陳瑞金/大連融科儲能裝備有限公司

PLC梯形圖編程系統(tǒng)應(yīng)用分析

陳瑞金/大連融科儲能裝備有限公司

體系結(jié)構(gòu)開放化是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，軟PLC技術(shù)采用軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的功能，是實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)開放性的關(guān)鍵技術(shù)之一。軟PLC系統(tǒng)由編程開發(fā)系統(tǒng)及運行系統(tǒng)組成。其中，編程開發(fā)系統(tǒng)是實現(xiàn)具備PLC控制功能的控制系統(tǒng)必不可少的開發(fā)工具之一。本文通過深入分析梯形圖中各單元之間關(guān)系，各功能的配置與實現(xiàn)，提出了一種新的梯形圖編程系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方法。利用Windows平臺下的Visual C++作為開發(fā)語言以期能夠開發(fā)出更為簡單實用的梯形圖編程系統(tǒng)。

PLC梯形圖編程系統(tǒng)；應(yīng)用分析

一、導(dǎo)言

軟PLC系統(tǒng)由編程開發(fā)系統(tǒng)及運行系統(tǒng)組成。其中，編程開發(fā)系統(tǒng)是實現(xiàn)具備PLC控制功能的控制系統(tǒng)必不可少的開發(fā)工具之一。通過編寫PLC程序并轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行目標代碼，下載到軟PLC運行系統(tǒng)中執(zhí)行，才能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。然而，目前國內(nèi)的PLC編程開發(fā)系統(tǒng)種類繁多、編程語言差異大，與IEC61131-3 PLC編程語言標準相差甚遠、編譯效率低、缺乏程序調(diào)試功能等問題突出，導(dǎo)致控制程序開發(fā)過程繁瑣、調(diào)試困難、開發(fā)周期長、系統(tǒng)穩(wěn)定性差，成為快速開發(fā)穩(wěn)定可靠的控制程序的主要障礙。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。

二、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(xué)習。一個電動機啟保停控制邏輯梯形圖示例如圖1所示。

按動START觸點對應(yīng)的按鈕，線圈MO－TOR對應(yīng)的電動機將持續(xù)運轉(zhuǎn)，直到按動STOP觸點對應(yīng)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(yīng)觸點狀態(tài)，st指令將運算后的結(jié)果輸出到線圈Motor對應(yīng)的輸出點，從而控制電動機啟停。

三、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

四、梯形圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（一）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(fù)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?；愔卸x了基本元素的類型、輸入輸出參數(shù)、對應(yīng)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。

（二）梯形圖生成指令表實例

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］，YO表示觸點和線圈，如圖5所示。

圖5 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5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。

五、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)。

（一）鏈表與二叉樹結(jié)合算法

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(yīng)的存儲結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換示意如圖6所示。

圖6 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。

（二）雙向鏈表與AOV網(wǎng)結(jié)合算法

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(yīng)的存儲結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換示意如圖7所示。

圖7 行雙向鏈表及AOV網(wǎng)示例

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7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。

（三）程序的傳輸

當用戶編輯好梯形圖程序之后，將程序生成為指令表形式。然后再把指令表程序轉(zhuǎn)換為一系列的二進制指令，可以通過串口來實現(xiàn)程序指令從編程主機向硬件平臺的傳輸。VC提供了MSComm控件，利用該控件可以很方便的實現(xiàn)應(yīng)用程序的串行通信功能。另外要利用該控件必須使它寄生于某個對話框，所以首先要生成一個應(yīng)用于串口傳輸?shù)膶υ捒蝾悺Ｈ?/p>

六、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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[2]杉布，王蔚庭.IEC61131－3國際標準簡介[J].國內(nèi)外機電一體化技術(shù)，2001（1）：54－57.