李應(yīng)春+王庭有+楊安園

摘要： 本文使用跨平臺(tái)的C++應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架（Qt）及其圖形視圖框架（The Graphics View Architecture）以及信號(hào)與槽機(jī)制，結(jié)合C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)中的鏈表結(jié)構(gòu)、運(yùn)行時(shí)類型識(shí)別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PLC梯形圖編程軟件的總體框架設(shè)計(jì)；梯形圖語(yǔ)言的主程序、子程序、中斷程序的存儲(chǔ)及圖元的插入編輯操作等功能。

Abstract： This paper uses the cross-platform C++ application development framework （Qt） and its Graphics View Architecture， as well as the signal and slot mechanism， combined with the C++ standard template library linked list structure， run-time type recognition technology to achieve the PLC Ladder diagram programming software overall framework design； ladder language main program， subroutine， interrupt program storage and primitive insert editing operation and other functions.

關(guān)鍵詞： 梯形圖；Qt；存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

Key words： ladder diagram；Qt；storage structure

中圖分類號(hào)：TP313 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）01-0185-03

0 引言

PLC作為一種工控裝備，占據(jù)了自動(dòng)化控制領(lǐng)域的半壁江山。在德國(guó)提出“工業(yè)4.0”，我國(guó)部署“中國(guó)制造2025”的大環(huán)境下，自動(dòng)化形式越來(lái)越嚴(yán)峻，在這樣的形式下，PLC的技術(shù)改進(jìn)也就成為了一種必然的趨勢(shì)。另一方面，雖然我國(guó)是PLC的使用大國(guó)，但是就最近幾年的PLC市場(chǎng)份額來(lái)看，我國(guó)使用的PLC大多來(lái)自歐美和日本。國(guó)內(nèi)的PLC主要應(yīng)用在小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。所以綜合來(lái)看，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PLC系統(tǒng)是我國(guó)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然需要。

梯形圖被稱為PLC的第一編程語(yǔ)言，憑借其直觀易學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，成為最廣泛的PLC編程語(yǔ)言。梯形圖采用圖形語(yǔ)言，沿用了繼電器的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語(yǔ)與圖形符號(hào)，在計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)上稱為“面向生產(chǎn)過(guò)程的語(yǔ)言”[1]。

Qt使用“一次編寫(xiě)，隨處編譯”的方式為開(kāi)發(fā)跨平臺(tái)的圖形用戶界面應(yīng)用程序提供了一個(gè)完整的C++應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架。Qt允許程序開(kāi)發(fā)人員使用應(yīng)用程序的單一源碼來(lái)構(gòu)建可以運(yùn)行在不同平臺(tái)下的應(yīng)用程序，這些平臺(tái)包括從Windows98到Vista、Mac OS X、Linux以及其他很多基于X11的UNIX[2]。

由于當(dāng)下工業(yè)形式的發(fā)展對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的速度和安全提出了全新的要求，Windows系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的非實(shí)時(shí)性、不安全性得到了進(jìn)一步暴露。所以開(kāi)發(fā)跨平臺(tái)的、高效的PLC系統(tǒng)是今后PLC發(fā)展的一大趨勢(shì)。故本文基于Qt平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的PLC梯形圖編程軟件將對(duì)開(kāi)發(fā)跨平臺(tái)的PLC系統(tǒng)有著一定的貢獻(xiàn)。因?yàn)樗Y(jié)合了C++語(yǔ)言的高效性以及Qt框架的跨平臺(tái)特性充分體現(xiàn)了以上兩個(gè)PLC發(fā)展的方向。

1 梯形圖編程軟件的總體框架設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

同任何的軟件框架相同，PLC梯形圖編程軟件的基本框架也包含了基于Qt類——QMainWindow的應(yīng)用程序主窗口。其中包含基于QMenu的菜單欄、基于QToolBar的工具欄、基于QTabWidget的中央窗口部件、基于QStatusBar的狀態(tài)欄以及基于QDockWidget的?？看翱冢ㄜ浖饕獦?gòu)架如圖1所示）。中央窗口作為應(yīng)用程序的主要部分，用QTabWidget來(lái)實(shí)現(xiàn)梯形圖編程時(shí)候的主、子、中斷程序之間的相互切換。當(dāng)然，其中QTabWidget中包含的部件是基于Qt圖形視圖框架的梯形圖編輯部分。

從圖1中可以看出，中央窗口QTabWidget下面將包含三層結(jié)構(gòu)：QGraphicsView、QGraphicsSecne、QGraphicsItem. 其實(shí)這就是整個(gè)圖形視圖框架的三層結(jié)構(gòu)：視圖、場(chǎng)景、項(xiàng)目。其中，場(chǎng)景類用于提供一個(gè)用于管理位于其中的眾多圖元的容器，視圖類用于顯示場(chǎng)景中的圖元，一個(gè)場(chǎng)景可以供多個(gè)視圖來(lái)表現(xiàn)[3]，場(chǎng)景的大小理論上來(lái)說(shuō)是無(wú)限大的。圖形視圖框架的三元素關(guān)系如圖2所示。由于圖形視圖框架支持時(shí)間傳播體系結(jié)構(gòu)，使得圖元能夠處理鼠標(biāo)和鍵盤事件，另一方面來(lái)說(shuō)，圖形視圖框架通過(guò)二叉空間分割樹(shù)（Binary Space Partitioning，BSP）來(lái)提供圖元的快速查找。在這樣的條件下，該框架能夠處理百萬(wàn)級(jí)圖元的大場(chǎng)景。從而可以輕松的完成梯形圖的編輯。

2 梯形圖的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

在國(guó)際電工委推出了IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)后，基本上所有的PLC廠商都在逐漸的向這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)靠攏?？紤]到PLC梯形圖編程語(yǔ)言的讀寫(xiě)方便性，該標(biāo)準(zhǔn)將各種程序進(jìn)行必要的劃分——使用多種塊來(lái)組成整個(gè)控制程序。所以PLC編程軟件必須能對(duì)程序進(jìn)行劃分處理，本文主要將控制程序劃分成主程序、子程序、終端程序三個(gè)部分。其實(shí)所有的劃分都是在另外一個(gè)存儲(chǔ)空間中存儲(chǔ)不同的梯形圖程序，他們的不同點(diǎn)存在于PLC梯形圖編程語(yǔ)言到可執(zhí)行二進(jìn)制代碼的編譯過(guò)程。由于鏈表在任何位置插入和刪除的速度都比較快，所以本文用QList < QList*>鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)主程序、子程序、中斷程序中的各個(gè)程序段。從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中可以看出，存儲(chǔ)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是以指針的形式來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣就可以通過(guò)點(diǎn)擊菜單動(dòng)態(tài)的添加子程序、主程序、中斷程序以及對(duì)應(yīng)各個(gè)程序塊的不同程序段。

從圖1的主框架結(jié)構(gòu)中可以看出，中央窗口部件QTabWidget主要以選項(xiàng)卡的方式來(lái)呈現(xiàn)出各個(gè)程序塊。也就是說(shuō)，必須在每一個(gè)選項(xiàng)卡中添加一個(gè)圖形視圖框架來(lái)顯示場(chǎng)景。但是這樣做將會(huì)使程序的內(nèi)存開(kāi)支大大增加，故本文結(jié)合場(chǎng)景的無(wú)限大特點(diǎn)，將場(chǎng)景進(jìn)行認(rèn)為的劃分。其劃分結(jié)果如圖3所示。通過(guò)以上的場(chǎng)景劃分，可以在同一個(gè)場(chǎng)景中完成所有程序快的顯示，大大節(jié)省了程序的內(nèi)存開(kāi)支。

3 梯形圖編輯實(shí)現(xiàn)

在梯形圖編程語(yǔ)言中，為了讓程序的可讀性增強(qiáng)。一般將梯形圖程序劃分成多個(gè)程序段組成。在本文的設(shè)計(jì)中，一個(gè)程序段由以下4部分組成：程序段序號(hào)區(qū)、程序注釋、程序段、左母線、分割線。在Qt的圖形視圖框架下，重寫(xiě)QGraphicsObject來(lái)實(shí)現(xiàn)程序段。同時(shí)采用C++的多態(tài)特性結(jié)合QPainter來(lái)重寫(xiě)梯形圖語(yǔ)言的常開(kāi)觸點(diǎn)、觸閉觸點(diǎn)、定時(shí)器等圖元.其繼承關(guān)系如圖4所示。

從圖中可以看出，程序段中的所有元素都繼承自QGraphicsItem。結(jié)合C++的RTTI（運(yùn)行時(shí)類型識(shí)別），就可以把所有的程序段存入以QGraphicsItem為元素的鏈表結(jié)構(gòu)中（即QList）。當(dāng)用戶在動(dòng)態(tài)的輸入程序段的注釋或改變程序段中的元素使得程序段的總高度發(fā)生變化時(shí)，必須改變?cè)摮绦蚨魏竺娴某绦蚨蔚奈恢谩榱私鉀Q這一個(gè)問(wèn)題，采用Qt的信號(hào)與槽機(jī)制。當(dāng)程序段的高度發(fā)生改變時(shí)候，發(fā)送相應(yīng)的高度的改變信號(hào)。同時(shí)在QMainWindow中重寫(xiě)位置跟新函數(shù)就能夠完美的解決這個(gè)問(wèn)題。其中值得注意的是，程序段的注釋高度該表能夠激發(fā)自身的高度變化函數(shù)。這并不會(huì)使得程序段的高度變化信號(hào)發(fā)射。所以就必須在次應(yīng)用信號(hào)與槽機(jī)制的另一個(gè)特性：信號(hào)的連鎖發(fā)射。通過(guò)connect函數(shù)，使得在一個(gè)信號(hào)發(fā)射的同時(shí)發(fā)射另外一個(gè)信號(hào)。到此為止，一個(gè)基本的PLC編程軟件基本開(kāi)發(fā)完畢（如圖5所示），其基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然還有許多需要改進(jìn)的地方。

4 總結(jié)

本文以C++語(yǔ)言為基礎(chǔ)，結(jié)合Qt跨平臺(tái)應(yīng)用程序框架，主要應(yīng)用Qt圖形視圖框架以及C++語(yǔ)言的運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)類型識(shí)別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PLC梯形圖編程軟件的框架設(shè)計(jì)以及程序編輯的基本功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此軟件可以運(yùn)行在Linux和Windows平臺(tái)上，對(duì)于今后開(kāi)發(fā)跨平臺(tái)的PLC應(yīng)用程序有一點(diǎn)的貢獻(xiàn)作用。

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