嵌入式軟PLC編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
吳玉香，郭建勛，周建香
華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州54064
摘 要：完成一種在Windows操作環(huán)境下采用VC++開發(fā)工具設(shè)計(jì)的嵌入式軟PLC編程系統(tǒng)。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，提出了描述軟PJ,C梯形圖元件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及對(duì)梯形圖元件集合存儲(chǔ)和交互的方案。該系統(tǒng)針對(duì)vc++的Documenf/View的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了軟PLC編程系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，分為編輯、編譯和仿真等功能模塊，且結(jié)合相應(yīng)的算法買現(xiàn)，并重點(diǎn)介紹了梯形圖程序的編輯和編譯掃描原理：為低成本高效率實(shí)現(xiàn)嵌入式軟PLC編程系統(tǒng)提出了新方案，也為軟件開發(fā)人員提供一種軟件設(shè)計(jì)的新思維。
關(guān)鍵詞：軟PLC；梯形圖；編輯；編譯；仿真
中圖分類號(hào)：TP 273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
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逐漸暴露出許多不足，主要表現(xiàn)力技術(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(zhǎng)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。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)Windows環(huán)境下引入vc++開發(fā)工具，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
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、指令的解析以及生成目標(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。
本文介紹的嵌入式軟PLC編程系統(tǒng)其總體架構(gòu)，如圖l所示。
嵌入式軟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，主要由編輯、編譯、仿真和通信4大模塊組成。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(duì)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)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(。由于梯形圖簡(jiǎn)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DocumenU View結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以支持梯形圖和指令表對(duì)應(yīng)的格式一。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。
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；指令表區(qū)用于顯示梯形圖對(duì)應(yīng)的邏輯指令；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)
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(jiǎn)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(jiǎn)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；再由這兩個(gè)類派生出具體元件類，如常開觸點(diǎn)或定時(shí)器等。各元件類型的繼承樹示意圈，如圖3所示。
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(duì)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)比其他的數(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)秭形圖的容器。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(duì)象，并調(diào)用鏈表的AddHead或AddTail函數(shù)加入該對(duì)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(duì)應(yīng)對(duì)象的指針。下列代碼表示生成一個(gè)常開元件對(duì)象，并把該對(duì)象的指針加入到鏈表中：
3)用戶對(duì)梯形圖元件的控制用戶通過與編程界面的交互，達(dá)到對(duì)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，vc++中的CVieW類充當(dāng)顯示部分，并設(shè)計(jì)CPLCEleCon-troller類用以控制梯形圖元件。CPLCEleController類依賴于工廠類CPLCEleFactory類，通過簡(jiǎn)單工廠模式以創(chuàng)建梯形圖元件實(shí)體，并且針對(duì)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：
Step1選擇所要加載的梯形圖元件類型。
Step 2用戶在編輯區(qū)單擊鼠標(biāo)，掃描程序獲取單擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的笛卡兒坐標(biāo)值。
Step 3添加該梯形圖元件到存儲(chǔ)鏈表中。
Step 4在窗口中顯示該梯形圖。
Scep 5設(shè)置梯形圖元件的其他參數(shù)。
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++申，MFC類庫中的CDC類封裝了矢量圖的相關(guān)操作，由此，對(duì)梯形圖的繪制可以通過遍歷鏈表，并調(diào)用CDC類對(duì)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。而其他的參數(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(duì)話框，輸人數(shù)據(jù)后，相關(guān)的參數(shù)就被綁定在該元件對(duì)象中。
2)梯形圖的序列化要實(shí)現(xiàn)梯形圖的多次編輯，就要對(duì)梯形圖實(shí)現(xiàn)序列化，將其保存為文仲；而當(dāng)再次調(diào)用時(shí)，需要把程序加載到內(nèi)存。
對(duì)于Document/View結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)都存放于CDocu-ment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)人內(nèi)存，即實(shí)現(xiàn)了梯形圖的反序列化。
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，便生成相應(yīng)的錯(cuò)誤提示信息，并復(fù)制到用戶界面。
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，梯形圖掃描，如圖4所示。
對(duì)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(duì)梯形圖網(wǎng)絡(luò)自左向右，從上至下，逐個(gè)元素進(jìn)行。
以圖4力例，一個(gè)梯形圖梯級(jí)的深度掃描過程如下：
Step l首先讀取串聯(lián)關(guān)系的元件Xl和X2。
Step 2遇到并聯(lián)結(jié)點(diǎn)A，從而轉(zhuǎn)至下一行掃描，讀取元件X4。
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。
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)的配置文件技術(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(duì)應(yīng)的配置文件，用4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，如圖5所示。
圖5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(duì)應(yīng)表中的一格，表中“x-x-x-x”的格式為簡(jiǎn)單元件信息，分別表示“元件類型一連接關(guān)系一存儲(chǔ)類型一對(duì)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(jiǎn)單元件類型輸入數(shù)組中的存儲(chǔ)偏移量為25。
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(chǎng)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(duì)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(duì)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：
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)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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