软PLC开发系统的设计与实现现

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摘 要：介绍了软plc开发系统的构成和功能，并针对梯形图编辑到目标代码生成的过程，论述了编辑模块、编译模块和仿真模块的设计方案。首先，利用Visual Studio 2005建立梯形图编辑界面和梯形图组件库，实现组件调用和梯形图编辑功能；其次，根据梯形图的构成特点，通过一定的扫描规则来构成二叉树，并通过后序历遍算法来获得指令表；然后，为了实现编辑环境和运行环境的高效通信，通过查表的方式将指令表转换为较为简单的目标代码；最后，建立仿真环境来验证编程的正确性。

关键词：软PLC； 梯形图； 指令表； 二叉树

中图分类号：TN91934 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2012)10001503

基金项目：国家863计划资助项目（2009AA04Z111）；广东省重大科技专项项目（2010A080401006）0 引 言

传统PLC是一种高效可靠的自动化控制技术，被广泛应用于各种工业场合，然而开放性差、通用性差和价格昂贵等问题，成为了该技术发展的瓶颈。随着计算机技术的不断发展和PLC的IEC611313国际标准的制订［1］，软PLC技术应用而生，突破了传统PLC的局限性，逐渐被应用于各种自动化控制领域。所谓软PLC技术，就是使用PC机作为硬件支撑平台，利用软件实现标准硬件PLC的基本功能，或者说，将PLC的控制功能封装在软件内，运行于PC的环境中［24］。

1 系统的结构及功能

如图1所示，软PLC系统由编辑环境和运行环境组成。其中，编辑环境运行于PC上，为用户提供PLC程序的开发条件，并生成目标代码；而运行环境以下位机为基础，对编辑环境生成的目标代码进行解析和执行，控制I/O完成动作。本系统以Windows XP 操作系统及Visual Studio 2005开发工具为软件平台，设计并实现了软PLC系统的编辑环境。

图1 软PLC系统构成该编辑环境主要由PLC梯形图语言编辑模块、编译模块和仿真模块组成。各模块的功能如下：

（1） 编辑模块：由梯形图组件库及梯形图编辑界面2部分构成，实现梯形图的管理和编辑（图元添加、删除、复制、剪切、粘贴、撤销、重复），存储和显示，以及语法查错等功能。

（2） 编译模块：扫描PLC梯形图程序，将其转换为指令表语言，并生成一定格式的目标代码。

（3） 仿真模块：模拟下位机执行程序的过程，验证梯形图程序的逻辑正确性。

PLC梯形图编辑环境采用MFC文档/视图结构，其编辑界面由工程管理窗口、梯形图编辑窗口、编译信息窗口和图元工具栏等部分组成，如图2所示。为实现上述各个部分的功能，本系统定义了框架类、视图类、文档类和组件库管理类，分别负责视图与文档的协调、梯形图的显示、梯形图图元信息的储存和恢复以及梯形图组件库的调用。

图2 梯形图编辑界面2.2 梯形图组件库的设计

梯形图组件库是根据IEC611313进行开发，其作用是为用户提供梯形图基本元素进行编程开发。梯形图的元素包括很多类型，其中包括基本类型（触点、线圈、定时器、计数器等）和特殊类型（计算功能块，运动控制块等）。

由于组件库中的梯形图元素均具有相似性，因此可以利用基类对所有元素进行封装，形成统一的编程接口，从而采用继承的方式表现各元素的多态性。

为了向编辑环境提供梯形图图元，实现PLC梯形图功能，本系统将采用动态链接库的形式进行组件库设计，编辑环境可通过动态链接库的相关函数，来调用组件库里面的基本元素。

主要的接口函数及功能如下：

（1） GetLDElementNum：获取组件库中梯形图元素数目；

（2） GetLDElementClass：获取组件库中梯形图动态类型，用于动态创建元素；

（3） GetLDElementMenuName：获取组件库中梯形图元素菜单名称，用于生成菜单栏；

（4） GetLDElementIcon：获取组件库中梯形图元素图标，用于生成工具栏；

（5） LDCreateFromString：获取组件库中元素创建函数，使元素能够从保存中恢复。

3 软PLC的编译模块

3.1 指令表转换

梯形图形象直观，与电气控制原理图相呼应，但对于PLC来说是不可执行代码，无法直接运行［5］。在完成梯形图编辑后，需要将其转换成更接近机器语言的指令表语言。由文献［6］可知，梯形图的“能流”是从左边母线出发依次通过各个元素流向右边的母线，具有“从左到右，从上到下”的特点。根据这一特点，可以将梯形图中每个元素看作是一个节点，而相邻两个元素之间的串联（或并联）可以抽象为两节点的连接关系，因此梯形图中的每个阶梯均可以看作是一棵顺序二叉树。构造二叉树的步骤如下：

（1） 通过从左到右从上到下扫描阶梯，判断元素是否有后竖线，如没有后竖线，则继续向右扫描，直到出现后竖线，记录该元素所在行列位置。扫描过的元素若含多个，则每扫描到两个就建立一个AND/ANI节点，且为父节点，而扫描到的两个元素均为子节点，先扫描的是左节点，后扫描的是右节点。该子树作为左子树，继续参与后面新节点的建立。若扫描到的节点为输出元素时，则输入节点与输出节点建立一个OUT或者其他输出标识的节点为父节点，非输出节点为左子节点，输出节点为右节点。

（2） 从当前行的下一行的前竖线出现位置开始向右扫描，当存在元素时，建立一个OR节点，并继续向右扫描，判断其是否有后竖线，当该元素后面出现后竖线则停止该行扫描。扫描过的元素若含多个，按照步骤（1）建立父节点及左右子节点。

（3） 若当前行的元素仍有后竖线，则递归执行第2步，直到扫描完这个阶梯。

通过上述过程，对整个梯形图程序的各个阶梯进行二叉树的构造，并执行二叉树的后序遍历算法即可得到指令表。