基于軟PLC編譯系統的開發與實現
摘要： 軟PLC控制技術是基于軟件和硬件在邏輯功能上等效的思想，采用開放式體系結構，通過軟件來實現PLC硬件的功能。軟PLC系統由上位機和下位機組成，上位機為用戶提供編輯界面和多種編程語言環境，便于用戶在PC機上進行PLC程序的編輯，同時還對下位機的一些狀態量進行監控，并給下位機發送指令。
Abstract：
Key words :
軟PLC控制技術是基于軟件和硬件在邏輯功能上等效的思想，采用開放式體系結構，通過軟件來實現PLC硬件的功能。軟PLC系統由上位機和下位機組成，上位機為用戶提供編輯界面和多種編程語言環境，便于用戶在PC機上進行PLC程序的編輯，同時還對下位機的一些狀態量進行監控，并給下位機發送指令。
用戶編輯完PLC的梯形圖和指令表程序后，只有通過對程序的編譯來獲取程序的邏輯后才能按照PLC的工作原理運行。為了配合在PC機上運行的軟PLC編輯開發系統，使PC機完成相應的控制功能，開發了軟PLC編譯系統。
1 軟PLC程序編譯系統的組成
PLC編譯模塊由梯形圖語法檢查模塊、梯形圖程序邏輯檢查模塊和指令表程序語法檢查模塊組成。梯形圖程序語法檢查模塊檢查用戶PLC圖形程序有無指令標記重復、指令地址越界等語法錯誤；梯形圖程序邏輯檢查模塊檢查PLC圖形程序有無邏輯錯誤；語言程序語法檢查模塊檢查用戶語句程序有無拼寫、指令格式、指令地址越界等語法錯誤。
編譯程序的構造包括詞法分析、語法分析、語義分析、錯誤的檢查和處理以及代碼生成和代碼優化等程序。
2 軟PLC程序的遍歷算法
軟PLC程序的遍歷算法主要包括梯形圖遍歷算法和指令表遍歷算法。梯形圖程序由若干個梯級組成，遍歷時以梯級為單位，采用深度優先的掃描方法。按從上到下，從左到右的順序進行。在掃描過程中，遇到并聯結點就轉入下一行進行掃描，行與行之間的切換由指針的變換來實現，原先位置的指針被預先存儲起來，待并聯模塊掃描完后。再從原來的位置開始往下掃描。梯級和掃描順序如圖1所示。
圖1 梯級和掃描圖
指令表是由一系列指令組成。且指令按照鏈式結構存儲，按照順序讀取指令即可完成對指令表的遍歷。
3 梯形圖與指令表程序的相互轉換
3.1 梯形圖轉換成指令表
梯形圖轉換成指令表是以梯級為單位進行的。
對于沒有并聯支路的梯級，只要根據梯形圖元素在梯級中的位置和元素的類型，即可將梯形圖轉換為指令表。對于包含有并聯支路的梯級，可以按照遍歷梯形圖的方法，一邊遍歷一邊轉換。在轉換過程中，首先設定1個全局變量nDepth(梯級深度)，以確定梯級的深度，然后判斷1個梯級是否包含并聯支路。如果包含則調用包含有并聯支路的轉換程序，然后順序讀入當前梯級深度層次上的梯形圖元素；如沒有發現并聯支路，則調用不含并聯支路的轉換程序依次轉換。在轉換過程中。每轉換完1條支路就要添加1個ORB支路并聯指令。
在對整個梯形圖程序進行轉換時，首先生成nLine(行號)和nDepth 2個全局變量，然后從頭開始進行轉換，轉換完1個梯級后。下1個梯級從第nLine(nLine=nLine+nDepth+1)行開始，直到梯形圖文件結束為止。
3.2 指令表轉換成梯形圖
指令表轉換成梯形圖的過程就是根據PLC指令語句生成相應的梯形圖元素鏈表的過程。因為梯形圖和指令表程序是一一對應的關系，可按照語句對應生成相應的梯形圖元素，利用在梯形圖向語言表轉換文件中已設計好的位圖資源，建立標志符和位圖之間的相應關系。轉換時，將語句表以文件流的方式存入文本文件中，逐行分析，通過適當的算法處理，在視窗中畫出對應的梯形圖符號，直到文件結束。此外，在轉換過程中，需要將程序劃分為若干小節，每節對應梯形圖中的1個梯級。在指令表中，梯級的劃分可根據OUT指令來進行。串并聯模塊的劃分可根據ANB和ORB指令進行。
4 軟PLC程序的語法分析
在對PLC程序進行編譯時，先將由PLC其他語言編寫的程序轉化為指令表后再進行處理。程序語言的文法通常包括I組終結符、I組非終結符、1個開始符號和1組產生式。
4.1 軟PLC程序的文法設計
軟PLC程序文法主要指PLC指令表語言的文法設計，PLC指令表語言與梯形圖語言存在一一對應的關系。PLC的指令表程序由若干條語句組成，每條語句包括語句號、操作碼和操作數。操作碼是PLC指令系統中的指令代碼，包括邏輯取、觸點串聯指令、觸點并聯指令指令、支路并聯指令、支路串聯指令和線圈驅動指令。操作數主要是PLC內部的繼電器、定時器和計數器。下面是一段PLC指令表例程。
以三菱公司F1系列的邏輯指令為例來說明指令表文法的設計，并選取指令集中的一個子集來作為研究對象，該子集由邏輯取指令(LD，LDI)、觸點串聯指令(AND，ANI)、觸點并聯指令(OR，ORI)、支路并聯連接指令(ORB)、支路串聯連接指令(ANB)和線圈驅動指令(0UT)等基本指令組成。
為了便于分析，用單個小寫字母代替指令，即LD，LDI→a；AND，ANI→b；OR，ORI→c；ANB→d；ORB→e；0UT→f。指令表的文法可表示為1個四元式(Vt，VN，S，φ)，其中，Vt是終結符號集，包括{a，b，e，d，e，f}；VN是非終結符號集，包括{S，H，K，A，B，D，E}；S是開始符號；φ中是產生式集(@代表空集)。因此，指令表程序的文法G[S]為S→aHfS； S→AfS；S→@；H→EH；H→@；K→EK；K→@，A→DA；A→@；B→e；D→b；D→c；E→D；E→aKB。
由G[S]產生式，可推出空串的非終結符集合為{S，H，K，A}。
4.2 軟PLC程序的語法分析
語法分析選用自頂向下的LL(1)分析方法。為使用LL(1)分析方法，首先構造預測分析表，并先求取所有非終結符號的FIRST集和FELLOW集。
FIRST集：FIRST(S)={a，@，b，c}；FIRST(H)={@，b，c，a}；FIRST(K)={@，b，c，a}；FIRST(A)={@，b，c}；FIRST(B)={e，d}；FIRST(D)={b，c}；FIRST(E)={b，c，a}。
FOLLOW集：FOLLOW(S)={#}；FOLLOW(H)= {f}；FOLLOW(K)={e，d}；FOLLOW(A)={f}；
FOLLOW(B)={b，c，a，f，e，d}；FOLLOW(D)={b，c，f，a，e，d}；FOLLOW(E)={b，C，a，f，e，d}。
各產生式的SELECT集：SELECT(S→aHfS)={a}；SELECT(S→AfS)={b，c，f}；SELECT(S→@)={@，#}；SELECT(H→EH)={b，c，a}；SELECT(H→@)={@，f}；SELECT(K→EK)={b，c，a}；SELECT(K→@)={@，e，d}；SELECT(A→DA)={b，c}；SELECT(A→@)={@，f}；SELECT(B→e)={e}；SELECT(B→d)=askouwa；SELECT(D→b)=；SELECT(D→c)={c}；SELECT(E→D)={b，c}；SELECT(E→aKB)={a}
根據上述計算。生成的PLC文法預測分析表如表1所示。
表1 PLC文法預測分析表
通過表1，采用非遞歸的預測分析方法，構造預測分析器模型，如圖2所示。
圖2 非遞歸的預測分析器模型
預測分析器的控制程序總是根據棧頂符號和當前輸入符號來決定預測分析器的動作，預測分析器的控制程序算法如下：
置指針ip指向輸入符號串的第1個字符
while(1)
令X是棧頂符號。a是ip所指的符號；
if(X是終結符號或$)
if X==a
pop(X)，更新ip；
else
error()；
else(X是非終結符號)
if M[X，a]：X—yly2?K
pop(X)；
push(Y1Y2?K)；
else
error()；
else(X==$)
分析成功；
break；
其中，M[X，a]是指預測分析表中x行和a列相交處的產生式。
下面舉例子來說明PLC程序語法分析程序的工作過程。
將指令用小寫字母代替后，程序指令變為acababecdcf，將該字符串作為輸入，分析過程如表2所示。
表2 PLC程序語法分析表
5 軟PLC程序編譯的實現
PLC指令表程序的分析是通過對指令表程序的解釋而獲得程序的邏輯，并以對話框形式演示程序的邏輯狀態。在解釋過程中，構造2個變量，1個用于存儲分支塊的邏輯值，另1個用于存儲分支塊前面語句的邏輯值。同時構造1個堆棧用來存儲解釋過程中的結果，分支塊前面的值保存在堆棧中，整個分支塊的值保存在1個臨時變量中。
PLC指令表程序的解釋過程為：1)當解釋程序發現LD或LDI指令時，將臨時變量值壓入堆棧，臨時變量賦值為1，臨時變量與指令后面的元素進行邏輯與操作，將結果保存在臨時變量中；2)當解釋程序發現AND或ANI指令時，臨時變量與指令后的元素進行與操作，將結果保存到臨時變量中；3)當解釋程序發現OR或ORI指令時，l臨時變量與指令后的元素進行或操作，將結果保存到臨時變量中；4)當解釋程序發現ANB指令時，臨時變量與棧頂的值進行與操作，將結果保存到臨時變量中，同時堆棧將棧頂元素彈出；5)當解釋程序發現ORB指令時，臨時變量與棧頂的值進行或操作，將結果保存到臨時變量中，同時堆棧將棧頂元素彈出；6)當解釋程序發現OUT指令時，將臨時變量與棧頂的值進行與操作，將結果保存在臨時變量中。同時清空堆棧。
程序邏輯的仿真界面，如圖3所示。
圖3 程序邏輯仿真界面
程序中所包含的PLC元素會按類別以表格形式列出，元素的不同顏色表示元素的開關狀態，紅色代表高電平，白色代表低電平。當用鼠標改變輸入元素的狀態時。輸出元素的狀態會按照程序邏輯進行改變，改變的結果可由顏色的變化來顯示。
6 結束語
軟PLC程序的邏輯仿真結果表明，開發的軟PLC編譯系統能實現軟PLC梯形圖與指令表程序的相互轉換，完成軟PLC程序的文法設計和語法分析，對軟PLC程序的運行指令作出正確解釋，并能按照PLC的工作原理運行，使PC機完成相應的控制功能。開發的軟件系統能很容易地實現PLC程序的編輯和邏輯仿真，系統結構簡單，使用方法簡便，為今后進～步研究和開發軟PLC的下位機系統、不斷完善軟PLC系統的功能和實現其良好的控制特性奠定了基礎。
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