計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展和IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的制定有力推動(dòng)了軟PLC（Programmable Logic Controller）技術(shù)的發(fā)展。軟PLC技術(shù)是一種基于PC的新型控制技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)的硬PLC而言,軟PLC具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力和數(shù)據(jù)處理能力, 能較好地滿足工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中控制系統(tǒng)開(kāi)放性和柔性的要求,是目前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。所謂軟PLC技術(shù)[1],就是以PC作為硬件支撐平臺(tái),利用軟件實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的基本功能，即將PLC的控制運(yùn)算功能封裝在軟件內(nèi),運(yùn)行于PC的環(huán)境中。這樣的控制系統(tǒng)在提供了PLC相同功能的同時(shí)，也具備了PC的各種優(yōu)點(diǎn)。

    本文介紹的軟PLC編程系統(tǒng)軟件采用Windows多任務(wù)環(huán)境下的多線程技術(shù)，以C++ Builder為主要開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用其強(qiáng)大的軟件功能，使人機(jī)交互界面更為友好。由于C++ Builder固有的面向?qū)ο髾C(jī)制,可方便地設(shè)計(jì)梯形圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合相應(yīng)的算法，完成軟PLC編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了界面友好的編輯環(huán)境和方便靈活的編輯方式，實(shí)現(xiàn)了可視化、規(guī)范化的梯形圖設(shè)計(jì)，方便用戶使用，提高了PLC編程效率。對(duì)提高當(dāng)前軟PLC梯形圖編程軟件通用化和標(biāo)準(zhǔn)化做出了有益的嘗試和探索。
1 總體設(shè)計(jì)
1.1軟PLC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
    軟PLC系統(tǒng)包括編程系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng),如圖1所示[1-2]。編程系統(tǒng)是基于Windows環(huán)境的編程工具，運(yùn)行于普通PC機(jī)上。它獨(dú)立于運(yùn)行系統(tǒng),主要完成PLC源程序的編輯、編譯以及仿真功能。編程系統(tǒng)最終產(chǎn)生一份滿足控制要求的目標(biāo)代碼，運(yùn)行系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)就可以加載該目標(biāo)代碼，對(duì)其進(jìn)行解釋執(zhí)行，并控制對(duì)象進(jìn)行交互，完成輸入、輸出處理等工作，最終實(shí)現(xiàn)控制功能。

1.2 功能分析
    經(jīng)分析,編程系統(tǒng)軟件應(yīng)具有以下功能：(1)編程和仿真功能：編程功能主要包括程序錄入、修改、文件存取和語(yǔ)法檢查功能；仿真功能包括模擬開(kāi)關(guān)控制、模擬脫機(jī)運(yùn)行過(guò)程。(2)提供菜單和工具欄兩種操作方式，輸入輸出采用直觀的圖形方式，便于用戶直觀地編輯梯形圖程序。(3)順序控制功能、邏輯控制功能、數(shù)據(jù)控制功能、定時(shí)/計(jì)數(shù)功能和監(jiān)控功能。(4)可對(duì)PLC用戶程序進(jìn)行正確性檢查(包括編程元件的使用、語(yǔ)法和邏輯關(guān)系正確性檢查)。(5)實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)PLC的內(nèi)部編程元件的仿真,實(shí)現(xiàn)PLC指令解釋器的仿真。(6)與Windows界面一致，提供中英文兩種語(yǔ)言界面與隨機(jī)幫助,支持對(duì)程序的注釋。
1.3 模塊劃分
    根據(jù)功能需求分析，采用模塊化的思想進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，將編輯系統(tǒng)軟件劃分為主模塊、輸入模塊、支持模塊，仿真模塊和通信模塊。軟件的組成及其相互間的關(guān)系如圖2所示。

    主模塊完成軟件運(yùn)行參數(shù)的初始化，協(xié)調(diào)其他各模塊調(diào)用控制，程序打開(kāi)、顯示、保存等。支持模塊進(jìn)行類、對(duì)象和結(jié)構(gòu)體的定義。輸入模塊通過(guò)對(duì)具體的指令類對(duì)象的調(diào)用，對(duì)數(shù)據(jù)成員進(jìn)行賦值、修改等操作，錄入、編輯PLC應(yīng)用程序。仿真模塊模擬PLC中的繼電器、寄存器及相關(guān)I/O變量，有效模擬現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象信號(hào)輸入，直觀地描述各個(gè)繼電器的相互控制關(guān)系，通過(guò)時(shí)序圖實(shí)時(shí)監(jiān)控所有(或部分) 程序使用的繼電器的通斷狀態(tài)。通信模塊在編輯系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)間進(jìn)行通信，把經(jīng)過(guò)編譯和脫機(jī)調(diào)試后的目標(biāo)代碼文件下載到運(yùn)行系統(tǒng)中。
2 存儲(chǔ)與加載的實(shí)現(xiàn)
    IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定了5種編程語(yǔ)言，其中梯形圖(Ladder Diagram)是應(yīng)用最廣泛的編程語(yǔ)言，是PLC編程的最重要編程語(yǔ)言，因此本系統(tǒng)采用梯形圖(LD)，其他語(yǔ)言待以后進(jìn)一步加入和完善。梯形圖程序的保存采用操作系統(tǒng)自帶的記事本,由此需要制定編碼規(guī)則,并按照這個(gè)固定的規(guī)則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或打開(kāi)顯示梯形圖。
2.1 編碼規(guī)則制定
     PLC程序中需要表示的控件主要有常開(kāi)觸點(diǎn)NO,常閉觸點(diǎn)NC,輸出觸點(diǎn)OP,記時(shí)器觸點(diǎn)TM,記數(shù)器觸點(diǎn)CT、MC、MCE、跳轉(zhuǎn)控制觸點(diǎn)JP、LAL,上升沿觸點(diǎn)DF、下降沿DF/,進(jìn)棧ANS、ORS、PUSH、RDS、POPS、置位觸點(diǎn)SET,復(fù)位觸點(diǎn)RST,保持觸點(diǎn)KEEP,橫線及豎線等[3-4]。必須為每個(gè)觸點(diǎn)設(shè)定一個(gè)專用的標(biāo)志符號(hào)，以便于保存、打開(kāi)程序時(shí)能夠識(shí)別這些控件。采用字符串與數(shù)字組合表示每一個(gè)觸點(diǎn)控件的相關(guān)信息,制定規(guī)則如圖3所示。

    文件加載時(shí),通過(guò)制定的規(guī)則進(jìn)行譯碼，執(zhí)行的順序與存儲(chǔ)文件基本相同。
3 多線程技術(shù)的應(yīng)用
    Windows多任務(wù)環(huán)境下的多線程技術(shù)是將CPU的時(shí)間劃分成許多時(shí)間片段，并按照一定的優(yōu)先級(jí)將時(shí)間片段分配給各個(gè)線程，各線程在各自的時(shí)間片段內(nèi)共享CPU，從而實(shí)現(xiàn)微觀上的輪次執(zhí)行宏觀上并發(fā)運(yùn)行的多任務(wù)機(jī)制。多線程技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于充分利用了CPU的空閑時(shí)間片，用盡可能少的時(shí)間對(duì)用戶的要求做出響應(yīng)，使得進(jìn)程的整體運(yùn)行效率得到較大提高，同時(shí)增強(qiáng)了應(yīng)用程序的靈活性。
    PLC的工作原理是一個(gè)“順序掃描、不斷循環(huán)”的單線程循環(huán)過(guò)程[4]。如果軟件采用單線程，一旦開(kāi)始執(zhí)行PLC程序，CPU將被這個(gè)死循環(huán)完全占用，軟件的其他事件得不到系統(tǒng)響應(yīng)，無(wú)法運(yùn)行。因此，決定采用多線程機(jī)制[5-6]。仿真模塊占用2個(gè)線程：(1)控制程序在“在線模式”與“離線模式”之間轉(zhuǎn)換;(2)精確地實(shí)時(shí)監(jiān)控。加上系統(tǒng)本身的主線程，共有3個(gè)線程。在C++Builder中，通過(guò)File/New/Other下new頁(yè)面的“Thread Object” 即可輕松地建立多個(gè)線程[5]。
　    實(shí)時(shí)監(jiān)控線程的作用是不斷地讀取程序運(yùn)行中各個(gè)繼電器的狀態(tài)，并將狀態(tài)的值返回到時(shí)序圖，以控制時(shí)序圖的輸出。線程對(duì)各繼電器狀態(tài)的讀取采用鏈表的形式，依次讀各節(jié)點(diǎn)的屬性。當(dāng)啟動(dòng)線程時(shí)，線程會(huì)執(zhí)行Execute()函數(shù)中的程序，GO按鈕調(diào)用Resume()函數(shù)啟動(dòng)線程，STOP按鈕調(diào)用Suspend()函數(shù)暫停線程。運(yùn)行時(shí)，從頭開(kāi)始遍歷讀取各個(gè)繼電器的通電狀態(tài)的powered屬性，如果powered=true，則在時(shí)序圖上做高為20、以淡綠色填充的矩形，表示繼電器處于通電狀態(tài)；如果powered=false，則在梯形圖上作高為20的矩形，將矩形設(shè)置為與窗體相同的顏色，使視覺(jué)上感覺(jué)好像沒(méi)有畫(huà)矩形圖，以達(dá)到顯示不通電狀態(tài)的效果。矩形左上角的X坐標(biāo)用一個(gè)xstart變量來(lái)取值，xstart的值為powered 改變的那一刻的Image1的水平位置；右下角的X坐標(biāo)始終為Image1的水平位置，不停地變化。為了限制時(shí)序圖的大小，等到Image1走到一定的位置，即將它復(fù)位到起始點(diǎn)，重新開(kāi)始畫(huà)圖。程序片段如下[5]：
    if(powered)   
    {TimingmapForm->Canvas->Brush->Color=clLime;                TimingmapForm->Canvas->Pen->Style=psSolid; }
    else
    {TimingmapForm->Canvas->Brush->Color=clWhite;                 TimingmapForm->Canvas->Pen->Style=psClear;}
    TimingmapForm->Canvas->Rectangle(xstart,count*30+50,left-1,count*30+70)。
    以C++ Builder為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用面向?qū)ο蠛投嗑€程技術(shù),實(shí)現(xiàn)了在PC機(jī)上進(jìn)行PLC程序的編制、調(diào)試和邏輯結(jié)果的仿真,使PLC程序編制、調(diào)試與硬件脫離。軟件提供了菜單和工具欄兩種操作方式，操作簡(jiǎn)單，便于用戶直觀地畫(huà)梯形圖程序，具有較高的應(yīng)用和實(shí)踐價(jià)值, 對(duì)其他類似模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也具有參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳玉香,周東霞,林錦赟.嵌入式軟PLC系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(10):235-237.
[2] 賀無(wú)名,余強(qiáng)國(guó).基于嵌入式軟PLC的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2011,32(6):244-246.
[3] 彭瑜,何衍慶.IEC 61131-3編程語(yǔ)言及應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.
[4] 吳建強(qiáng).可編程控制器原理及其應(yīng)用(第2版)[M].北京:高等教育出版社,2004.
[5] 陸衛(wèi)忠,劉文亮.C++Builder 6程序設(shè)計(jì)教程(第2版)[M].北京:科學(xué)出版社,2009.
[6] 章德賓,胡斌,張金隆.多線程技術(shù)與分布式并發(fā)離散事件仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2007,24(1):97-100.
[7] 王紀(jì)森,王俊,周宇.基于多線程的電液伺服加載系統(tǒng)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2009,37(10):159-160.