代征宇，楊觀賜，李少波

(貴州大學教育部現(xiàn)代制造技術(shù)重點實驗室，貴陽 550003）

0 引言

軟PLC的市場需求量在不斷的增長。典型的軟PLC應(yīng)用產(chǎn)品有:①SOFTPLC公司的softPLC。soft-PLC是基于PC的開放式控制軟件，具有開放的控制平臺，用戶能夠根據(jù)自己的需求來選擇硬件。②SIEMENS公司的 SIMATIC WinAc。SIMATIC WinAc是基于windows平臺的控制軟件，具有可視化人機界面，它將控制、數(shù)據(jù)處理、通信等技術(shù)集于一體，采用了實時操作系統(tǒng)作為Windows NT的擴展，具有“硬實時”的特性。③CJ International公司的ISaGRAF。ISaGRAF能夠在多種操作系統(tǒng)下運行，具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊能力［1］。在國內(nèi)，呂涌等開發(fā)的面向DCS控制組態(tài)軟件中包含一些軟PLC功能，它只是DCS系統(tǒng)的一部分，不能獨立運行［2］。李左章等對軟PLC技術(shù)進行了大量的研究，其開發(fā)的數(shù)控內(nèi)嵌式PLC具有軟PLC的特點，但功能單一，不能作為獨立系統(tǒng)運行，且無聯(lián)網(wǎng)通訊能力［3］。

基于上述產(chǎn)品的特點以及不足，本文主要研究基于Qt平臺的中央空調(diào)控制系統(tǒng)中的軟PLC控制軟件的開發(fā)，其對于降低大型中央空調(diào)能耗，緩解我國因不斷增長的能源需求所帶來的能源壓力和環(huán)境壓力具有重要的意義。

1 圖形元件類需求分析與實現(xiàn)策略

1.1 圖形元件類需求分析

采用梯形圖語言設(shè)計順序控制邏輯，具有方便直觀的優(yōu)點，且梯形圖程序由若干圖形元件按邏輯規(guī)則連接而成，編譯順序是從上到下，從左到右［4］。將控制系統(tǒng)的開關(guān)量邏輯與狀態(tài)表示成梯形圖，有利于系統(tǒng)維護與快速故障診斷［5］。通過對梯形圖及其設(shè)計規(guī)則的分析，用梯形圖語言編制程序的過程實質(zhì)上是一個用梯形圖圖符來表示操作指令、用圖符的串并聯(lián)及位置順序來表示操作指令之間邏輯關(guān)系的過程。由此，一個梯形圖可以看作是由梯形圖圖符和連接符組合而成［6］。為實現(xiàn)軟PLC控制軟件功能，其編輯模塊應(yīng)包括指令的類設(shè)計與實現(xiàn)、梯形圖的生成、顯示和修改功能的實現(xiàn)，并為用戶提供友好的操作界面和良好的編程環(huán)境，提高軟PLC編輯模塊的可靠性和可用性的功能。對于元件的操作，應(yīng)實現(xiàn)元件復制、粘貼、剪切、添加、刪除、元件屬性編輯等操作。

在軟PLC控制軟件編輯模塊中，元件類必須符合以下要求:

(1）為減少系統(tǒng)代碼冗余，縮短運行時間，元件代碼必須要高效、合理、精簡。操作過程中，要實現(xiàn)元件的靈活拖放，并保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

(2）元件必須能夠準確、完整、快速地保存數(shù)據(jù)。并且在系統(tǒng)運行時，及時保存并更新數(shù)據(jù)。

(3）元件必須具備出錯處理功能，并能夠判別其使用環(huán)境，當兩個元件不能同時使用時，需要有相應(yīng)的提示。

1.2 圖形元件實現(xiàn)策略

依據(jù)《Logix5550控制器指令集參考手冊》，指令主要分為8大類，分別是位操作類、計時器/計數(shù)器類、比較類、計算類、傳送與邏輯類、程序控制類、終止循環(huán)類、濾波類。文獻［7］中定義了一個EClass建模類，它指定屬性和參數(shù)以描述元件圖形、圖像化的數(shù)據(jù)。此方法可以降低工作量，減小代碼冗余。但是在具體實現(xiàn)過程中，各個元件的圖形、圖像化參數(shù)存在差異，所要呈現(xiàn)的視覺效果不同，此方法無法滿足系統(tǒng)對指令圖形多樣化的需求。文獻［8］定義了DrawObject基類來描述所有元件圖形化的共同屬性和行為，把元件的圖形化和邏輯功能封裝在一起，簡化了編程過程。在本系統(tǒng)構(gòu)架中，定義ClogicElement為元件庫模型的基類，它是從梯形圖編程系統(tǒng)所支持的所有元件抽象出來的一個類，它定義了其他類的共有操作接口和屬性，是其他圖形元件類的父類。模塊中所有的元件子類都依據(jù)繼承機制繼承了基類的屬性，并根據(jù)自己支持的圖形元件有選擇地重載基類相應(yīng)的操作，以滿足子類的需求［9］。如圖1，為其邏輯功能模塊類結(jié)構(gòu)。

圖形元件是實現(xiàn)對象的模型，它不僅是實現(xiàn)對象的圖形表示，而且還要包括與現(xiàn)實對象相關(guān)的一些主要屬性、數(shù)據(jù)和行為。因此，必須將圖形元件智能化［10］。Qt具有很好的平臺移植性，采用面向?qū)ο笳Z言，易于擴展，并且允許組件編程。另外，使用Qt編寫的程序在嵌入式系統(tǒng)上運行時間性能高，占用系統(tǒng)資源少，能保證該系統(tǒng)移植到嵌入式系統(tǒng)以后的順暢運行。因此，本系統(tǒng)在Qt平臺上進行開發(fā)。

圖1 邏輯功能模塊類結(jié)構(gòu)

2 圖形元件類設(shè)計與功能實現(xiàn)

2.1 圖形元件類設(shè)計

根據(jù)《Logix5550控制器指令集參考手冊》，元件基類應(yīng)定義元件預掃描函數(shù)、梯級輸入函數(shù)、梯級輸出函數(shù)、元件邏輯功能函數(shù)、元件輸出函數(shù)等一些公有屬性的函數(shù)。

梯形圖元件基類的關(guān)鍵代碼如下:

2.2 圖形元件功能實現(xiàn)

梯形圖是由梯級和圖形元件構(gòu)成，用圖形元件的串聯(lián)或并聯(lián)以及它們的位置和順序來表示實際元件之間的邏輯關(guān)系，而元件之間的邏輯運算是通過各個元件之間的函數(shù)進行關(guān)聯(lián)。在定義元件類時，把元件數(shù)據(jù)定義為私有，把元件函數(shù)定義為公有，以此方式來實現(xiàn)元件的功能。如圖2所示。

圖2 元件間的邏輯運算方式

以計時器計數(shù)器類中TON指令為例，

(1）對象初始化

CLogicElement*myElement=new CLogicCounterTON;

(2）數(shù)據(jù)初始化

myElement-＞SetDataInput(myData，output，preScan）;

其中myData為當前元件的數(shù)據(jù)，output為在梯形圖運行中的輸出值，preScan為當前元件是否預掃描。

(3）程序執(zhí)行

myElement-＞Output(）;

(4）將數(shù)據(jù)返回到存儲與交換數(shù)據(jù)中間件類

myElement-＞ModifyData(Instance）;

并非每個元件運行后都修改數(shù)據(jù)，因此對未修改數(shù)據(jù)的元件類此方法內(nèi)容為空。

(5）在執(zhí)行中元件類數(shù)據(jù)的修改

myElement-＞UpdateDataValues(Instance）;

此方法可以將已經(jīng)在存儲與交換數(shù)據(jù)中間件類中更新的數(shù)據(jù)傳入元件類中，在執(zhí)行過程中調(diào)用，如圖3為元件運算流程圖。

圖3 元件運算流程圖

3 圖形元件功能測試

遵循軟件測試原則，采用黑盒測試方法。根據(jù)《Logix5550控制器指令集參考手冊》中規(guī)定的元件功能來設(shè)計測試用例，對部分圖形元件功能進行測試。其中，XIC指令檢查數(shù)據(jù)位是否是置位狀態(tài)，當數(shù)據(jù)位置位時，則使能下一條指令并且梯級輸出條件為真。CTU指令為向上計數(shù)指令，當指令被使能時加計數(shù)使能位(.CU）是清零狀態(tài)，則CTU指令使計數(shù)器加1。RES指令復位 TIMER、COUNTER和CONTROL結(jié)構(gòu)。當RES指令被使能時，指令清零TIMER和COUNTER型的累加值和控制狀態(tài)位，清零CONTROL型的位置值和控制位。如圖4，其中變量2、4為元件數(shù)據(jù)初始值;如圖5元件功能測試用例，其主要測試XIC、CTU、RES指令的邏輯功能是否實現(xiàn)。

圖4 元件數(shù)據(jù)初始值

當XIC數(shù)據(jù)位為1時，梯級輸出為真;CTU指令使能，累加值加1;當遍歷到第二個梯級時，檢測ctu_test的DN位，其值為1則使能RES指令，并清零ctu_test的累加值(.ACC）。運行結(jié)果如圖6。

圖5 元件功能測試用例

圖6 元件功能測試用例運行結(jié)果

4 結(jié)束語

圖形元件是梯形圖的重要組成部分，而在編輯圖形元件時，實現(xiàn)圖形元件類的高效、簡潔、高可重用性至關(guān)重要。把各種元件定義為相應(yīng)的類以后，在計算機屏幕上顯示元件時，程序生成一個該元件類的對象，并且這個對象的屬性和函數(shù)就描述了相應(yīng)的元件。程序就是通過判斷或運算這些對象的屬性來實現(xiàn)元件的各種功能的。實現(xiàn)了系統(tǒng)的高效性，減少系統(tǒng)代碼冗余，大大提高的系統(tǒng)運行效率。

［1］趙強，張建瓴，可欣榮，等.軟PLC技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.科技信息，2010(4）:120.

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