关健词：可编程逻辑控制器;梯形图;指令表;IEC61 131—3标准

　　1概述

　　可编程逻辑控制器(Programmable Logic Control，PLC)是以微型计算机为核心的工控装置。目前，PLC功能要求不断增长，传统PLC编程方式的开发时闻和错误率都相对增加，对大型程序的纠错和维护也非常困难。与此同时，多数公司的编程软件只针对自己的产品，产生了不同PLC程序可移植性、可复用性差，缺乏封装能力等一系列问题。

　　1993年国际电工委员会颁布IEC6113I标准，其中，第3部分对PLC编程进行规范，这一标准为工控软件的发展起到了举足轻蘑的推动作用”J。但是，多种软件开发平台并存且没有针对组态软件设计约规范，使组态软件在设计上大相径庭，即使同一种组态功能实现时也各有侧重点。现阶段PLC编程软件普遍存在提供的编程语言较少、人机交互界面设计简单粗糙、功能少、缺乏整体的视觉效果容易使用户对组态工作产生混乱等问题。

　　本文通过对IEC61131-3标准的研究，设计一个基于PC的PLC统一编程环境。为编程人员提供一个将自己的要求转化成程序的友好平台，编程环境要求具有良好的可视化人机界面，程序开发简单、维护方便、系统运行稳定，具有智能的图形及文本编辑系统，提供使用符合标准的5种语言，并能实现图形语言至文本语言转换。

　　2 IEC61131—3的软件模型

　　IEC61 13l·3软件模型在最上层把软件概括为。配置”，专指一个特定类型的控制系统，包括硬件装置、处理资源、I/0通道的存储地址和系统能力。在一个“配置”中可定义一个或多个“贽源”，反映控制器的物理结构，在程序和控制器的物理I/O通道之间提供一个接口，只有在装入“资源”后才能执行程序。在一个“资源”内可以定义一个或多个“任务”，配置后控制一组程序组织单元(Program OrganizationUnits，POU)周期执行或事件驱动执行。标准定义了5种编程语言，其中，图形语言有梯形图(Ladder Diagram，LD)、顺序功能图(Sequential Function Chart，SFC)和功能块图(Function Block Diagram，FBD)，文本语言有指令表(Instruction List，IL)和结构化文本(Structured Text，ST)。

　　3编程环境体系结构设计

　　为满足EC61131-3各项要求，系统可划分为编辑模块、检查模块、翻译模块、监视模块、通信模块5个部分。

　　(1)编辑模块

　　包括图形及文本编辑环境，图形语言支持使用鼠标拖拽编辑，文本语言需要对用户的输入进行提示。

　　(2)检查模块

　　对文本语言程序进行基本的词法和语法错误检查，对图形语言程序进行图元组合错误检查，同时提示错误。

　　(3)翻译模块

　　图形语言不能被PLC识别，要转换成文本语言，以便调用编译器进行编译。

　　(4)监视模块

　　当程序在PLC中运行时反映其执行和参数变化情况，以便及时调整和维护。

　　(5)通信模块

　　负责PC与PLC硬件之间的数据通信，包括用户程序下载、操作命令和硬件配置参数、内存等的记取。除了这些主要功能模块外的其他基本功能可以内嵌到以上模块中。系统工作流程如图l所示。

　　4软件模块具体实现

　　4.1编辑模块

　　软件设计的第1阶段选用LD和IL作为编辑语言。

　　4.1.1 LD编辑模块

　　(1)LD对象类定义

　　LD采用逻辑元件和逻辑关系图表示程序。标准规定可采用的元件图符有电源轨线、连接元素、触点、线圈、功能和功能块等，可设计如图2所示的类图对LD对象进行封装。

　　(2)LD程序的存储

　　LD程序常用的存储结构有双向链表、邻接链表和十字链表等。为了对LD程序进行正确存储、显示并方便后续处理，除了需要存储图符的全部信息，还要正确表示图符间的拓扑关系。一个LD程序可看成是一个有向图，其中，图符可看作图的顶点，连接符可看成图的弧。在后续处理中，还经常需要使用各个顶点的入度和出度。双向链表无法清晰的表示出图的结构，邻接表在求出度、入度时较为复杂，因此，采用十字链表存储LD程序。

　　4.1.2 IL编辑模块

　　IL类似于汇编语言，由一系列指令组成，指令包括操作符和操作数。为了支持IL编辑，可使用CEditView派生出CTextView类。CEditView已经具有文字编辑功能，支持多窗口操作并有文件预览功能，由此派生的ETextView能支持IL程序在编辑视窗中进行编辑。

　　4.2检查模块

　　4.2.1 LD检查模块

　　本模块主要是规范使用者的编程，给出出错信息引导用户做出修改。从软件的易用性考虑，不只在程序设计结束后进行检查，而是将检查模块分为实时和非实时2部分设计。

　　(1)实时检查

　　对编程过程中出现的明显错误弹出对话框提示，引导编程人员规范的编写程序，提高编程效率。

　　(2)tie实时检查

　　程序编辑完成后全面枪查，保证通过检查的LD程序是正确的，主要是检查元件参数错误、短路和断路错误、混合连接错误，下面给出检查的思路。

　　1)元件参数错误：在遍历元件链表时获取每个元件的参数，判断是否合法。

　　2)短路错误：如果网络(回路)中某个部分并联了几条支路，其中一条支路全由直线或者直线和空元件组成的，那么该部分其他支路被短路。

　　3)开路错误：按一定原则把行划分为若干小行，然后检查小行的开始、中间和结束元件是否合法。小行划分标准是：如果发现空元件则其前面所有元件为一小行;如果某元件的列号比上一个元件的列号大2及以上，则该元素前所有元素为一小行;元件链表的结束也是划分小行的标志。

　　4)检查混合连接错误：若网络中存在任何一部分(行数和列数都至少为3，并且行与行之间相互联系)，这部分的行不能在任何一列处交汇到一个点，否则就发生了混合连接错误。

　　4.2.2 IL检查模块

　　指令表错误处理主要是对指令表文本进行词法和语法分析，对操作码和操作数有效性进行校验。

　　4.3翻译模块

目前国内多数PLC开发系统中采用的LD至IL翻译算法是将LD映射成AOV(Activity On Vertex)图，再采用拓扑排序对图进行遍历，从而实现转换。该方法通过相应的图符含义来获得LD中的逻辑关系，并不通用，且不适用于串、并联关系较复杂的程序。所以，本文采用将LD映射成AOV图，再由AOV图建立二叉树，并对其进行后序遍历的方法，步骤如下：

　　(I)LD程序映射成AOV图AOV图用顶点表示活动，用弧动，开始之前完成。可以将LD中的图符抽象成顶点，图符之间的连接关系抽象成弧。映射时首先对LD程序进行一次从左到右，从上到下的扫描，统计其中图符和弧的数目，得到各图符的前驱节点、后继节点、入度和出度等信息，并把LD并连线抽象成虚节点。然后进行第2次扫描，建立AOV图的结构。

　　(2)AOV图转换成相应的二叉树基本思路是：入度为零的顶点设置为根节点，每个图符对应二叉树的一个叶子节点。如果图符的出度为l，则建立一个“与”节点;若图符的出度大干等于2，则建立一个“或”节点。

　　AOV图转换成二叉树算法流程如图3所示，其中，P1表示图符顶点指针;F1表示Pl当前指向图符的访问标志;Ⅳl表示尸l指向图符的入度;N2表示JDl指向图符的出度。

　　对图3的说明如下：

　　StepI创建与堆栈s1或堆栈舵。初始化P1、二叉树节点指针P2，将Fl清0。P1指向入度为0的节点。

　　Step2从S1中弹出“与”节点指针，并赋给Jp2。

　　Step3创建“与”节点，并赋给尸3。

　　Step4如果JD2左子树为空，则P3作为尸2的左子树，否则P3作为P2的右子树。

　　Step5 PI作为Jp3的左子树，挖指向P3对应的节点，Pl指向Jpl的第1个直接后继。

　　Step6创建2个“与”节点P3，P4，创建N2·1个“或” Step7如果P2左子树为空，则P3作为P2的左子树，否则P3作为P2的右子树。

　　Step7如果P2左子树为空，则P3作为P2的左子树，否则P3作为P2的右子树。

　　Step8 P4作为P3左子树，PI作为P4左子树，P6作为P左子树，P7作为P6左子树，?，PN作为肌1左子树。P5～JP～压入舵，PI的直接后继压入眈。PI指向其第1个直接后继，P2指向PN对应的节点。

　　tep9从观中弹出2个对象指针，分别赋给P1，P2。

　　(3)对生成的二叉树进行后序遍历，访问每个节点时进行相应的处理，生成对应的指令表。

　　4.4在线监视模块

　　监视画面可以根据PLC程序的控制流程和中间变量，用直观的编程方式完成，并提供出错报警，以达到随时了解程序执行和参数变化情况的目的。模块由图形界面和实时数据库组成。

　　图形界面可以依照操作系统的图形标准，采用面向对象技术通过图形来反应参数变化情况，生成图形的数据驱动来源于数据采集过程中自动生成的数据表。在连接过程中，从数据表选择驱动数据源，最终生成图形目标应用系统供图形行环境运行时使用。实时数据库中应定义数据库的结构、数据连接、数据类型及相关的各种参数，其数据的主要来源为数据采集时生成的数据表。

　　4.5通信模块

　　PLC和Pc的通信通常通过Pc的串I：i以“命令.响应”的交互方式进行。设计时建一个能够实现串口通信的类，类中设计2个函数：ReadData，SendData，按照PLC通信格式建立起上位机和PLC的通信以后，即可完成所需功能。

　　4.6工程管理器

　　工程管理器对配置层进行管理。配置层是IEC61 131-3软件模型中的最上层。对应于整个控制系统。工程管理器负责配置中各个部分的组织和联络，并要求能对系统中所有资源进行统一的管理。

　　工程管理器按照树形结构进行组织，并应具备如下功能：

　　(1)登记新创建的文件;

　　(2)从其他项目导入文件;

　　(3)显示所有已经存在的POU;

　　(4)更名或删除POU;

　　(5)显示整个项目的信息结构。

　　5软件测试

　　VS2005拥有完善的集成开发环境，包括可视化设计器、代码编辑器以及程序设计语言，为提高开发速度和程序执行效率，选用VS2005作为开发工具。系统主界面及翻译模块运行结果如图4所示。

　　通过实验表明：

　　(1)系统软件开发遵循IEC61131-3标准，用户界面友好、操作简单、功能全面。

　　(2)工程管理器反映了IEC61131-3软件模型的结构，使用户清晰地了解所进行组态工作的全貌。管理器能够以不同的树型视图来显示不同的工程部分，操作基于Windows标准。通过界面良好的工程管理器，用户能够对工程中的各种资源进行管理。

　　(3)用户可通过对编辑工具栏中LD组件的拖拽轻松完成LD程序编辑工作。可使用不同语言进行交叉编程，编程方式灵活。对程序编辑过程中出现的一般错误，软件正确进行了提示，避免不必要的错误，极大提高了程序开发的效率。

　　(4)系统正确高效地完成了LD向IL的转换，编译生成的可执行程序在PLC中正确运行。运行过程中各个参数的变化在监视界面中以图形方式正确显示，方便进行程序的修改和维护。

　　(5)软件正确进行了异常处理，运行稳定。

　　6 结束语

　　本文对IEC6113l-3标准进行介绍，给出基于IEC61131—3的PLC编程环境框架结构，对其中各个模块进行说明，给出主要的算法和数据结构。并针对较难实现的LD向IL转换的算法思想和实现步骤进行说明。实验证明该软件界面友好、编程方式方便灵活、易于维护，在一定程度上可以解决目前各种品牌PLC编程方法无法统一的问题，提高编程效率，减少培训、维护费用，具有广阔的应用前景。

　　该软件框架的设计思想为以后的开发打下较为坚实的基础，但是第l阶段只进行了初步的开发，要进一步提供全部5种语言，全面兼容IEC6113l标准，还需要进行大量的工作。