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(gòu)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(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梯級組成,，遍歷時(shí)以梯級為單位，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?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)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(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為單位進(jìn)行的,。
對于沒有并聯(lián)支路的梯級，只要根據(jù)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(zhuǎn)換為指令表,。對于包含有并聯(lián)支路的梯級，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(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ORB支路并聯(lián)指令。
在對整個梯形圖程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí),，首先生成nLine(行號)和nDepth 2個全局變量,，然后從頭開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)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(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應(yīng)的關(guān)系,，可按照語句對應(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?，在視窗中畫出對?yīng)的梯形圖符號，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)對應(yīng)梯形圖中的1個梯級,。在指令表中，梯級的劃分可根據(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個開始符號和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、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子集來作為研究對象,，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(jié)符號集,，包括{a,，b，e,，d,，e，f},；VN是非終結(jié)符號集,，包括{S，H,，K,，A，B,，D,，E}；S是開始符號,；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)測分析表，并先求取所有非終結(jié)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(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)=8mae4ocg,；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)測分析表如表1所示。
表1 PLC文法預(yù)測分析表
通過表1,，采用非遞歸的預(yù)測分析方法,，構(gòu)造預(yù)測分析器模型，如圖2所示,。
圖2 非遞歸的預(yù)測分析器模型
預(yù)測分析器的控制程序總是根據(jù)棧頂符號和當(dāng)前輸入符號來決定預(yù)測分析器的動作,，預(yù)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(jié)符號或$)
if X==a
pop(X),，更新ip；
else
error(),；
else(X是非終結(jié)符號)
if M[X,，a]：X—yly2?K
pop(X)；
push(Y1Y2?K),；
else
error(),；
else(X==$)
分析成功；
break,；
其中,，M[X，a]是指預(yù)測分析表中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(tài)。在解釋過程中,，構(gòu)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(shí)構(gòu)造1個堆棧用來存儲解釋過程中的結(jié)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(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)簡單,，使用方法簡便，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),。