本發(fā)明涉及軟plc領(lǐng)域，尤其涉及一種將plc梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表并解釋執(zhí)行的方法。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)90年代后期，傳統(tǒng)plc難以構(gòu)建開放的硬件體系結(jié)構(gòu)、工作人員必須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)才能掌握某一種產(chǎn)品的編程方法、傳統(tǒng)plc的生產(chǎn)被幾家廠商所壟斷等缺點(diǎn)已經(jīng)嚴(yán)重制約了其發(fā)展。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及iec61131國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的指定，軟plc技術(shù)得到迅速發(fā)展。軟plc系統(tǒng)基于pc機(jī)，建立在一定操作平臺(tái)之上，通過(guò)軟件的方法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)plc的計(jì)算、控制、存儲(chǔ)和編程功能。

梯形圖和指令表都是可編程邏輯控制器的常用編程語(yǔ)言，它們都符合iec61131-3標(biāo)準(zhǔn)。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，它是在常用的繼電器與接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了符號(hào)演變過(guò)來(lái)，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適合用于開關(guān)量的邏輯控制。在梯形圖中，左、右母線類似于繼電器與接觸器控制電源線，輸出線圈類似于負(fù)載，輸入觸點(diǎn)類似于按鈕。梯形圖由若干階級(jí)構(gòu)成，自上而下排列，每個(gè)階級(jí)起于左母線，經(jīng)過(guò)觸點(diǎn)與線圈，止于右母線。指令表編程語(yǔ)言是一種與匯編語(yǔ)言相類似的助記符編程語(yǔ)言，和匯編語(yǔ)言一樣由操作碼和操作數(shù)組成。指令表編程語(yǔ)言采用助記符來(lái)表示操作功能，具有容易記憶、便于掌握等特。與梯形圖相比，指令表更接近于機(jī)器語(yǔ)言，更容易被軟plc系統(tǒng)所識(shí)別。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)方法將圖形化的梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表是一個(gè)重要問(wèn)題。

目前，梯形圖向指令表轉(zhuǎn)換的方法主要有分成兩類：一類方法是直接對(duì)梯形圖進(jìn)行遍歷掃描，并在從上到下、從左到右掃描梯形圖時(shí)，若遇到并聯(lián)支路，就轉(zhuǎn)入與當(dāng)前分支相鄰的下一行開始掃描，重復(fù)地使用這種策略從而得到指令表。另一種方法是使用二叉有向圖表示梯形圖的邏輯關(guān)系，并用二叉樹存儲(chǔ)梯形圖，通過(guò)對(duì)二叉樹的一次遍歷即可生成指令表。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種將plc梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表并解釋執(zhí)行的方法，有效地解決梯形圖的復(fù)雜串并聯(lián)關(guān)系和多輸出難以準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化成指令表的問(wèn)題；同時(shí)本發(fā)明能把轉(zhuǎn)化后的指令表解釋執(zhí)行，能結(jié)合emc數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成一套軟plc系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種將plc梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表并解釋執(zhí)行的方法，包括如下步驟：

s1、遍歷梯形圖并構(gòu)造十字鏈表的所有頂點(diǎn)，根據(jù)各頂點(diǎn)的邏輯關(guān)系構(gòu)造十字鏈表的弧鏈表，通過(guò)所有頂點(diǎn)和弧鏈表得到十字鏈表；

s2、利用串并聯(lián)歸并，化簡(jiǎn)十字鏈表得到包含指令間邏輯關(guān)系的二叉樹結(jié)構(gòu)；

s3、遍歷二叉樹結(jié)構(gòu)得到對(duì)應(yīng)的指令表；

s4、利用堆棧的先進(jìn)先出原理解釋指令表。

進(jìn)一步地，所述步驟s1，具體為：

s11、構(gòu)造strrung結(jié)構(gòu)體保存梯形圖一行的信息，其中包括element數(shù)組，該數(shù)組的元素是保存梯形圖元件信息的strelement結(jié)構(gòu)體指針，然后用rung指針數(shù)組保存每一行的strrung結(jié)構(gòu)體指針；

s12、把除導(dǎo)線以外的其他元件看成有向圖的一個(gè)頂點(diǎn)，構(gòu)造頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)strvexnode并遍歷rung指針數(shù)組建立所有頂點(diǎn)，頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)指向二叉樹節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)strbinode指針；

s13、構(gòu)造弧節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并且根據(jù)各頂點(diǎn)的邏輯關(guān)系構(gòu)造弧鏈表；

s14、通過(guò)所有頂點(diǎn)和弧鏈表得到十字鏈表。

進(jìn)一步地，所述步驟s2，具體為：

s21、利用串聯(lián)歸并，求入度為1的頂點(diǎn)，由該頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)的firstin域得到以該頂點(diǎn)為弧頭的第一個(gè)弧結(jié)點(diǎn)，由弧結(jié)點(diǎn)得到弧尾頂點(diǎn)，接著計(jì)算該弧尾頂點(diǎn)的出度和入度，如果弧尾頂點(diǎn)的出度為1且入度小于等于1，則弧尾和弧頭頂點(diǎn)合并為一個(gè)頂點(diǎn)；合并時(shí)新建一個(gè)二叉樹節(jié)點(diǎn)binode，把弧尾頂點(diǎn)所包含的二叉樹節(jié)點(diǎn)指針賦值為binode的左子節(jié)點(diǎn)，把弧頭頂點(diǎn)所包含的二叉樹節(jié)點(diǎn)指針賦值為binode的右子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)把binode的operator字段賦值為枚舉元素and，然后binode的指針賦值給弧尾頂點(diǎn)的二叉樹節(jié)點(diǎn)指針并且把弧頭頂點(diǎn)的firstout指針賦值給弧尾頂點(diǎn)的firstout指針，最后釋放弧頭頂點(diǎn)的firstin弧節(jié)點(diǎn)和弧頭頂點(diǎn)；

s22、利用并聯(lián)歸并，依次計(jì)算頂點(diǎn)的出度，如果頂點(diǎn)的出度大于1則利用firstout域把以該頂點(diǎn)為弧尾的所有弧結(jié)點(diǎn)的弧頭頂點(diǎn)保存在temp1數(shù)組中，對(duì)于temp數(shù)組中的頂點(diǎn)都按照以下步驟執(zhí)行，求該頂點(diǎn)為弧尾的第一個(gè)弧結(jié)點(diǎn)的弧頭頂點(diǎn)，計(jì)算該弧頭頂點(diǎn)的入度，如果該弧頭頂點(diǎn)的入度大于1，則利用firstin域把以該弧頭頂點(diǎn)為弧頭的所有弧結(jié)點(diǎn)的弧尾頂點(diǎn)保存在temp2數(shù)組中，然后遍歷temp1數(shù)組和temp2數(shù)組找出兩個(gè)數(shù)組都包含的頂點(diǎn)，把這些頂點(diǎn)合并成一個(gè)頂點(diǎn)；其中，合并時(shí)：

a)先聲明一個(gè)指向strbinode的指針pbinode，把第一個(gè)頂點(diǎn)的binode字段賦值給pbinode；b)然后取出下一個(gè)頂點(diǎn)，分配一個(gè)二叉樹結(jié)構(gòu)，其指針為newbinode，把pbinode賦值給newbinode的left字段，把頂點(diǎn)的binode字段賦值給newbinode的right字段，賦值newbinode的operator字段為枚舉元素or，把newbinode賦值給pnode,最后釋放該頂點(diǎn)的firstin和firstout指針?biāo)赶騼?nèi)容和該頂點(diǎn)指針?biāo)赶騼?nèi)容；c)重復(fù)步驟b)直到取出所有頂點(diǎn)；

s23、重復(fù)步驟s21、s22，直到十字鏈表只剩下一個(gè)頂點(diǎn)，該頂點(diǎn)的binode字段為一顆包含了梯形圖邏輯關(guān)系的二叉樹的根節(jié)點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述步驟s4，具體為：

s41、掃描物理輸入并存儲(chǔ)物理輸入狀態(tài)；

s42、利用堆棧原理逐行解釋指令表，直到遇到end指令結(jié)束；

s43、把存儲(chǔ)的物理輸出狀態(tài)更新到物理輸出。

進(jìn)一步地，所述步驟s42的利用堆棧原理逐行解釋指令表，利用堆棧先進(jìn)先出的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)指令表的解釋，所述指令表的解釋分4種情況，包括：

(1)對(duì)于ld或ldi指令，將其操作數(shù)壓入堆棧；

(2)對(duì)于out指令，將其操作數(shù)從堆棧中取出；

(3)對(duì)于and、ani、or、ori、anb、orb指令，將其對(duì)象從堆棧中取出，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算后存入堆棧；

(4)對(duì)于set、rst指令，改變其操作數(shù)的狀態(tài)。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

1、本發(fā)明能夠準(zhǔn)確、有效地把包含復(fù)雜邏輯關(guān)系的梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表并解釋執(zhí)行；

2、本發(fā)明可結(jié)合emc數(shù)控系統(tǒng)組成軟plc系統(tǒng)，軟plc系統(tǒng)具有開放的體系結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)用戶需求合理選擇硬件，節(jié)省成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種將plc梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表并解釋執(zhí)行的方法的步驟流程圖；

圖2為常見(jiàn)plc梯形圖示例；

圖3為圖2的plc梯形圖映射成的無(wú)環(huán)有向圖示意圖；

圖4為根據(jù)圖3無(wú)環(huán)有向圖建立的十字鏈表；

圖5為本發(fā)明一種將plc梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表并解釋執(zhí)行的方法中串聯(lián)歸并的步驟流程圖；

圖6為本發(fā)明一種將plc梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表并解釋執(zhí)行的方法中并聯(lián)歸并的步驟流程圖；

圖7為本發(fā)明一種將plc梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表并解釋執(zhí)行的方法的指令表解釋器工作的步驟流程圖；

圖8為根據(jù)圖2所得到的指令表。

具體實(shí)施方式

需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

梯形圖時(shí)由一系列圖形化元件通過(guò)水平線和垂直線串并聯(lián)組合而成的具有一定邏輯關(guān)系的圖形表達(dá)式。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種將plc梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表并解釋執(zhí)行的方法，其具體步驟方法如下面詳細(xì)的描述內(nèi)容。

1、梯形圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

梯形圖時(shí)由圖符構(gòu)成的，在梯形圖編輯部分，梯形圖每一行作為一個(gè)階級(jí)，每個(gè)階級(jí)含有n個(gè)圖符，所以我們?cè)O(shè)計(jì)strrung結(jié)構(gòu)體和strelement結(jié)構(gòu)體作為梯形圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以記錄梯形圖各元件的數(shù)據(jù)信息，strrung結(jié)構(gòu)體和strelement結(jié)構(gòu)體如下所示：

其中數(shù)組element保存了階級(jí)中所有元件，rung_width表示每個(gè)階級(jí)中元件的個(gè)數(shù)，flow_end_type標(biāo)志位表示是子程序結(jié)束還是整個(gè)程序結(jié)束，linecomment表示行注釋字符串。

其中ele_type表示元件的類型，var_type表示變量的類型，var_num保存變量的值，source_num保存元件的值。

2、建立十字鏈表，如圖4所示：

梯形圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的是各個(gè)元件的數(shù)據(jù)信息，并沒(méi)有包含元件之間的串并聯(lián)邏輯關(guān)系，所以需要根據(jù)梯形圖建立十字鏈表。通過(guò)自上而下、自左而右遍歷梯形圖，把除了空元件和導(dǎo)線元件的其他元件視為十字鏈表的頂點(diǎn)，十字鏈表頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

firstin表示指向以該頂點(diǎn)作為弧頭的第一個(gè)弧結(jié)點(diǎn)，firstout表示指向以該頂點(diǎn)作為弧尾的弧結(jié)點(diǎn)。binode是二叉樹的結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。ele_type表示頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)元件的元件類型；var_type表示變量的類型；num表示頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)元件的標(biāo)號(hào)。十字鏈表的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)了元件的數(shù)據(jù)信息，而元件的串并聯(lián)關(guān)系則通過(guò)十字鏈表弧結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，十字鏈表弧結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

tailvex表示弧尾頂點(diǎn)在梯形圖中的位置，headvex表示弧頭頂點(diǎn)在梯形圖中的位置，headlink表示指向與此弧的弧頭相同的下一條弧，taillink表示指向與此弧弧尾相同的下一條弧。

3、建立二叉樹

梯形圖與指令表之間是一一對(duì)應(yīng)的，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)梯形圖中每個(gè)梯級(jí)的圖符的邏輯關(guān)系是一種層次結(jié)構(gòu)，而這種層次結(jié)構(gòu)容易用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的樹來(lái)表達(dá)，把每個(gè)梯級(jí)用二叉樹這種結(jié)構(gòu)表達(dá)后，整個(gè)梯形圖就是多個(gè)二叉樹的集合。二叉樹結(jié)構(gòu)體strbinode如下所示：

該結(jié)構(gòu)體中，left是二叉樹結(jié)點(diǎn)的左葉子結(jié)點(diǎn)指針，right是二叉樹右葉子結(jié)點(diǎn)指針，parent是二叉樹結(jié)點(diǎn)的父親結(jié)點(diǎn)指針，operator是用于保存邏輯關(guān)系。

因?yàn)槭宙湵淼捻旤c(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含了二叉樹結(jié)構(gòu)體指針，而十字鏈表的弧結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)了梯形圖的串并聯(lián)邏輯關(guān)系，所以我們可以通過(guò)化簡(jiǎn)十字鏈表來(lái)建立二叉樹，其步驟如下所示：

1)串聯(lián)歸并，以圖2所示的plc梯形圖為例，其映射的無(wú)環(huán)有向圖如圖3所示，依次計(jì)算十字鏈表頂點(diǎn)的入度，頂點(diǎn)x2的入度為1，由該頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)的firstin域得到以該頂點(diǎn)為弧頭的第一個(gè)弧節(jié)點(diǎn)，由弧節(jié)點(diǎn)得到弧尾頂點(diǎn)x1，接著計(jì)算該弧尾頂點(diǎn)x1的出度和入度，因?yàn)榛∥岔旤c(diǎn)的出度為1且入度小于等于1，則弧尾頂點(diǎn)x1和弧頭頂點(diǎn)x2可以合并為一個(gè)頂點(diǎn)；其中，串聯(lián)歸并的步驟流程圖如圖5所示。

2)并聯(lián)歸并，依次計(jì)算頂點(diǎn)的出度，如果頂點(diǎn)的出度大于1則利用firstout域把以該頂點(diǎn)為弧尾的所有弧結(jié)點(diǎn)的弧頭頂點(diǎn)保存在temp1數(shù)組中，對(duì)于temp數(shù)組中的頂點(diǎn)都按照以下步驟執(zhí)行，求該頂點(diǎn)為弧尾的第一個(gè)弧結(jié)點(diǎn)的弧頭頂點(diǎn)，計(jì)算該弧頭頂點(diǎn)的入度，如果該弧頭頂點(diǎn)的入度大于1，則利用firstin域把以該弧頭頂點(diǎn)為弧頭的所有弧結(jié)點(diǎn)的弧尾頂點(diǎn)保存在temp2數(shù)組中，然后遍歷temp1數(shù)組和temp2數(shù)組找出兩個(gè)數(shù)組都包含的頂點(diǎn)，合并時(shí)a)先聲明一個(gè)指向strbinode的指針pbinode，把第一個(gè)頂點(diǎn)的binode字段賦值給pbinode，b)然后取出下一個(gè)頂點(diǎn)，分配一個(gè)二叉樹結(jié)構(gòu)，其指針為newbinode，把pbinode賦值給newbinode的left字段，把頂點(diǎn)的binode字段賦值給newbinode的right字段，賦值newbinode的operator字段為枚舉元素or，把newbinode賦值給pnode,最后釋放該頂點(diǎn)的firstin和firstout指針?biāo)赶騼?nèi)容和該頂點(diǎn)指針?biāo)赶騼?nèi)容，c)重復(fù)步驟b)直到取出所有頂點(diǎn)。并聯(lián)歸并的步驟流程圖如圖6所示；

3)重復(fù)步驟1)和步驟2)直到十字鏈表只剩下一個(gè)頂點(diǎn)，該頂點(diǎn)的binode字段為一顆包含了梯形圖邏輯關(guān)系的二叉樹的根節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)后序遍歷所建立的二叉樹即可得到如圖8所示的指令表。

3、指令表解釋器

本發(fā)明是利用堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的解釋，堆棧是一種先進(jìn)先出的線性表，即先進(jìn)去的元素最后才出來(lái)，我們將利用堆棧此特點(diǎn)來(lái)解釋指令表。我們可以將指令表的指令碼大致分成4類，如下所示：

1)將其操作數(shù)存入堆棧，例如：ld、ldi等；

2)將其操作數(shù)從堆棧中取出，例如：out；

3)將其對(duì)象從堆棧中取出，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算后存入堆棧，例如：and、ani、or、ori、anb、orb等；

4)改變其操作數(shù)的狀態(tài)，例如：set、rst等。

如圖7所示，解釋指令表時(shí)，我們先掃描所有物理輸入并存儲(chǔ)所有物理輸入的狀態(tài)，然后逐行解釋指令表，按照以上4類情況操作堆棧，直到遇到end指令結(jié)束，最后把存儲(chǔ)的輸出狀態(tài)更新到物理輸出。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。