基于STL的软PLC系统设计
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题背景 ..................................................... 1
§1.2 课题的提出 ................................................... 2
§1.3 国内外研究现状 ............................................... 2
§1.4 课题研究的主要内容 ........................................... 3
§1.5 STL 介绍 ..................................................... 4
§1.5.1 容器 .................................................... 4
§1.5.2 迭代器 .................................................. 5
§1.5.3 算法和函数对象 .......................................... 5
第二章 软 PLC 系统结构设计 ............................................ 7
§2.1 传统 PLC 工作原理 ............................................ 7
§2.2 软 PLC 系统结构与技术方案 .................................... 8
§2.2.1 系统结构 ................................................ 8
§2.2.2 技术方案 ................................................ 9
§2.3 IEC61131－3 标准 ............................................. 9
第三章 梯形图的处理算法 ............................................. 12
§3.1 基本编程原则及梯形图扫描顺序 ............................... 12
§3.1.1 基本编程原则 ........................................... 12
§3.1.2 梯形图扫描顺序 ......................................... 13
§3.2 梯形图数据结构 ............................................. 13
§3.2.1 双向链表 ............................................... 15
§3.2.1.1 经典数据结构中的双向链表 ............................15
§3.2.1.2 STL 中的 List ........................................16
§3.2.2 行双向链表的数据结构 ................................... 17
第四章 梯形图与语句表的相互转化 ..................................... 19
§4.1 图论 ....................................................... 19
§4.1.1 图的定义 ............................................... 19
§4.1.2 AOV (Activity on Vertex Network) 图 .................... 20
§4.1.3 图的存储 ............................................... 20
§4.2 梯形图指令与语句表指令 ..................................... 20
§4.3 梯形图向语句表的转化 ........................................ 21
§4.3.1 梯形图抽象为 AOV 图 ..................................... 21
§4.3.1.1 顶点扫描 ............................................22
§4.3.1.2 弧扫描 ..............................................23
§4.3.1.3 拓扑排序 ............................................25
§4.3.2 转化算法 ............................................... 26
§4.3.3 转化实例 ............................................... 30
§4.4 语句表向梯形图的转化 ........................................ 32
§4.4.1 转化算法 ............................................... 32
§4.4.2 转化实例 ............................................... 33
第五章 语句表语言编译系统 ........................................... 35
§5.1 编译原理 ................................................... 35
§5.1.1 概述 ................................................... 35
§5.1.2 编译程序构造 ........................................... 36
§5.2 编译系统的语法错误检查 ..................................... 37
§5.3 逆波兰表示 ................................................. 38
§5.4 由语句表生成目标代码 ....................................... 39
§5.4.1 语句表生成目标代码的算法 ............................... 39
§5.4.2 语句表生成目标代码实例 ................................. 40
§5.5 解释程序 ................................................... 41
第六章 底层驱动 ..................................................... 43
§6.1 软 PLC 工具包的工作模式 ..................................... 43
§6.1.1 编辑编译模式 ........................................... 43
§6.1.2 离线仿真模式 ........................................... 43
§6.1.3 在线状态监控模式 ....................................... 43
§6.2 底层驱动部分的工作体制 ..................................... 44
§6.3 应用实例 ................................................... 44
§6.3.1 数据处理过程实例 ....................................... 44
§6.3.2 基于软 PLC 的目标系统控制实例 ........................... 46
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景
可编程控制器，简称 PLC（Programmable Logic Controller）,是指以计算机技
术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会 IEC（International
Electrical Committee）颁布的 PLC 国际标准第三稿中对 PLC 做了如下定义：“PLC
是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以
编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和
算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型
的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成
一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”
1969 年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序控制器(PLC)，
并在 GM
（通用汽车）公司汽车生产线上首次应用成功。作为通用工业控制计算机，
几十年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的
飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到
大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任
务的跨越。其使用情况大致可归纳为如下几类：
（1） 开关量的控制
这是 PLC 最基本，最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑
控制、顺序控制。
（2）模拟量的控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速
度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）
和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。
（3）运动控制
PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接
用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模
块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算
基于 STL 的软 PLC 系统设计
2
机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环
控制系统中用的较多的调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等
场合有非常广泛的应用[1]。
（5）数据处理
现代 PLC 具有数学运算、数据传送、数据转换等功能，可以完成数据的采集、
分析和处理。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也
可用于过程控制系统[2]。
§1.2 课题的提出
然而 PLC 的一些弊端却制约了其发展：1.PLC 的软、硬体系结构封闭而不开
放：如专用总线、通信网络协议、各模块不通用，甚至机柜、电源模块亦各不相
同。2.编程语言虽多数是梯形图，但其组态、寻址、语言结构都不一致，各厂家的
PLC 并不能兼容。近年来，随着标准 IEC61131－3的推广和工控技术对开放式结
构的要求，使得 PC 有可能替代传统 PLC，成为新型的 PLC－软 PLC[3]。
软PLC（SoftPLC）是基于 IPC 或EPC 的开放结构的控制系统。它具有硬 PLC
在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点,利用软件技术可将标准的工业
PC 转换成全功能的 PLC 过程控制器。软 PLC 综合了计算机和 PLC 的开关量控
制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网络等功能,通过一个多任务控制内
核,提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和连接各种 I/O 系
统及网络的开放式结构。软 PLC 提供了与传统 PLC 同样的功能,而同时具备了
PC 环境的各种优点。和传统 PLC 相比，软 PLC 采用开放式结构，将 PLC 软件开
发工具与系统硬件分离，解除了硬件设备对软件的制约[4]。充分利用 PC 机资源，
提供了高速数据处理能力和强大网络功能。可以满足今后控制系统开放性和柔性
的要求，简化了工厂自动化的体系结构，将控制﹑通信等功能融为一体。具有广
阔的应用前景。
§1.3 国内外研究现状
国外研究软 PLC 的时间较早，同传统 PLC 的发展一样，欧美国家同样走在软
PLC 世界的前面，出现了不少典型的产品。
○
1SoftPLC 公司的 SoftPLC
SoftPLC 从DOS 装入，在计算机内存里转入多任务控制内核运行。它并不是一
第一章 绪论
3
个DOS 应用，是一个 32 位，多任务的操作系统。当它装入内存，就具有最高优
先级，始终控制 CPU。符合 61131－3标准，并可运用 C/C++、Java 编程。此外，
SoftPLC 内嵌 Web 和FTP 服务器，用户克进行远程维护和监控[5]。
○
2CJ international 公司的 ISaGRAF
ISaGRAF 为法国 CJ 公司所开发的符合 IEC61131－3、具有独立于 PLC 硬件实
现、包括逻辑控制的软件模型、数据模型，并继承了模拟信号处理功能的过程监
控软件。由两大部分组成：在 PIE 等实时现场设备或 I/O 板卡上运行的“核心软件”
和在以太网上运行的工作站软件。
○
3倍福公司的 TwinCAT
TwinCAT PLC 运行在 Windows 系统下，包括编程环境和运行系统。允许在一
个PC 上实现 4个虚拟“PLC CPU”，每个可最多运行 4个用户任务。编程符合 61131-3,
独立于制造商。带有方便的编辑器和快速的编译器。增量式编译防止了较长的编
译周转时间，只编译更新的内容。
○
4西门子公司的 SIMATIC
SIMATIC WinAC 采用了 VenturCom 公司提供的实时操作系统作为 Windows NT
扩展，具有“硬实时”的特性。WinAC 具有开放的开发环境，支持用户在控制程
序中嵌入 C/C++代码，能够访问外部硬件和软件组件。并提供标准的 ActiveX 控件
用于标准化软件包(如Visual Basic 或Office)对过程数据实时存取。
在可预见的将来，我国并不能形成较大规模的硬 PLC 制造业，并达到世界先进
水平。软 PLC 充分利用软硬件资源，采用开放式结构，这样就避免了制约我国传
统PLC 硬件可靠性差的制约，使我国在技术上和国外处于同一起跑线上，投入较
少资金，在较短时间内可达到与世界同步的水平。北京亚控公司推出的 KingCAT
内嵌 80 多个标准模块，提供了仿真调试和远程监控、操作等功能。沈阳自动化研
究所研制的 NCS-SoftPLC，由一虚拟机（Virtual Machine）代替硬 PLC 中的 CPU
完成读取、解释、执行指令等功能。其编程环境由图形编辑器和编译系统组成。
§1.4 课题研究的主要内容
1．收集国内外有关软 PLC 方面的资料，了解目前软 PLC 的发展状况、趋势
及设计思想。
2．系统界面设计，分析研究各大公司 PLC 编程软件的界面，取长补短，综合
利用，构造软 PLC 人机界面。重点考虑直观，操作方便。
3．梯形图编辑器设计与实现。研究解决梯形图的数据描述问题。采用的方法
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作者：陈辉
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