（机械电子工程专业论文）软plc运行系统的研究.pdf

tr ：i ，! ： 卜， r j 。 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：毒波 日期： 印j 口 易，f 矿 指碧张，昏砖 日期2 , a id b “e 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：乌进 日期： 为7 & f 矿 指导教师签名：参穰 日期 2 口f 口f 夕 西华大学硕士学位论文 摘要 软p l c 技术是目前工业自动化领域研究的热点之一，相对于传统的硬p l c 而言， 软p l c 具有开放的体系结构、更强的网络通讯能力和数据处理能力，能更好地满足现 代工业自动化的要求。软p l c 将所有原来由硬件p l c 完成的程序运行、计算及数据处 理等功能交给普通p c 或嵌入式计算机等来完成，而数据采集和输出则通过外部i o 板 卡来完成。在此过程中，如何使传统p l c 语言( 梯形图和语句表) 为普通p c 或其他硬 件平台可识别并正确执行成为该系统的一个关键。因此，有必要开发一套能够正确、高 效的执行用户程序的编译系统。 编译系统从其性质上可划分为翻译型编译和解释型编译两大类，本文通过对这两类 编译系统的优缺点进行深入比较，选择解释型编译，即将用户编辑的p l c 程序由预编 译器进行排错处理后转化为较为简单的中间代码程序，再交给解释系统解释运行。文章 通过对i e c 6 11 3 1 3 标准p l c 语句表语言各指令的语义的深入理解和分析，开发了通过 对用户程序逐条拾取并进行循环解释和执行的解释型编译器，得到与传统硬件p l c 相 同的运行结果。与将源语言代码直接编译为机器代码并由硬件执行的编译过程( 翻译型 编译器) 比较，可以很容易的实现不同硬件平台上的移植和在线程序修改。 本文以v c + + 6 o 为开发工具结合i e c 6 11 3 1 3 标准构建了软p l c 系统，该系统在遵 循i e c 6 11 3 1 3 标准的基础上，提供了梯形图语句表程序编制、梯形图程序与语句表之 间的相互转换、程序编译运行等相关的功能。 本文主要内容如下： ( 1 ) 简要对软p l c 与传统硬件p l c 的优缺点进行了比较，论述了开发基于p c 的 软p l c 系统的必要性；对用户编辑系统的梯形图编辑器、指令表编辑器、梯形图向语 句表转换等的实现进行了简要阐述；并分析研究了软p l c 在满足通用性及方便的可移 植性方面的需求； ( 2 ) 在对翻译型编译与解释型编译两种编译方式优缺点进行了比较后，选择了解释 型编译方式开发软p l c 编译系统； ( 3 ) 以v c h 6 0 为开发平台开发了软p l c 的解释运行系统；描述了预编译器的语 法分析、语义分析和中间代码生成等过程；并描述了软p l 系统对外部i o 设备的访问 方法。 ( 4 ) 给出了p l c 指令集中部分逻辑运算指令的具体实现方法。 本文所完成的软p l c 编译系统经实际测试达到了本课题的要求，成功的实现了软 p l c 对用户程序编译、执行以及与i o 设备进行数据交换。 西华大学硕士学位论文格式规范 关键词：软p l c ；解释型编译；翻译型编译；i e c 6 11 3 1 3 ； 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o f tp l c t e c h n o l o g yi so n eo fc u r r e n t l yh o t s p o t si ni n d u s t r i a la u t o m a t i o nr e s e a r c h ， c o m p a r e d 谢t 1 1t h et r a d i t i o n a lh a r d w a r ep l c ，s o f tp l c i so p e na r c h i t e c t u r e ，s t r o n g e rn e t w o r k c o m m u n i c a t i o na b i l i t ya n dt h ed a t ap r o c e s s i n ga b i l i t y , c a l lb e t t e rm e e tt h er e q u i r e m e n to f m o d e mi n d u s t r i a la u t o m a t i o n s o f tp l cw i l lp u ta l lt h ep r o g r a m sw h i c ho p e r a t i o n ， c a l c u l a t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o n sb yh a r d w a r ep l ct op co re m b e d d e dc o m p u t e rt o d o ，a n dd a t aa c q u i s i t i o na n do u t p u tb ed o n eb ye x t e r n a li ob o a r d s i nt h i sp r o c e s s ，h o wt o m a k et h et r a d i t i o n a lp l cl a n g u a g e ( 1 a d d e rd i a g r a ma n ds t a t e m e n t s ) c a nb ci d e n t i f i e da n db e c o r r e c ti m p l e m e n t e db yp co ro t h e rh a r d w a r ep l a t f o r mb e c o m e sa k e y o ft h i ss y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t od e v e l o pac o r r e c ta n de f f i c i e n te x e c u t i o nu s e rp r o g r a mc o m p i l e s s y s t e m f r o mc o m p i l es y s t e m sn a t u r e ，t h e r eat o wk i n d sc o m p i l e s ，t r a n s l a t i o na n di n t e r p r e t a t i o n o fc o m p i l e r ，c o m p i l e db yt h e s et w ok i n d so ff o rt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，w es e l e c t e x p l a n a t i o nc o m p i l e r p r e v i e wc o m p i l e rw i l lt r o u b l e s h o o tt h eu s e rp l cp r o g r a ma n dt u mi ti n s i m p l em i d d l ec o d e ，t h e nt h ee x p l a i ns y s t e m w i l lo p e r a t i o ne x p l a n a t i o n b a s e do ns e n t e n c e s e m a n t i ca n a l y s i sa n du n d e r s t a n d i n gw i t he a c hi n s t r u c t i o ns h e e tl a n g u a g eo fl e c 61131 3 s t a n d a r d ，w ed e v e l o pt h ee x p l a n a t i o nc o m p i l e rs y s t e mf o rp i c ka n dc i r c u l a t i o nt h eu s e r p r o g r a mt oi n t e r p r e t i n ga n de x e c u t i n g ，a n dg e ts a m eo p e r a t i o nr e s u l t s 丽mt r a d i t i o n a l h a r d w a r ep l c c o m p a r e dw i t ht r a n s p l a n t a t i o nc o m p i l e r , e x p l a n a t i o nc o m p i l e rc a nb ee a s i l y r e a l i z e dp o r t a b i l i t yt od i f f e r e n th a r d w a r ep l a t f o r m b a s e do nv c + + 6 0f o rd e v e l o p m e n tt o o l ，t h es o f tp l c s y s t e ma n dt h es y s t e mi nt h e f o l l o w i n gi e c 6 1131 - 3 ，a n dp r o v i d e sl a d d e r - d i a g r a mp r o g r a m m i n gl i s ts t a t e m e n t s l a d d e r d i a g r a mp r o c e d u r e sa n ds t a t e m e n t s ，t h ec o n v e r s i o nt a b l e st oc o m p i l ep r o g r a m s ，r e l a t e d o p e r a t i o nf u n c t i o n t h i sp a p e rw o r k sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o m p a r es o f tp l cw i t ht r a d i t i o n a lh a r d w a r ep l cf o rt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s ，e x p l a i n e dt h en e c e s s i t yo fd e v e l o pab a s e do np cs o f tp l cs y s t e m e x p l a i n e d t h er e a l i z a t i o no fl a d d e r d i a g r a me d i t o r ，i n s t r u c t i o nf o r me d i t o r ，a n dl a d d e r - d i a g r a mf o r mt o s t a t e m e n t ( 2 ) a f t e rc o m p a r e dt r a n s l a t i o nt y p ec o m p i l e ra n de x p l a n a t i o nt y p ec o m p i l e r ，c h o o s et h e e x p l a n a t i o nt y p ec o m p i l e rt od e v e l o pt h es o f tp l cc o m p i l e rs y s t e m ( 3 ) d e v e l o p e dt h ee x p l a i no p e r a t i o ns y s t e mo fs o f tp l cb a s e do nv c + + 6 0d e v e l o p m e n t p l a t f o r m d e s c r i b e dt h eg r a m m a t i c a la n a l y s i s ，t h es e m a n t i ca n a l y s i sa n di n t e r m e d i a t ec o d e g e n e r a t i o np r o c e s s d e s c r i b e dt h em e t h o dh o ws o f tp ls y s t e ma c c e s se x t e r n a li od e v i c e s ( 4 ) g i v e nt h er e a l i z a t i o nm e t h o do fp a r to fl o 酉c a lo p e r a t i o ni n s t r u c t i o n so f p l c i l l 西华大学硕士学位论文格式规范 b ya c t u a lt e s t i n g ，t h i ss o f tp l cc o m p i l e ds a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to f t h i st o p i c ；a c h i e v e t h es o f tp l c p r o g r a mc o m p i l e df o ru s e r s ，a n dt h ei od e v i c e sf o rd a t ae x c h a n g e k e yw o r d s ：s o f tp l c ；i n t e r p r e t e dc o m p i l e ；t r a n s l a t i o nt y p ec o m p i l e r ；i e c 6 1131 - 3 ； 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 弓i言1 1 1 课题的来源和研究意义1 1 2 软p l c 技术介绍1 1 3基于p c 的软p l c 技术优势2 1 4 国内外发展状况及研究趋势3 1 5 本课题研究的主要内容4 2 软p l c 系统体系分析5 2 1软p l c 系统体系结构5 2 2 开发系统结构分析6 2 2 1 软p l c 编辑系统分析7 2 2 2 外部i o 设备访问模块分析8 2 2 3 软p l c 预编译系统分析9 2 3 运行系统结构分析9 2 3 1解释运行系统分析。1 0 2 3 2 数据存储区分析1 1 3 开发系统设计与实现1 2 3 1梯形图编辑器图元设计1 2 3 2 梯形图编辑器设计原理。1 4 3 3 梯形图编辑器的具体实现1 8 3 4i l 与s t 编辑器设计2 3 3 5 预编译系统实现2 4 3 5 1 用户程序分析与错误提示2 4 3 5 2 语法分析2 5 3 5 3 语义分析2 6 3 5 4 中间代码生成2 7 4 外部i o 设备访问模块的设计2 9 4 1 外部i o 设备访问模块简介2 9 4 2 基于p c i 总线的外部设备访问2 9 4 2 1p c i 总线介绍2 9 v 西华大学硕士学位论文格式规范 4 2 2p c i 设备配置空间的访问3 0 4 2 4p c i 局部空间的访问3 1 5 软p l c 运行系统的实现3 4 5 1 解释运行系统设计3 5 5 1 1数据存储3 6 5 1 2 数据运算。3 8 5 2 基本逻辑指令解释方法的实现3 9 5 2 1逻辑取指令( l d u ) n ) 4 0 5 2 2 触点串联指令( a a n ) 4 1 5 2 4 触点并联( o o n ) 4 1 5 2 4 串联电路块的并联( o l d ) 和并联电路块的串联( a l d ) 4 2 5 2 5 置位指令( s ) 与复位指令( r ) 。4 2 5 2 6 栈操作指令( 入栈l p s 、读栈l r d 、出栈l p p ) 4 3 5 2 7 输出指令( = ) 4 4 5 3 定时器计数器：4 4 5 3 1 计数器功能实现4 5 5 3 2 定时器功能实现。4 5 6实例验证4 6 6 1硬件设计4 6 6 2 用户程序设计及仿真界面介绍4 7 6 3 实验结果5 0 参考文献。5 6 附录a 软p l c 运行系统主函数5 8 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况。6 0 致谢6 1 v i 西华大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题的来源和研究意义 该课题的来源为：“四川省教育厅创新基金项目”。 本项目要求建立一套完整的软p l c 控制系统，该系统构建于普通工控p c 平台之上， 以软件方法实现传统p l c 在逻辑控制、计算以及现场监控、数据管理和网络等方面的 功能，主要包括软p l c 开发系统、软p l c 编译系统及适用于软p l c 的i o 接口驱动。 软p l c ( s o r - p l c ) 系统的设计具有重要的意义，以前各个p l c 生产厂家的产品不仅 硬件各异，其编程方法也是各不相同，用户每使用一种p l c 时，不但要重新了解其硬 件结构，同时必须重新学习编程方法及其规定，给用户带来了很大的学习负担。软p l c 技术发展的一个重要条件是i e c 6 11 3 1 标准的制定，该标准打破了以往各个p l c 厂家互 不兼容的局限性。以通用的p c 取代各制造厂专用的p l c ，利用p c 机强大的网络功能 将几个p l c 厂家的产品连接在同一个网络里，从而使系统从封闭走向开放，并且软p l c 以计算机技术为依托，可以充分利用通用p c 机丰富的软硬资源。 另一方面，软p l c 强调开放性、通用性、可移植性，还要能利用p c 机强大的人机 界面和数据处理能力，这就要求用户程序在执行过程中，中间数据是开放的，随时可外 部读取的，并且其编译执行方法是简单的便于移植的。这样能使工厂自动化的体系结构， 把控制、通信、监控、人机界面及各种特定的应用全都合为一体，运用于同一个或多个 硬件平台上。因此，设计一套开放、便于移植的编译系统对软p l c 的发展是非常有实 际意义的。 1 2 软p l c 技术介绍 所谓软p l c 技术，就是使用p c 机作为硬件支撑平台，利用软件实现标准硬件p l c 的基本功能。或者说，将p l c 的控制功能封装在软件内，运行于p c 机的环境中。这样 的控制系统提供了与传统p l c 相同的功能，并且具备了p c 机的各种优点。软p l c 综 合了计算机和p l c 的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网等功能， 提供了强大的指令集、可连接各种i o 系统及网络的开放式结构。 从某种程度上来说，软p l c 提供了与硬p l c 基本相同的功能，同时还具有p c 环 境的各种优点l l 】。用户可以自由选择p l c 的硬件，依靠p c 领域技术和价格上的优势， 从而摆脱硬p l c 制造商本身专有技术的限制；用户可以用自己熟悉的编程语言编制程 软p l c 技术开发及研究 序。软p l c 是集计算机技术、自动控制技术、仪表技术和网络通讯技术为一体的新型 控制技术【2 】，它已成为开放式数控系统中p l c 的发展趋势。 目前，基于p c 的软p l c 系统已成为最受欢迎的工业控制方案，p l c 与计算机已相 互渗透和结合，不仅是p l c 与p l c 的兼容，而且是p l c 与计算机的兼容使之可以充分 利用p c 现有的软件资源。而且i e c 6 1 1 3 1 3 作为统一的工业控制编程标准已逐步网络化， 不仅能与控制功能和信息管理功能融为一体，并能与工业控制计算机、集散控制系统等 进一步的渗透和结合，实现大规模系统的综合性自动控制。 1 3基于p c 的软p l c 技术优势 与传统p l c 相比，基于p c 的软p l c 技术具有符合现代工业控制技术的许多优剧3 】： ( 1 ) 具有开放的体系结构：软p l c 能与多种i o 端口和现场总线的接口相连，同时 还具有第三方软件接口，支持多种编程语言。用户可根据自己的需求，灵活扩展系统 功能； ( 2 ) 遵循i e c 6 11 3 1 3 国际工业标准； ( 3 ) 基于p c 的一体化设计提高了控制器、人机界面和网络部件的数据交换速度【4 】。 能充分利用p c 机的硬件资源，如大容量的内存、高速c p u 及其它硬件等； ( 4 ) 具有更强的数据处理能力：依托p c 机强大的硬件资源，软p l c 的处理速度更 快，能够利用p c 机的软件平台处理一些比较复杂的数据及数据类型，如浮点数和字符 串等； ( 5 ) 具有友好的人机界面，便于操作； ( 6 ) 具有强大的网络通讯功能：软p l c 既可以与企业管理信息系统相连，便于企业 的整合，也可以监控工厂的设备运行，实现数据传输以及在线监控、编辑、仿真、调试 等功能； ( 7 ) 能够执行比较复杂的控制算法：软p l c 除了能够完成传统p l c 的p i d 调节和 离散f o 控制外，还能进行过程控制和运动控制； ( 8 ) 节约成本和培训费用：与传统的p l c 解决方案相比，基于p c 的自动化控制系 统有明显的性能价格优势。基于p c 的自动化控制系统可以减少设备投资。系统集成简 单、系统开放的特点使工程维护、培训的费用大大降低。 西华大学硕士学位论文 1 4 国内外发展状况及研究趋势 1 9 9 2 年，由p l c 用户与制造商在荷兰联合组成“p l co p e n ”组织，以组织和推动 i e c 6 11 3 1 3 标准的贯彻并向用户提供咨询服务为宗旨，使p l c 用户既能选择自己所熟 悉的编程语言，还能选择适合自己的i o 硬件组成控制系统。i e c 6 11 3 1 3 编程标准的问 世影响了开放式结构的形成，随之使得通用p c 有可能代替传统p l c ，成为新型p l c ， 即软p l c 5 1 。 随着微处理技术以及软件技术的迅速发展，使软p l c 也得到了长足的发展，其技 术和产品日趋完善。目前，在许多欧美等国家，软p l c 已开始投入工业使用，而且其 市场需求也在不断增长。典型的软p l c 应用产品有s o f t p l c 公司的s o r p l c 、西门子 公司的s i m a t i cw i n a c 、c ji n t e r n a t i o n a l 公司的i s a g r a f 等。除了上述典型产品外。 还有许多自动化公司也推出了自己的产品。如w e l l s p r i n g s o l u t i o n s 公司的o a 2 c o n t r o l 、 德国k w 公司的m u l t i p r o g 等。 目前在我国同样也有许多公司企业致力于p c 系统的研发。北京亚控推出的 k i n g c a t 内嵌8 0 多个标准模块，提供了仿真调试和远程监控、操作等功能。大庆三维 公司推出的控制策略生成器s t r a t e g y b u i l d e r 是一个既能在w i n d o w s9 8 2 0 0 0 n t 环境下 运行，又可以运行于w i n d o w sc e 、d o s 等嵌入式环境的控制功能软件模块，它采用功 能框图的方式为编程者提供编程界面，并具备与实时数据库、图形界面系统通讯的功能。 沈阳研制的n c s s o f lp l c ，由一虚拟机( v i r t u a lm a c h i n e ) 代替硬p l c 中的c p u 完成读 取、解释、执行指令等功能，其编程环境由图形编辑器和编译系统组成。广州蚁象自动 化控制有限公司开发的r p l c 基本达到了国外软p l c 的性能指标。除此之外，国内的一 些高校也就部分基础技术进行了研究。大连理工大学在数控系统的软p l c 技术方面进 行了研究和开发，由现代制造研究所研制的d i g i t 0 3 m c 等系列数控系统的内置p l c 模块已经在相关工程项目中得到了实际的应用。 陈佳等在理解软p l c 系统的功能、组成和编程方法基础上，基于i e c 6 11 3 1 3 国 际标准的编程规则，采用面向对象的思想，设计出了一套完整易用的数据结构，给出了 一种基于工业p c 的软p l c 设计方案并在v c + + 6 o 环境下实现。最后，通过实验室 被控对象验证了方案的可行性。 朱兆斌等人详述了软p l c 中梯形图编辑界面的实现以及在梯形图向指令表转化过 程中采用的方法：将梯形图映射为a o v 有向图，通过a o v 的拓扑排序来实现最终的 转化。其中使用了十字链表作为a o v 有向图的存储结构。 王新华等配合在p c 机上运行的自行研制的软p l c 编辑开发系统，设计开发了软 p l c 编译系统。仿真结果表明，开发的软p l c 编译系统能实现软p l c 梯形图与指令 软p l c 技术开发及研究 表程序的相互转换，完成软p l c 程序的文法设计和语法分析，并对软p l c 程序的运行 指令做出正确解释，使p c 机完成相应的控制功能。 白艳艳等基于s e r c o s 的开放式数控系统为硬件平台，构建了软p l c 的体系结 构，将p l c 的扫描执行转化为编译执行，提高了p l c 的速度。 此外陕西科技大学、武汉理工大学、山东大学等学者也在p l c 软件技术上进行了 一些研究。从总的研究情况来看，目前国内软p l c 的技术与国外相比，技术水平相差 很大。 个人计算机技术的迅猛发展，使得p c 成本不断降低，其速度和可靠性不断提高， 因而p c 体系结构逐渐被越来越多的人所接受，其应用范围也随之变得广泛。在这种情 况下，促使各控制系统生产厂家纷纷推出以p c 机作为控制系统软、硬件平台的控制系 统。基于p c 的控制系统是国际上继p l c 和d c s 之后推出的工业控制系统，目前在工 业控制领域越来越受到重视，并得到日益广泛的应用。同时由于计算机软件技术、硬件 技术的飞速发展，以及工控领域国际编程标准i e c 6 1 1 3 1 3 的制定和推广，使得在工业 p c 上以软件技术实现硬p l c 的功能，即软p l c 技术，成为了一项有开发潜力的新兴技 术【6 】。 1 5 本课题研究的主要内容 要实现软p l c 编译系统和软p l c 与外部i o 设备接口，最主要的工作就是软p l c 编译运行系统的开发。软p l c 编译系统分为三部分，其一是用户程序读取分析部分， 用于对用户程序进行读取、查错以及预编译；第二是软p l c 的数据存取部分，该部分 要求数据对外开放，以便外部i o 设备存取数据，同时可作其它外部应用程序，如组态 软件或用户自开发人机界面等的数据接口；第三是编译执行部分，即对预编译后的用户 程序完整、正确的执行的部分。本课题主要完成了软p l c 编译系统的数据存取部分和 编译执行部分的研究。本文所研究的主要内容如下： ( 1 ) 项目的需求分析和总体设计； ( 2 ) 软p l c 解释型编译系统的设计与实现； ( 3 ) 外部i o 设备访问模块设计； 最后，本文利用阿尔泰公司生产的p c i 2 0 0 3 数据采集卡设计了一个简单的外部i o 设备用于验证编译系统对用户程序解释运行的正确性。 4 西华大学硕士学位论文 2 软p l c 系统体系分析 2 1 软p l c 系统体系结构 本课题研究的软p l c 是指基于p c 机，建立在w i n d o w s n t 操作系统平台之上，通 过软件方法实现传统p l c 的计算、控制、存储以及编程等功能，同时通过f o 驱动模块 以及现场总线等物理设备完成现场数据的采集以及信号的输出。软p l c 系统由开发系 统和运行系统系统两大部分组成，它的系统整体架构设计如图2 1 所示。 图2 1 符合i e c 6 11 3 1 - 3 标准的软p l c 体系结构 f i g u r e2 1 t h ef l a m eo f s o f i - p l cs y s t e mb a s e do ni e c 6 11 3 1 3 开发系统基于i e c 6 1 1 3 1 1 标准，完成控制程序的编写和调试，它以工业控制中最 常用的梯形图或语句表为编程方式完成程序的编写，并通过预编译器完成语法检查和中 间代码的生成，是运行系统的输入端【7 】。 开发系统用户程序的编辑系统，采用i e c 6 11 3 1 1 标准编程语言，使用户最大限度 脱离对硬件的了解，同时延续用户以往的编程习惯。 运行系统是整个软p l c 系统的核心部分，其可分为两个部分，1 、解释型编译执行 系统。它担当着对用户程序进行解释运行、对外部数据和用户数据进行处理的重要任务； 软p l c 技术开发及研究 2 、数据存取区。它的任务存储用户程序所需要的各种数据，随着用户程序的执行，数 据存取区内的各种数据也随之实时变化，并起着为接口模块提供实时输入的重要作用。 接口模块系统是软p l c 与系统外部传递信息和数据的重要通道。能信接口模块通 过各种方式将软p l c 系统内部数据实时的与外部系统，如上下位机或其它软p l c 系统 连接并传递数据与系统参数。i o 模块则负责将各种i o 板卡通过传感器采集到的现场 信号传递给软p l c 系统的数据存储区，交由用户程序处理。然后将处理后的结果再通 过i o 板卡交给执行机构执行。外部应用程序数据接口模块是软p l c 系统与组态软件或 其它用户自定义应用程序的交互通道。当没有外接i o 设备的时候，编程人员则通过虚 拟仿真程序来模拟硬件设备，软p l c 运行虚拟机直接与虚拟的设备通信，在计算机上 进行程序的调式与排错，可大大缩短程序的开发周期【8 】。 2 2 开发系统结构分析 软p l c 开发系统主要由编辑器、预编译器两部分组成，它完成传统硬p l c 的编程 功能。开发控制程序首先在编辑器中完成梯形图等应用控制程序的编辑，然后通过预编 译器完成程序的预编译，预编译器完成对用户程序的语法、语义错误进行分析和处理， 并将其正确的用户程序通过特定的算法转化为简单的中间代码交由解释器执行。软p l c 的开发系统符合i e c6 11 3 1 3 标准，其组成如图2 2 所示。 预编译系统 中间代码 错 误 提 不 图2 2 软p l c 开发系统组成 f i g u r e2 2 t h ed e v e l o ps y s t e mo fs o f t p l c 开发系统主要具有以下特点 9 1 ： ( 1 ) 开放的控制算法接口，支持用户自定义的控制算法模块； ( 2 ) 仿真运行实时在线监控，可以方便地进行编译和修改程序； ( 3 ) 支持数据结构，支持多种控制算法，如p i d 控制、模糊控制等； 6 西华大学硕士学位论文 ( 4 ) 编程语言标准化，它遵循i e c 6 11 3 1 3 标准，支持多种语言编程，并且各种编程 语言之间可以相互转换； ： 2 2 1 软p l c 编辑系统分析 j 整个软p l c 的开发系统分为用户程序编辑器和用户程序预编译器两个模块，其结 构模型如图2 3 所示。 图2 3 编辑系统逻辑结构模型 f i g u r e2 3 t h el o g i cm o d u l eo fe d i ts y s t e m 蕊 其中编辑模块的主要主要功能为l d 、i l 和s t 等p l c 编程语言提供一个程序编辑 环境，接受用户的输入；梯形图语言作为一种图形语言，直接对其编译是比较困难的， 考虑到梯形图语言与指令语言之间的紧密联系，我们并不直接对梯形图程序进行编译， 而是将l d 、s t 先转化为i l 语言程序，然后对i l 语言和序进行编译【1 0 】，而用户编辑环 境可以基于v c 抖多视图单文档的开发环境下实现，每种编辑环境对应一种视图 ( l d v i e w 、i l v i e w 、s t v i e w ) ，单文档中同时包含了l d 、i l 、s t 语言之间的相互转 化规则和暂存用户程序关键内容( 操作数、操作符、语句顺序及参数等) ，当用户点击 保存程序时，系统将按特定的格式保存这些关键内容。这样做可轻易实现l d 、i l 、s t 语言程序之间的相互转换。不但解决了问题，提高了代码的利用率，也有效降低了系统 开发成本，同时，在系统升级开发时只需要对改动其中某个或某几个模块即可，而无需 做较大调整。编程系统结构如图2 4 所示。 软p l c 技术开发及研究 图2 4 编程系统结构图 f i g u r e2 4 t h ec o n s t r u c t i o no f t h ep r o g r a m m i n gs y s t e m 2 2 2 外部i o 设备访问模块分析 软p l c 与i o 通信接口可以通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、t c p i p 或d l l 方式相应的i o 板卡或现场总线连接，并且将软p l c 开发系统设计的用户程序下载到软p l c 运行系统 中执行以能完成相应的控制。这些i o 板卡和现场总线负责现场输入信号的采集以及信 号的输出，而软p l c 运行系统则完成对输入信号的处理、控制程序的执行、信号的输 出处理。由于用户在使用软p l c 时，可能根据自己的需要使用不同厂商，不同型号， 不同类型的外部i o 设备，或者是使用自开发的i o 硬件设备。因此，在设计软p l c 外 部访问模块时应以外部设备在p c 上的应用类型为区分标准。如针对p c i 总线设备开发 p c i 设备访问模块，针对串口设备开发串口设备访问模块等。这样做的好处是，尽管不 同厂商在开发硬件设备和驱动程序时会有所区别，但对于在p c 上的应用，它们都会遵 循相同的应用规律和标准。这使我们能够以这些规律和标准为依据，开发软p l c 的外 部设备访问模块，大大降低了开发难度，节约了开发成本。因此，软p l c 的外部设备 访问模块应该是对不同类型接口设备的一个访问模块集合。当软p l c 运行时，会自动 搜索不同接口上的硬件，获取设备编号，设备地址等以供用户使用。当然，在考虑到用 户可能自开发设备的情况，我们也应提供一个访问标准并预留一个简单的接口接口，供 用户使用。 系统的软件平台可以采用w i n d o w s n t 等，通用i o 板卡和i o 接线端子板( 或现 场总线卡、现场总线以及远程i o 模块) 负责与工业控制现场打交道，采集来的输入信 号被软p l c 运行系统处理，软p l c 开发系统编写的用户控制程序也被软p l c 运行系统 西华大学硕士学位论文 解释执行，最后将处理后的信号输出到控制现场( 本地或远程) 完成相应的控制功能， 其控制原理如图2 5 所示。 软p l c 运行系统 i o 访问模块卜卜叫现场总线卡 i o -lid i o 卤回 制i p r o f i b u s 图2 5 软p l c 与i o 通信接口结构 f i g u r e2 5 s t r u c t u r eo fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns o f t p l ca n di o 2 2 3软p l c 预编译系统分析 预编译模块的功能为读取用户编辑好的p l c 程序，对其进行词法、语法，找出其 中错误，并将错误信息反馈给用户。 在2 2 1 中提到，辑编系统是采用v i s u a lc + + 6 0 的单文档多视图技术开发，这样系 统可轻易实现l d 、i l 、s t 语言这间的互相转换。同时，预编译系统的输入端是也可来 自该文档中的内容，如用户输入的关键字，参数等。得到输入内容后首先交由词法分析 器进行符号表管理，如各操作符和操作数拼写的简查，用户自定义变量的插入等，若出 现错误则提醒用户。再经语法分析器对用户程序的语法进行分析，如操作符与操作数类 型是否有错，用户程序运算逻辑是否出错等。最后交由语义分析器对用户程序进行分析 并优化得到中间代码，如梯形图中的一个复杂逻辑网络结构单元，需对其进行逻辑运算 化简，使程序运算时更简便，占用更少资源。 2 3 运行系统结构分析 软p l c 的运行系统负责将用户通过编辑系统编写的用户程序进行解释运行，并将 工业控制现场数据采集加模块采集上来的输入信号进行处理，最后将处理后的信号输 出到本地或远程的控制现场，从而完成相应的控制功能。这一部分是软p l c 的核心， 完成输入处理、程序执行、输出处理等工作。对于不同的硬件平台，运行系统还必须支 持与开发系统的通信和相应的i o 模块的通信。软p l c 运行系统通常由i o 接口、通信 接口、系统管理器、错误管理器、调试内核和编译器组成【1 1 】： 9 裂丽 裂一 软p l c 技术开发及研究 ( 1 ) i o 接口：由本地i o 系统和远程i o 系统组成，远程i o 主要通过现场总线 i n t e r b u s 、p r o f i b u s 、c a n 等实现； ( 2 ) 通信接1 2 1 ：使运行系统可以和外部设备或程序按照各种协议进行通信； ( 3 ) 系统管理器：处理不同任务、协调程序的执行； ( 4 ) 错误管理器：检测和处理和序运行过程中的各种错误。 2 3 1解释运行系统分析 简单的说，编译器就是一个程序，该程序的作用为：l 、它读入用某种语言( 源语 言) 编写的程序并将其翻译成一个与之等价的以另一种语言( 目标语言) 编写的程序。 2 、或将用某种语言( 源语言) 编写的程序向目标机器解释，使目标机器可以理解源语 言程序的语义动作，并执行。因此，我们将编译器分为翻译型编译器和解释型编译器两 类。 翻译型编译的编译过程是将源代码程序( 用户语言程序) 翻译为目标机器可识别的 语言( 通常为二进制机器码) ，并由硬件执行的过程。该型编译的优点在于生成目标代 码后，目标机器执行效率高，占用资源小。缺点是目标代码一但生成，就只能在某一单 一的目标机器硬件( 如x 8 6 ) 上运行。若要在其它硬件( 如删) 上运行，则需要重 新开发针对新硬件( a r m ) 的编译器。另外，若用户在使用过程中对用户程序进行了修 改，刚需要重新编译并下载到硬件上方可执行新的用户程序。这对工业控制设计过程中 的高灵活性要求是不利的。 解释型编译的编译过程是将源代码程序(