軟PLC梯形圖編輯與指令表生成方法研究

吳亞山， 陸 陽， 徐 謙

（1.合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009；2.潞安新疆煤化工（集團）有限公司，新疆 哈密 839003）

傳統(tǒng)可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）是20世紀發(fā)展起來并被廣泛采用的一種自動化控制裝置，具有良好的功能性、高可靠性和強大的工業(yè)環(huán)境適應能力。實際應用中，不同廠家的PLC硬件結(jié)構(gòu)、編程方法均有差異，PLC體系不具備很好的開放性和兼容性［1］，大大限制了傳統(tǒng)PLC的發(fā)展。國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）頒布的IEC 61131標準［2－3］，對 PLC軟硬件平臺作了統(tǒng)一規(guī)范，符合此標準的軟PLC技術(shù)應運而生。

軟PLC不但具備傳統(tǒng)PLC的各方面優(yōu)點，而且克服了兼容性缺陷，程序僅需作少量修改即可在其他符合IEC 61131－3語言標準的硬件平臺上運行，同時成本低廉。

IEC 61131－3部分共定義了5種編程語言，包括指令表、結(jié)構(gòu)化文本、梯形圖、功能塊圖和順序功能圖［4］，其中指令表和梯形圖使用頻率最高。梯形圖與電氣邏輯控制圖相似，形象直觀，對編程人員友好；指令表則類似匯編語言，可作為軟PLC解釋執(zhí)行的目標語言，對硬件平臺友好。2種語言元素間存在一一對應的關(guān)系。因此實現(xiàn)梯形圖編輯和將梯形圖轉(zhuǎn)換為指令表，對于推動PLC標準化、通用化，提高控制系統(tǒng)編程效率尤為重要。

本文提出一種基于雙向循環(huán)鏈表和十字鏈表的梯形圖編輯和指令表生成算法，實現(xiàn)了一個軟PLC開發(fā)系統(tǒng)，并分析了軟PLC運行系統(tǒng)實現(xiàn)思想。

1 梯形圖與指令表簡介

梯形圖（ladder diagram，LD）是一種圖形化編程語言，引入了電氣系統(tǒng)中電源軌線、繼電器、觸點、線圈等概念，以“能量流動”描述數(shù)據(jù)傳遞過程，直觀性強，易于學習。一個電動機啟保?？刂七壿嬏菪螆D示例如圖1所示。

按動START觸點對應的按鈕，線圈 MOTOR對應的電動機將持續(xù)運轉(zhuǎn)，直到按動STOP觸點對應的按鈕，電動機停止運轉(zhuǎn)。

由圖1梯形圖生成的指令表如圖2所示。

圖1 梯形圖

圖2 指令表

指令表（IL，instruction list）以一系列指令作為編程語言，由操作符、修正符和操作數(shù)等組成。LD指令讀取相應觸點狀態(tài)，ST指令將運算后的結(jié)果輸出到線圈MOTOR對應的輸出點，從而控制電動機啟停。

2 雙向循環(huán)鏈表與十字鏈表

雙向循環(huán)鏈表每個節(jié)點中有2個指針，＊next指向后繼節(jié)點，＊previous指向前驅(qū)節(jié)點，因此在查找前驅(qū)節(jié)點和后繼節(jié)點時非常高效，如圖3所示。

圖3 雙向循環(huán)鏈表

十字鏈表是表示正交關(guān)系的一種鏈式存儲結(jié)構(gòu)，可用于存儲有向圖和稀疏矩陣等，如圖4所示。

圖4 十字鏈表

3 梯形圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.1 梯形圖基本元素定義

梯形圖的基本元素包括電源軌線、連接線、觸點、線圈等，具體分類見表1所列。

表1 梯形圖基本元素及圖例

為便于擴展梯形圖基本元素，提高程序模塊化程度，降低不同基本元素處理復雜度，可將所有梯形圖基本元素的共同特征抽象為一個公共基類［5］。LD－BaseElem基類的定義描述如下：

class LD－BaseElem

｛CString Caption；／／標簽名、變量名，如I0.0，X0，Y1

CString s［4］；／／參數(shù)名

CString v［4］；／／參數(shù)值

int LD－Type；／／元素類型

int mRow，mCol；／／行列坐標

LD－BaseElem＊next；／／指向后繼梯形圖元素

LD－BaseElem＊previous；／／指向前驅(qū)梯形圖元素

LD－BaseElem＊up；／／指向上方梯形圖元素

LD－BaseElem＊down；／／指向下方梯形圖元素

BOOL visited；／／元素是否被遍歷

BOOL outputed；／／元素IL是否已輸出

LD－BaseElem（int LD－Type，int tRow，int tCol）｛｝

virtual void setValue（）｛｝／／賦值函數(shù)

virtual void Draw（CDC＊pDC）｛｝／／繪圖函數(shù)

virtual CString toIL（）｛｝／／IL指令轉(zhuǎn)換函數(shù)

｝；

基類中定義了基本元素的類型、輸入輸出參數(shù)、對應的變量名、在梯形圖中的坐標等信息。同時以虛函數(shù)的方式定義了賦值函數(shù)、繪圖函數(shù)和IL指令轉(zhuǎn)換函數(shù)。每個基本元素繼承自基類，并按照各自特點重新實現(xiàn)虛函數(shù)。如豎直連接線元素，不需要賦值，也不用輸出IL指令，只需重寫Draw（）函數(shù)，在指定行列坐標畫出該連接線即可。

3.2 梯形圖的存儲方式

梯形圖的存儲，可采用數(shù)組、鏈表、二叉樹以及AOV網(wǎng)等方式實現(xiàn)［6－8］。一些研究中，基于二叉樹、有向圖等存儲方式，需要二次構(gòu)造數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立過程復雜。

求解梯形圖的輸出值時，應遵從PLC“循環(huán)掃描，順序執(zhí)行”的工作方式，從左電源軌線開始，各基本元素依次按照從左向右、從上到下的順序求值，遇到并聯(lián)塊時，優(yōu)先求解并聯(lián)塊，最后通過線圈輸出求值結(jié)果；一輪求值結(jié)束后，又從左電源軌線開始新一輪求值。

根據(jù)梯形圖求值特點，可將梯形圖中的基本元素作為鏈表節(jié)點，按行建立雙向循環(huán)鏈表，在此基礎上，為行之間的連接線元素建立十字鏈接。這種雙向循環(huán)十字鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，前后查找效率高，增刪、遍歷節(jié)點方便，同時鏈式指針邏輯結(jié)構(gòu)符合梯形圖求值規(guī)則，便于繪制梯形圖和生成指令表。圖1對應的雙向循環(huán)十字鏈表如圖5所示。

圖5 梯形圖的雙向循環(huán)十字鏈表示例

雙向循環(huán)十字鏈表定義描述如下：

typedef LD－BaseElem Node；

class LinkList

｛Node＊header；／／頭節(jié)點

int maxRow；／／繪圖網(wǎng)格行數(shù)

int maxCol；／／繪圖網(wǎng)格列數(shù)

LinkList（）｛｝／／構(gòu)造函數(shù)

／／指定位置插入新節(jié)點

void addNode（int LD－Type，int tRow，int tCol）

｛／／建立左右指針關(guān)聯(lián)

／／建立上指針關(guān)聯(lián)

／／建立下指針關(guān)聯(lián)｝

Node＊ getNode（int tRow，int tCol）｛｝／／查找節(jié)點

void removeNode（int tRow，int tCol）｛｝／／刪除節(jié)點

void Draw（CDC＊pDC）｛｝／／遍歷繪制整個梯形圖

CString outPutIL（）｛｝／／整個梯形圖生成指令表

｝；

定義中，addNode（）方法最為重要，其根據(jù)不同基本元素類型，動態(tài)創(chuàng)建新元素節(jié)點，并建立＊next、＊previous、＊up、＊down雙向十字指針。需要注意的是，觸點和線圈節(jié)點與不在同一行的其他節(jié)點沒有直接關(guān)系，故其＊up和＊down指針均保持為NULL；而具有豎直導向作用的連接線（包括左電源軌線、豎電源軌線、右電源軌線、豎直連接線、中層右接線、中層左接線、向下連接線、左下承接線和右下承接線），起到行間連接和控制程序走向的作用，在梯形圖編輯過程中其＊up和＊down指針需按實際情況指向?qū)墓?jié)點。

3.3 梯形圖編輯

筆者自主開發(fā)了軟PLC編程環(huán)境，梯形圖編輯器如圖6所示。

圖6 梯形圖編輯界面

該編輯器采用多文檔窗口開發(fā)，可同時編輯多個梯形圖程序。主界面分為3部分，左側(cè)用樹狀結(jié)構(gòu)顯示了梯形圖基本元素，中間部分為梯形圖編輯區(qū)，右側(cè)輸出梯形圖生成的指令表程序。梯形圖編輯過程中，調(diào)用addNode（）函數(shù)不斷維護節(jié)點和指針，Draw（）函數(shù)可動態(tài)更新編輯區(qū)的梯形圖，outPutIL（）函數(shù)則實時將當前梯形圖轉(zhuǎn)換為指令表。

梯形圖的編輯，也就是插入和刪除基本元素節(jié)點的過程。如圖7所示，以刪除常閉觸點為例，斷開其與前驅(qū)和后繼之間的指針，并且在前驅(qū)和后繼之間建立鏈接，再將常閉觸點釋放即可；插入節(jié)點亦然?？梢婋p向循環(huán)十字鏈表在梯形圖編輯中的便捷性。

圖7 刪除梯形圖元素

4 梯形圖生成指令表

4.1 梯形圖元素與指令的關(guān)系

梯形圖按照從左向右、從上到下的順序求解輸出值。從左向右，各元素執(zhí)行“AND”運算指令；遇到并聯(lián)塊時，從上到下，并聯(lián)的部分之間執(zhí)行“OR”運算指令；連接線控制程序走向；觸點用于讀取數(shù)據(jù)，對應“LD”運算指令；線圈用于輸出數(shù)據(jù)，對應“ST”運算指令。

4.2 梯形圖生成指令表實例

為便于描述，將圖5梯形圖雙向循環(huán)十字鏈表各節(jié)點命名如下：v［i］表示電源軌線和連接線，X［i］，Y0表示觸點和線圈，如圖8所示。

圖8 梯形圖生成指令表過程

借助棧記錄遍歷過的電源軌線和連接線節(jié)點，編寫梯形圖outPutIL（）遍歷算法，按圖8所示中箭頭及標號順序表示的路徑依次訪問節(jié)點。分別調(diào)用各基本元素節(jié)點的toIL（）方法輸出該元素代表的具體IL指令，最終組成完整的指令表語言程序。

5 相關(guān)算法對比

梯形圖的編輯和指令表轉(zhuǎn)換，已有算法主要采用鏈表、二叉樹、AOV網(wǎng)相結(jié)合的方式實現(xiàn)。

5.1 鏈表與二叉樹結(jié)合算法

文獻［9］以AOV網(wǎng)的節(jié)點表示梯形圖元素，AOV網(wǎng)的弧表示梯形圖元素間的連接關(guān)系，對梯形圖進行存儲；再將AOV網(wǎng)轉(zhuǎn)換為二叉樹，以二叉樹的非葉節(jié)點表示梯形圖串聯(lián)、并聯(lián)邏輯關(guān)系，對轉(zhuǎn)換后的二叉樹進行一定的裁剪，通過中序遍歷輸出指令表語句。以圖1所示梯形圖為例，該算法對應的存儲結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換示意如9所示。

圖9 AOV網(wǎng)及二叉樹示例

此算法的AOV網(wǎng)將連接線元素統(tǒng)一作為虛節(jié)點，梯形圖元素間的串聯(lián)、并聯(lián)邏輯關(guān)系隱含在節(jié)點的出度、入度信息中，需要對AOV網(wǎng)進行一次遍歷，構(gòu)建出二叉樹，裁剪虛節(jié)點，才能進行指令表的轉(zhuǎn)換。AOV網(wǎng)發(fā)生變化后，二叉樹需要重建。

5.2 雙向鏈表與AOV網(wǎng)結(jié)合算法

文獻［10］以行雙向鏈表作為梯形圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲和顯示數(shù)據(jù)；根據(jù)行雙向鏈表生成AOV網(wǎng)，對梯形圖節(jié)點進行拓撲排序，再轉(zhuǎn)換為指令表語句。以圖1所示梯形圖為例，該算法對應的存儲結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換示意如圖10所示。

此算法的行雙向鏈表僅保留了行內(nèi)元素之間和行與行之間的邏輯關(guān)系，卻丟失了處于不同行的元素之間的邏輯關(guān)系。因此在將梯形圖轉(zhuǎn)換為指令表前，需要對整個鏈表進行一次掃描，在適當位置添加虛節(jié)點（圖10中的vp1節(jié)點），構(gòu)建AOV網(wǎng)，再進行拓撲排序和輸出。一旦對梯形圖進行編輯，建立AOV網(wǎng)的過程需要重新進行。

5.3 本文算法優(yōu)勢

本文提出的雙向循環(huán)十字鏈表有以下優(yōu)勢：（1）動態(tài)存儲。編輯過程中，動態(tài)將梯形圖按雙向循環(huán)十字鏈表存儲。梯形圖編輯只需針對鏈表中的部分節(jié)點（4個以內(nèi)）進行增刪和指針重定向操作，而不需要二次構(gòu)造數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（2）繪圖簡單。繪制梯形圖元素時，無需考慮各元素間的邏輯關(guān)系，只需按照網(wǎng)格坐標將各節(jié)點繪制在編輯區(qū)。忽略行間十字鏈接的情況下，雙向循環(huán)十字鏈表就是一個簡單的雙向循環(huán)鏈表，通過調(diào)用Draw（）函數(shù)對其進行一次單向順序遍歷即可完成梯形圖繪制刷新。

（3）實時轉(zhuǎn)換。雙向循環(huán)十字鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保留了梯形圖元素間的邏輯關(guān)系和層次關(guān)系，按outPutIL（）指定的遍歷算法直接遍歷雙向循環(huán)十字鏈表，即可按路徑順序輸出對應的指令表。

圖10 行雙向鏈表及AOV網(wǎng)示例

由于繪圖和生成指令表時無需將雙向循環(huán)十字鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為另一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在處理復雜梯形圖時，能有效節(jié)約系統(tǒng)資源，提高處理效率。

6 軟PLC運行系統(tǒng)實現(xiàn)思想

6.1 PLC執(zhí)行方式

傳統(tǒng)PLC按周期運行，每周期分為輸入采樣、執(zhí)行程序、輸出刷新3個階段，遵循“循環(huán)掃描，順序執(zhí)行”的工作方式。① 輸入采樣，從I／O口讀取輸入信號，并在整個周期內(nèi)保持讀取的數(shù)據(jù)不變，直至下次采樣；②執(zhí)行程序，根據(jù)輸入采樣得到的數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制程序，并將執(zhí)行結(jié)果寫到輸出映像區(qū)；③輸出刷新，第2階段執(zhí)行結(jié)束后，將輸出映像區(qū)的執(zhí)行結(jié)果反饋到I／O口，實現(xiàn)目標控制。

6.2 軟PLC運行系統(tǒng)實現(xiàn)方式

PLC執(zhí)行程序階段的實現(xiàn)，有編譯執(zhí)行和解釋執(zhí)行2種方式［11－12］。編譯執(zhí)行需將PLC程序轉(zhuǎn)換為具體硬件平臺可直接識別的二進制指令?？紤]到PLC程序的兼容性和可移植性，可采用解釋執(zhí)行方式，為硬件平臺編寫以IEC 61131－3標準規(guī)定的指令表語言為目標語言的虛擬機程序。該虛擬機模擬一臺PLC設備，從硬件I／O口讀取輸入信號，并分步解釋執(zhí)行用戶指令表程序，執(zhí)行完成后，將結(jié)果輸出到硬件I／O口，從而實現(xiàn)指令表語言的“順序執(zhí)行”；虛擬機不斷重復讀取數(shù)據(jù)、解釋指令、輸出數(shù)據(jù)的過程，即可模擬傳統(tǒng)PLC“循環(huán)掃描”工作方式。這種解釋執(zhí)行的方案，僅需對虛擬機程序進行少量修改，就可使已編寫的PLC代碼在不同硬件平臺上運行，且擴展方便。

7 結(jié)束語

本文提出一種基于雙向循環(huán)鏈表和十字鏈表的梯形圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，正確實現(xiàn)了梯形圖編輯和梯形圖生成指令表算法。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能直觀地表現(xiàn)梯形圖各元素間邏輯關(guān)系，對實現(xiàn)完整的軟PLC控制系統(tǒng)具有一定意義。

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