParser，能滿足常用的=、&、|、!=、<=、<、>=、>、==、+、-、*、、^等所有邏輯運(yùn)算，判斷邏輯和運(yùn)行優(yōu)先級(jí)別。運(yùn)行速度要快，否則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。其實(shí)現(xiàn)分析和計(jì)算程序段前面的邏輯關(guān)系的方法如下：

CLadParser m_Parser; //聲明一個(gè)對(duì)象

Cstring sLad=(((M50&M101|T22)|T28)|M217)&!M226&M215&!M224;//梯形圖邏輯關(guān)系組合表達(dá)式

bool bV = m_Parser.JudgeEaluate(sLad);//計(jì)算梯形圖邏輯關(guān)系組合表達(dá)式值

if(bV){ //執(zhí)行最后一列輸出相關(guān)動(dòng)作，M227置1 }

系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得相關(guān)繼電器的值，再通過(guò)CladParser進(jìn)行分析判斷，計(jì)算出邏輯狀態(tài)值(0或1)，這樣就能確定如何執(zhí)行后序動(dòng)作[6]。

2)梯形圖實(shí)時(shí)調(diào)試

梯形圖一大優(yōu)點(diǎn)就是調(diào)試時(shí)直觀、方便，所以梯形圖在運(yùn)行時(shí)，要實(shí)時(shí)觀察到相關(guān)繼電器數(shù)值和狀態(tài)，某段梯形圖導(dǎo)通要用不同顏色來(lái)顯示。如果梯形圖前面邏輯關(guān)系表達(dá)式值為1，則這段梯形圖全部用灰色線條聯(lián)通，如圖5所示。

圖5 梯形圖編程調(diào)試

另外實(shí)時(shí)調(diào)試要有強(qiáng)迫和取消繼電器值改變功能，這樣可為調(diào)試帶來(lái)很多方便，在此不一一贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

梯形圖編程系統(tǒng)的開發(fā)，將使上位機(jī)軟件開發(fā)大大簡(jiǎn)單化，不同項(xiàng)目不需要編寫代碼只需要根據(jù)梯形圖來(lái)編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制，調(diào)試方便、直觀、快捷，本文介紹的開發(fā)梯形圖編輯工具的方法，也適用于開發(fā)其他任何控制器的梯形圖編程工具。

[1]韓偉,宋明偉,魏志強(qiáng),等.基于Windows的華中世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)PLC編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2011,39(14):97-99.

[2]陳雪,劉蔭忠,徐恩松.基于Qt的軟PLC梯形圖編輯軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(12):64-69.

[3]吳盼盼,嚴(yán)義.基于構(gòu)件的梯形圖算法模塊封裝方法[J].機(jī)電工程,2013,30(6):764-768.

[4]石銳,周雷,楊正益.軟PLC梯形圖到語(yǔ)句表轉(zhuǎn)換新策略的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(18):244-248.

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Design and Implementation of Ladder Diagram Programming Tool Software based on VC++

SHIXiangui

(School of Information Science and Technology,Xinhua University,Hefei 230088,China)

This paper introduces the design and implementation of ladder diagram programming tool software based on VC++2010.Using object-oriented method,the author designs the system hierarchical structure,makes the system more efficient,open and expansible;the storage list structure of ladder diagram,can be easily and flexibly dynamically edited;ladder graphics language can be converted into the list instruction program by running the program,and be implemented through the efficient and rapid logic and operation management instruction list.

VC++;ladder diagram;PLC control;configuration software

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.02.003

2017-03-15

安徽省教育廳重點(diǎn)自然科研項(xiàng)目(KJ2015A306)

史先桂(1975—),女，講師，碩士，研究方向：建模仿真、單片機(jī)開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)，電子郵箱：sndy999@163.com。

TP273

A

2095-5383(2017)02-0013-04