基于XML的软PLC开发系统研究.pdf

1 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 3年第 6期 基 于 XML 的软 P LC 开发 系统研 究 何军红 ， 曹露蓉 西北3 - 业大学 航海学院， 西安 7 1 0 0 7 2 摘要 完成 了基 于 V C开发环境下嵌入式软 P L C开发 系统l 】 的设计开发， 重点完成软 P L C 开发 系统的关键技术 梯形 图的编辑及编译。梯形图编辑包括梯形 图图元编辑 ， 图元属性的存储结 构建立及相应文件存储 。开发出梯形图程序编译器， 基于二叉树及森林数据结构、 堆栈数据结构和 X ML研 究实现梯形图逻辑解算结果到 目标机代码的转换方法。 关键词 软 P L C； 梯 形 图； 编译 ； X ML 中图分类号 T P 3 1 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 3 0 6 0 0 1 60 4 Re s e a r c h o f t he s o f t PLC de v e l o p me n t s y s t e m ba s e d o n XM L HE J u n h o n g，C AO L u r o n g S c h o o l ofMa r i n e ，N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n ic a l U n i v e r s i t y ， X i “a n 7 1 0 0 7 2， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，a n e mb e d d e d s o ft P L C d e v e l o p me n t s y s t e m h a s b e e n d e s i g n e d a n d d e v e l o pe d b a s e d O ff VC d e v e l o p me n t e n v i r o n me n t ，f o c us i n g o n c o mp l e t i o n o f t h e ke y t e c hn o l o g i e s o f s o ft PL C de v e l o p me n t s y s t e m l a d de r e d i t i ng a n d c o mpi l i n g ． Th e l a d d e r e d i t o r i n c l u d e s l a d d e r d i a g r a m e d i t i n g，t h e e s t a b l i s h me n t o f t h e s t o r a g e s t r uc t u r e o f t h e d i a g r a m’ S a t t r i b u t e a n d t h e s t o r a g e o f c o r r e s p o n d i n g fi l e s ． Ba s e d o n t h e bi n a r y t r e e a n d f o r e s t d a t a s t r u c t u r e，s t a c k d a t a s t r u c t u r e a n d XML，we d e v e l o p e d a l a d d e r p r o g r a m c o mpi l e r t o r e s e a r c h a n d a c h i e v e t h e t r a ns f o r ma t i o n me t h o d f r o m l a d d e r d i a g r a m l o g i c s o l v e d r e s u l t s t o t h e t a r g e t ma c h i n e c o d e s ． Ke y wo r ds s o f t PL C；l a d d e r d i a g r a m ；c o mp i l e r；XML 0 引言 1 软 P L C开发系统的构成及功能 随着计算机技术、 通信技术、 微电子技术的迅速 发展 ， 软 P L C技术 己渐渐成为国内外工业控制技术 研究的热点。P L C可靠性高 ， 编程简单 ， 使用方便 ， 通用性好 ， 它可以灵活的以不 同的组态来适应不同 的控制对象 、 控制规模和控制功能的要求。 软 P L C的编程语言遵循 I E C 6 1 1 3 1 3标准 ， 该标准定义 了5种 P L C编程语言。其中， 由于梯形 图沿袭 了传统的控制图的表达方式 ， 具有直观明了 、 易于掌握 等特 点， 应 用最 为广泛 。该文 提 出采 用 X ML作为梯形图编程 的标准数据 ， 该数据 的设计 符合 I E C 6 1 1 3 1 3标准 ， 可以实现 I E C标准的 5种 P L C编程语言的相互转换 。文中重点阐释梯形图的 编辑以及梯形图到语句表的转换 。 收稿 日期 2 0 1 20 51 6 基金项 目 2 0 1 2年 西北] 业大学本科毕业设计 论文 重点扶持 项 目资助 作者简 介 何军红 1 9 7 1 ， 男 ， 浙江 义乌人 ， 博 士， 副教 授 ， 主要 研究领域为工业 自动化 。 该软 P L C开发系统采用 V i s u a l C作为开发 编程语言 ， 在开发设计过程中采用面向对象的方法 ， 开发设计的软 P L C既提供了传统 P L C的相同功能 ， 也具备了 P c机或嵌入式 系统 的各种优 点， 具备更 强的兼容性和可扩展性 。 软 P L C开发系统按 功能可分为梯形 图编辑模 块 、 编译解算模块 、 通信监控模块 3大部分。用户在 编辑模块 中完成 P L C程序 的编辑 ， 在编译模块中进 行编译 ， 对编辑的梯形 图程序进行扫描 ， 进而完成图 元辨识 ， 梯形图结构分析和网络分析 ， 采用 X ML来 描述梯形图 ， 通信接 口完成与运行环境的连接 ， 实现 目标代码的下载和运行系统的通信。 软 P L C开发系统工作界面设计 主要包括菜单 栏 、 图元管理分类栏 、 梯形 图编辑 、 编译状态显示界 面等。工具栏显示常用图元以及某些操作 ， 如选 中、 删除 、 编译等 ， 图元管理栏采用树形控件对图元进行 树形分类管理 ， 编译栏显示梯形图逻辑关系解算状 态， 如成功 、 失败或梯形图错误等 ， 如图 1 所示 。 1 8 工业仪表与自动化装置 2 0 1 3年第6期 图 3 复杂 图兀 定时器属性 2 ． 4文件的存储与读取 编辑文件的存储采用 h a s h算法 J ， h a s h算法的 意义在于提供了一种快速存取数据 的方法 ， 它用一 种算法建立键值与真实值之 间的对应关系 ， 每一个 真实值只能有一个键值 ， 但是一个键值可以对应多 个真实值 ， 即将数据离散化 ， 以方便存取 ， 这样可以 快速在数组等数据结构 中存取数据。每个 图形 I D 唯一， 因此将 I D作为每个 图形 的索引值 ， 通过对指 定值求余的方法 ， 计算 h a s h地址 ， 将计算结果写进 t x t 文档中保存 ， 若有重复 的计算结果 ， 即有相 同的 h a s h地址值 ， 那么采用 向后链接 的方法 实现索引。 将文件的索引单独保存到一个文件 中， 这样便 于索 引数组的读取与保存 ， 同时也易于其他文件的读取 与保存 。 3 软 P LC系统编译解算模块 3 ． 1 设计组成 梯形图的编译是软 P L C开发系统的关键部分 ， 主要包括编译解算和语法查错两部分。 编译解算即把用户编辑的梯形图程序 ， 扫描梯 形图， 生成二叉树 J ， 通过 X MI 描述二叉树 ， 遍历该 X M L数据文件树形结构 ， 按一定规则转换生成 目标 代码 。 语法查错即在编译过程 中， 按照梯形 图编程语 言规范 ， 进行语法分析和逻辑分析 ， 若发现梯形图有 错误 ， 便生成相应的错误提示信息 ， 并显示到用户界 面 。编译系统支持梯形 图如“回流” ， “ 非右上角输 出” 等基本查错功能。 3 ． 2 编译解算 基于二叉树及森林数据结构 ， 采用 X M L作为梯 形图的数据文件 ， 该数据 的设计符合 I E C 6 1 1 3 1 3 标准 ， 可实现该标准的5种 P L C编程语言 的相互转 换。X ML具有解释 自身数据的能力 ， 针对各种 P L C 硬件 ， 配以相应的 X M L转换规则 ， 可以 自动完成对 应语言的转换 。 梯形图到语句表的转换解算 的过程大体分为 4 步 读 图 ， 构建 二叉 树， XM L描 述二 又树 ， 转 换语 句表。 3 ． 2 ． 1 读梯形 图 按照梯形 图逻辑顺序扫描梯形图， 即按照从左 至右 、 从上至下扫描已编辑的梯形图， 按规则给各图 元左右节点赋值。多次扫描 ， 确保梯形图的并联 、 严 格 串联 、 逻辑串联 能流反 向 、 分支结构逻辑清晰， 便于构建二叉树。 3 ． 2 ． 2 构建二又树 定义二叉树数据结构 t y p e d e f s t r u e t Tr e e { i n t i n d e x ； ／ ／ 索引值 i n t t y p e ； ／ ／ 图元类型 c h a r l o p r ； ／ ／ 根节点 内容 s t r u c t T r e e ％l c h i l d ； ／ ／ 左 节 点 指 针 指 向 的二 叉树 s t r u c t T r e e l r c h i l d ；／ ／ 右节 点指 针 指 向的二 叉 树 i n t l n o d e ； ／ ／ 左节点 i n t mo d e ； ／ ／ 右节点 B O O L r e s t r u c t ； ／ ／ 二叉树屏蔽标志 }D T r e e ； 按梯形 图逻 辑顺序 扫描 梯形 图 ， 对每 个 图元 横竖线除外 ， 构建对应的二叉树。然后依据二叉 树问关系 如并联关系 ， 循环构 建新二 叉树 ， 屏蔽 旧二叉树。构建新二叉树时， 按照先并联 、 再 串联 的 顺序构建 ， 若现有的二叉树数 目等于输出元件个数 时 ， 停止循环 ， 完成最终 构建 ， 现有二叉树为最终二 叉树 。如图 4所示。 图4 构建的二又树 3 ． 2 ． 3 X ML描述二又树 采用 X ML描述 已构建的二叉树 见 图4 ， 该二 又树为图 1中梯形 图对应 的二叉树 ， 相应程序示例 2 0 1 3年第 6期 工业仪表与自动化装置 l 9 如下 3 ． 2 ． 4 X ML转换语句表 采用 X ML作为梯形图的数据文件 ， 可实现由梯 形图图形到数据文件 的转换步骤 。遍历 X ML数据 的树型结构 ， 以一定规则将各个功能块和节点 翻译 成对应的 P L C编程 语言 ， 即可 完成 由数据 文件 到 P L C可执行代码 的转换 步骤 。基于 X ML数据 的树 形结构 ， 通过遍历 由根节点出发的各个节点 ， 可 以提 取 P L C的编程逻辑 ， 同时转换成对应 的语句表。程 序代码经过编译， 就可以下载到支持标准指令表语 句的 P L C设备中运行 。 X ML除 了可以被解释为语句表和 I E C 6 1 1 3 1 3标准中的其他 4种 P L C编程语言 ， 还可 以解释为 任何可以表示梯形 图逻辑 的语言代码 ， 如 c语 言， 这样 X ML数据就可 以用于以单片机系统为底层硬 件的 P L C设备。 4 通信 监控模块 系统提供了与运行系统通信的串口， 既可通过 虚拟串口软件与基于 P c的软 P L C运行系统连接运 行 ， 也可通过实际串口与基于嵌入式的软 P L C运行 系统连接。 系统通过串 口下载编译文件到运行系统 ， 与运 行系统进行联调 。运行系统执行编译文件后刷新输 出映像 区， 开发系统接收其状态并在梯形图界 面上 显示 ， 以监控运行 系统的工作状态。 5 结束语 该文设计实现了一种软 P L C编程开发系统 ， 采 用 X ML来描述梯形 图， 进而将梯形 图转换成语句 表。采用 X M L 作为与设备无关的P L C的编程数据 具有极大 的灵活性和扩展性 。经过大量测试证 明， 该系统能够方便准确地完成梯形图程序的开发和解 算 ， 并且在执行过程 中完成对梯形图的逻辑查错和 规范检查 。如今 国外 的软 P L C编程系统 是工控市 场上的主流 ， 国产 的相对较少而且不成熟 ， 因此， 对 推进软 P L C的国产化有着重要意义。 参考 文献 [ 1 ] 王新华． 软 P L C编译系统的开发与实现[ J ] ． 北京工业 大学 学报 ， 2 0 0 8 ， 3 4 1 1 1 1 4 01 1 4 2 ． [ 2 ] 郭福帅． 基于 I E C 6 1 1 3 1标准的可编程控制器研究与 实现[ D] ． 大连理工大学， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 孙更新． X ML编程与应用教程[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 1 0 ． [ 4 ] 谭浩强． C面向对象程序设计[ M] ． 北京 清华大 学出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ] 周伟明． 多任务下的数据结构与算法 [ M] ． 武汉 华 中 科技大学出版社， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 侯识忠． 数据结构算法 V i s u a l C6 ． 0程序集[ M] ． 北京 中国水利水电出版社， 2 0 0 5 ． { { { { { { 矫 { 钸 尔{ { 筇{ ； ； 5 ’ ； 筇 ’ 乔 ； 尔 ’ ； 尔 尔 ； 尔{ ； 筇 尔{ 尔 ； 尔 ； 尔 ； 尔 ’ ； 乖{ 尔 ； 尔{ ； 纫 { 尔 钸 尔 尔 尔 尔 尔 乖 欢迎 订 阅 2 0 1 4年度 工业仪表与 自动化装置 双月刊