軟PLC編譯系統(tǒng)的開發(fā)與仿真

軟PLC控制技術(shù)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(jié)構(gòu)，通過軟件來實(shí)現(xiàn)PLC硬件的功能。軟PLC系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)為用戶提供編輯界面和多種編程語言環(huán)境，便于用戶在PC機(jī)上進(jìn)行PLC程序的編輯，同時(shí)還對(duì)下位機(jī)的一些狀態(tài)量進(jìn)行監(jiān)控，并給下位機(jī)發(fā)送指令。

　　用戶編輯完P(guān)LC的梯形圖和指令表程序后，只有通過對(duì)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(yùn)行。為了配合在PC機(jī)上運(yùn)行的軟PLC編輯開發(fā)系統(tǒng)，使PC機(jī)完成相應(yīng)的控制功能，開發(fā)了軟PLC編譯系統(tǒng)。

　　1、軟PLC程序編譯系統(tǒng)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(biāo)記重復(fù)、指令地址越界等語法錯(cuò)誤；梯形圖程序邏輯檢查模塊檢查PLC圖形程序有無邏輯錯(cuò)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(cuò)誤。

　　編譯程序的構(gòu)造包括詞法分析、語法分析、語義分析、錯(cuò)誤的檢查和處理以及代碼生成和代碼優(yōu)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(gè)梯級(jí)組成，遍歷時(shí)以梯級(jí)為單位，采用深度優(yōu)先的掃描方法。按從上到下，從左到右的順序進(jìn)行。在掃描過程中，遇到并聯(lián)結(jié)點(diǎn)就轉(zhuǎn)入下一行進(jìn)行掃描，行與行之間的切換由指針的變換來實(shí)現(xiàn)，原先位置的指針被預(yù)先存儲(chǔ)起來，待并聯(lián)模塊掃描完后。再從原來的位置開始往下掃描。梯級(jí)和掃描順序如圖1所示。

　　圖1 梯級(jí)和掃描圖

　　指令表是由一系列指令組成。且指令按照鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，按照順序讀取指令即可完成對(duì)指令表的遍歷。

　　3、梯形圖與指令表程序的相互轉(zhuǎn)換

　　3.1 梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表

　　梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表是以梯級(jí)為單位進(jìn)行的。

　　對(duì)于沒有并聯(lián)支路的梯級(jí)，只要根據(jù)梯形圖元素在梯級(jí)中的位置和元素的類型，即可將梯形圖轉(zhuǎn)換為指令表。對(duì)于包含有并聯(lián)支路的梯級(jí)，可以按照遍歷梯形圖的方法，一邊遍歷一邊轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中，首先設(shè)定1個(gè)全局變量nDepth(梯級(jí)深度)，以確定梯級(jí)的深度，然后判斷1個(gè)梯級(jí)是否包含并聯(lián)支路。如果包含則調(diào)用包含有并聯(lián)支路的轉(zhuǎn)換程序，然后順序讀入當(dāng)前梯級(jí)深度層次上的梯形圖元素；如沒有發(fā)現(xiàn)并聯(lián)支路，則調(diào)用不含并聯(lián)支路的轉(zhuǎn)換程序依次轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中。每轉(zhuǎn)換完1條支路就要添加1個(gè)ORB支路并聯(lián)指令。

　　在對(duì)整個(gè)梯形圖程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，首先生成nLine(行號(hào))和nDepth 2個(gè)全局變量，然后從頭開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完1個(gè)梯級(jí)后。下1個(gè)梯級(jí)從第nLine(nLine=nLine+nDepth+1)行開始，直到梯形圖文件結(jié)束為止。

　　3.2 指令表轉(zhuǎn)換成梯形圖

　　指令表轉(zhuǎn)換成梯形圖的過程就是根據(jù)PLC指令語句生成相應(yīng)的梯形圖元素鏈表的過程。因?yàn)樘菪螆D和指令表程序是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可按照語句對(duì)應(yīng)生成相應(yīng)的梯形圖元素，利用在梯形圖向語言表轉(zhuǎn)換文件中已設(shè)計(jì)好的位圖資源，建立標(biāo)志符和位圖之間的相應(yīng)關(guān)系。轉(zhuǎn)換時(shí)，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(dāng)?shù)乃惴ㄌ幚?，在視窗中畫出?duì)應(yīng)的梯形圖符號(hào)，直到文件結(jié)束。此外，在轉(zhuǎn)換過程中，需要將程序劃分為若干小節(jié)，每節(jié)對(duì)應(yīng)梯形圖中的1個(gè)梯級(jí)。在指令表中，梯級(jí)的劃分可根據(jù)OUT指令來進(jìn)行。串并聯(lián)模塊的劃分可根據(jù)ANB和ORB指令進(jìn)行。

　　4、軟PLC程序的語法分析

　　在對(duì)PLC程序進(jìn)行編譯時(shí)，先將由PLC其他語言編寫的程序轉(zhuǎn)化為指令表后再進(jìn)行處理。程序語言的文法通常包括I組終結(jié)符、I組非終結(jié)符、1個(gè)開始符號(hào)和1組產(chǎn)生式。

　　4.1 軟PLC程序的文法設(shè)計(jì)

　　軟PLC程序文法主要指PLC指令表語言的文法設(shè)計(jì)，PLC指令表語言與梯形圖語言存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)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(hào)、操作碼和操作數(shù)。操作碼是PLC指令系統(tǒng)中的指令代碼，包括邏輯取、觸點(diǎn)串聯(lián)指令、觸點(diǎn)并聯(lián)指令指令、支路并聯(lián)指令、支路串聯(lián)指令和線圈驅(qū)動(dòng)指令。操作數(shù)主要是PLC內(nèi)部的繼電器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)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(shè)計(jì)，并選取指令集中的一個(gè)子集來作為研究對(duì)象，該子集由邏輯取指令(LD，LDI)、觸點(diǎn)串聯(lián)指令(AND，ANI)、觸點(diǎn)并聯(lián)指令(OR，ORI)、支路并聯(lián)連接指令(ORB)、支路串聯(lián)連接指令(ANB)和線圈驅(qū)動(dòng)指令(0UT)等基本指令組成。
為了便于分析，用單個(gè)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(gè)四元式(Vt，VN，S，φ)，其中，Vt是終結(jié)符號(hào)集，包括{a，b，e，d，e，f}；VN是非終結(jié)符號(hào)集，包括{S，H，K，A，B，D，E}；S是開始符號(hào)；φ中是產(chǎn)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(chǎn)生式，可推出空串的非終結(jié)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(gòu)造預(yù)測(cè)分析表，并先求取所有非終結(jié)符號(hào)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(chǎn)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)=iwdarsf；SELECT(D→b)=；SELECT(D→c)={c}；SELECT(E→D)={b，c}；SELECT(E→aKB)={a}

　　根據(jù)上述計(jì)算。生成的PLC文法預(yù)測(cè)分析表如表1所示。

　　表1 PLC文法預(yù)測(cè)分析表

　　通過表1，采用非遞歸的預(yù)測(cè)分析方法，構(gòu)造預(yù)測(cè)分析器模型，如圖2所示。

　　圖2 非遞歸的預(yù)測(cè)分析器模型

　　預(yù)測(cè)分析器的控制程序總是根據(jù)棧頂符號(hào)和當(dāng)前輸入符號(hào)來決定預(yù)測(cè)分析器的動(dòng)作，預(yù)測(cè)分析器的控制程序算法如下：

　　置指針ip指向輸入符號(hào)串的第1個(gè)字符

　　while(1)

　　令X是棧頂符號(hào)。a是ip所指的符號(hào)；

　　if(X是終結(jié)符號(hào)或$)

　　if X==a

　　pop(X)，更新ip；

　　else

　　error()；

　　else(X是非終結(jié)符號(hào))

　　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(yù)測(cè)分析表中x行和a列相交處的產(chǎn)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?yōu)閍cababecdcf，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(shí)現(xiàn)

　　PLC指令表程序的分析是通過對(duì)指令表程序的解釋而獲得程序的邏輯，并以對(duì)話框形式演示程序的邏輯狀態(tài)。在解釋過程中，構(gòu)造2個(gè)變量，1個(gè)用于存儲(chǔ)分支塊的邏輯值，另1個(gè)用于存儲(chǔ)分支塊前面語句的邏輯值。同時(shí)構(gòu)造1個(gè)堆棧用來存儲(chǔ)解釋過程中的結(jié)果，分支塊前面的值保存在堆棧中，整個(gè)分支塊的值保存在1個(gè)臨時(shí)變量中。

　　PLC指令表程序的解釋過程為：1)當(dāng)解釋程序發(fā)現(xiàn)LD或LDI指令時(shí)，將臨時(shí)變量值壓入堆棧，臨時(shí)變量賦值為1，臨時(shí)變量與指令后面的元素進(jìn)行邏輯與操作，將結(jié)果保存在臨時(shí)變量中；2)當(dāng)解釋程序發(fā)現(xiàn)AND或ANI指令時(shí)，臨時(shí)變量與指令后的元素進(jìn)行與操作，將結(jié)果保存到臨時(shí)變量中；3)當(dāng)解釋程序發(fā)現(xiàn)OR或ORI指令時(shí)，l臨時(shí)變量與指令后的元素進(jìn)行或操作，將結(jié)果保存到臨時(shí)變量中；4)當(dāng)解釋程序發(fā)現(xiàn)ANB指令時(shí)，臨時(shí)變量與棧頂?shù)闹颠M(jìn)行與操作，將結(jié)果保存到臨時(shí)變量中，同時(shí)堆棧將棧頂元素彈出；5)當(dāng)解釋程序發(fā)現(xiàn)ORB指令時(shí)，臨時(shí)變量與棧頂?shù)闹颠M(jìn)行或操作，將結(jié)果保存到臨時(shí)變量中，同時(shí)堆棧將棧頂元素彈出；6)當(dāng)解釋程序發(fā)現(xiàn)OUT指令時(shí)，將臨時(shí)變量與棧頂?shù)闹颠M(jìn)行與操作，將結(jié)果保存在臨時(shí)變量中。同時(shí)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(huì)按類別以表格形式列出，元素的不同顏色表示元素的開關(guān)狀態(tài)，紅色代表高電平，白色代表低電平。當(dāng)用鼠標(biāo)改變輸入元素的狀態(tài)時(shí)。輸出元素的狀態(tài)會(huì)按照程序邏輯進(jìn)行改變，改變的結(jié)果可由顏色的變化來顯示。

　　6、結(jié)束語

　　軟PLC程序的邏輯仿真結(jié)果表明，開發(fā)的軟PLC編譯系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)軟PLC梯形圖與指令表程序的相互轉(zhuǎn)換，完成軟PLC程序的文法設(shè)計(jì)和語法分析，對(duì)軟PLC程序的運(yùn)行指令作出正確解釋，并能按照PLC的工作原理運(yùn)行，使PC機(jī)完成相應(yīng)的控制功能。開發(fā)的軟件系統(tǒng)能很容易地實(shí)現(xiàn)PLC程序的編輯和邏輯仿真，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方法簡(jiǎn)便，為今后進(jìn)～步研究和開發(fā)軟PLC的下位機(jī)系統(tǒng)、不斷完善軟PLC系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)其良好的控制特性奠定了基礎(chǔ)。