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    一、引言

    順序功能圖（SFC）是一種圖形化的組態(tài)語(yǔ)言，主要應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制上位策略組態(tài)程序的編寫，在PLC系統(tǒng)和系統(tǒng)上位組態(tài)軟件中廣泛使用。隨著4C技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域自動(dòng)化程度的日益提高，控制系統(tǒng)上位圖形化的編程模式也越來(lái)越受到用戶的青睞。開(kāi)發(fā)SFC組態(tài)軟件具有非常現(xiàn)實(shí)的意義[1，2]。

    二、SFC的功能和組成

    SFC是采用圖形化的方法來(lái)描述一個(gè)控制程序的順序行為，基于Petri網(wǎng)和IEC848標(biāo)準(zhǔn)Grafce，但又做了必要的修改。將一個(gè)程序內(nèi)部組織加以結(jié)構(gòu)化，在保持其總貌的前提下將一個(gè)控制問(wèn)題分解為若干個(gè)可管理的部分，由“步”（step）和“轉(zhuǎn)換點(diǎn)”（transition）所組成，每個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)具有一定的邏輯條件。每一個(gè)步中所實(shí)現(xiàn)的功能可以用其他幾種語(yǔ)言，如FBD、LD、ST和IL來(lái)描述。

    三、SFC組態(tài)軟件圖形系統(tǒng)的構(gòu)成

    SFC為用戶提供了方便、快捷和直觀的圖形化編程模式，其圖形系統(tǒng)是整個(gè)組態(tài)軟件的核心所在筆者所開(kāi)發(fā)的SFC組態(tài)軟件圖形系統(tǒng)具備下面組成部分，如圖1所示。

圖1 組態(tài)軟件圖形系統(tǒng)的構(gòu)成

    （1）視覺(jué)效果良好的編輯窗口。為了給用戶一個(gè)清新直觀的程序編寫環(huán)境，編輯窗口應(yīng)當(dāng)給用戶一個(gè)良好的視覺(jué)效果。

    （2）用戶工具欄。

    （3）用戶右鍵快捷菜單。

    （4）水平、垂直標(biāo)尺。水平及垂直標(biāo)尺的設(shè)置便于用戶在編輯器內(nèi)導(dǎo)航，同時(shí)具有整行選擇和整列選擇的功能。

    四、SFC圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

    （一）語(yǔ)言元素管理模式的確定

    SFC圖形系統(tǒng)的管理，主要是解決語(yǔ)言元素單體及宏體的添加、刪除、移動(dòng)等操作所帶來(lái)的對(duì)象管理問(wèn)題。有兩種模式可供選擇：一維線性模式和二維平面模式。在存儲(chǔ)管理上，都是使用鏈表和數(shù)組，區(qū)別在于根對(duì)語(yǔ)言元素對(duì)象的查找、定位的機(jī)制上。

    1．一維線性模式

    該管理模式下，全部的語(yǔ)言元素對(duì)象分布到幾個(gè)不同類型的鏈表和數(shù)組中存儲(chǔ)，查找、定位某個(gè)類型的語(yǔ)言元素對(duì)象時(shí)，直接使用鏈表本身和數(shù)組本身進(jìn)行操作：使用查找或遍歷的方法得到滿足條件的語(yǔ)言元素對(duì)象。這種模式節(jié)省內(nèi)存占用，程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)便。但語(yǔ)言元素對(duì)象較多時(shí)運(yùn)行的效率不高。

    2．二維平面模式

    在這種管理模式下，除了將全部的語(yǔ)言元素對(duì)象分布到幾個(gè)不同類型的鏈表和數(shù)組中存儲(chǔ)以外，還在內(nèi)存中建立一個(gè)“網(wǎng)格地圖”（GridMap）用以形成從各元素在編輯區(qū)域的顯示位置到其內(nèi)存分布的邏輯地址的映射。使用查找、定位某個(gè)類型的語(yǔ)言元素對(duì)象時(shí)使用網(wǎng)格地圖在內(nèi)存中快速定位相應(yīng)的語(yǔ)言元素對(duì)象。這種模式占用較多的內(nèi)存；但當(dāng)語(yǔ)言元素對(duì)象較多時(shí)可大大提高了軟件運(yùn)行的效率，方便了對(duì)語(yǔ)言元素對(duì)象的管理。

    考慮到軟件運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)用戶對(duì)語(yǔ)言元素的各種操作，對(duì)語(yǔ)言元素的內(nèi)存定位運(yùn)算非常頻繁，由此決定的軟件運(yùn)行的效率是一個(gè)很重要的指標(biāo)，而一般的SFC程序規(guī)模通常不是很大，所以在本軟件中選擇和確定了使用二維平面式的語(yǔ)言元素管理模式。網(wǎng)格信息的圖形表征如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格信息的圖形表征

    根據(jù)SFC的編程規(guī)則，每個(gè)網(wǎng)格最多只能存放3個(gè)語(yǔ)言元素。因此，將網(wǎng)格劃分為上、中、下3個(gè)部分，每個(gè)部分都存儲(chǔ)有關(guān)該處語(yǔ)言元素的2個(gè)重要的描述信息：該處語(yǔ)言元素的類型及該處語(yǔ)言元素在相應(yīng)鏈表和數(shù)組中的索引值。

    （二）基本語(yǔ)言元素的操作

    1．語(yǔ)言元素對(duì)象的選擇、添加、刪除、屬性修改、單體及宏塊的移動(dòng)

選擇操作：包括單擊、“橡皮筋”拖動(dòng)、通水平或垂直標(biāo)尺、編輯區(qū)域左上角的快捷按鈕等途徑實(shí)現(xiàn)。
添加操作：從語(yǔ)言工具箱中選擇某個(gè)語(yǔ)言元素，在客戶編輯區(qū)域內(nèi)單擊，即可在相應(yīng)的語(yǔ)言元素對(duì)象數(shù)組中添加一個(gè)新個(gè)體，自動(dòng)配置對(duì)象的某些數(shù)據(jù)（如網(wǎng)格位置坐標(biāo)、選擇狀態(tài)等）。
刪除操作：使用鍵盤、“編輯”菜單或右鍵快捷菜單可以實(shí)現(xiàn)選中對(duì)象的刪除。
屬性配置和修改：通過(guò)“屬性配置”修改“對(duì)話框完成語(yǔ)言元素的屬性配置和修改。
移動(dòng)操作：包括語(yǔ)言元素對(duì)象單體的移動(dòng)和多個(gè)對(duì)象構(gòu)成的宏體的移動(dòng)。由于SFC編程有著一定的規(guī)則，因此各語(yǔ)言元素之間的相對(duì)位置要遵守一套相當(dāng)復(fù)雜的規(guī)則（如兩個(gè)步不能直接相連等），不能夠隨意放置。因此，在設(shè)計(jì)上不但要對(duì)規(guī)則作全面的考慮，而且要以方便用戶操作為準(zhǔn)則。
    2．“分支”及“匯合”元素的動(dòng)態(tài)伸縮

    SFC語(yǔ)言元素中的“分支”（branch）及“匯合”（joint）元素具有不同于其他語(yǔ)言元素的特性。因?yàn)檫@兩種元素可以具有多個(gè)引出點(diǎn)（“分支”可以有多個(gè)分支點(diǎn)，“匯合”可以有多個(gè)匯合點(diǎn)），所以在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)使其具有動(dòng)態(tài)伸縮的功能。

    （三）語(yǔ)言元素之間的自動(dòng)連接功能

    SFC語(yǔ)言元素中的某些元素之間是可以直接連接的，即：設(shè)有任意兩個(gè)語(yǔ)言元素A、B，元素A在編輯區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格坐標(biāo)位置為（x，y，z1），元素B在編輯區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格坐標(biāo)位置為（x，y+1，z2）。其中z1、z2為網(wǎng)格內(nèi)的層次值（0，1，2分別表征上、中、下三個(gè)層次），z1、z2的取值使得A和B在網(wǎng)格圖上不直接相鄰。當(dāng)A、B滿足一定的條件時(shí)，在A和B之間可以進(jìn)行直接連接。

    SFC的多種語(yǔ)言元素之間都具有直接連接的性質(zhì)。本設(shè)計(jì)中采用規(guī)則庫(kù)算法，當(dāng)添加、移動(dòng)某個(gè)語(yǔ)言元素后，檢測(cè)該元素的上、下網(wǎng)格內(nèi)是否存在可以直接連接的元素；如果有則在兩個(gè)元素之間自動(dòng)形成。

    （四）語(yǔ)言元素功能組

    為提高用戶使用編程的效率，將若干個(gè)語(yǔ)言元素組合，構(gòu)成語(yǔ)言元素功能組，以宏塊的形式提供給用戶使用，如步―轉(zhuǎn)換功能組、分支―匯合功能組。通過(guò)設(shè)置組的規(guī)模得到包含有不同數(shù)量語(yǔ)言元素的功能組。

    （五）長(zhǎng)連接功能

    在用戶編程過(guò)程中，SFC語(yǔ)言元素的分布并非都是網(wǎng)格間直接相鄰的。例如，任意兩個(gè)語(yǔ)言元素A、B，A在編輯區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格坐標(biāo)位置為（x，y，z1），B在編輯區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格坐標(biāo)位置為（x，y+n，z2）（n≥2）。當(dāng)A、B之間滿足可連接條件時(shí)，則在A、B之間可以構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)連接。

    1．連接方向的判斷。根據(jù)用戶在連線起點(diǎn)元素的鼠標(biāo)輸入位置來(lái)判斷用戶要實(shí)現(xiàn)的連線的方向。無(wú)須將鼠標(biāo)輸入位置精確定位到元素的連接端子上，只需處于元素塊的上、下區(qū)域內(nèi)就可以由軟件自動(dòng)判斷用戶要實(shí)現(xiàn)的連線方向。

    2．自動(dòng)判斷是否可以連接終點(diǎn)元素。當(dāng)確定了連接起點(diǎn)后，使用智能算法自動(dòng)判斷鼠標(biāo)當(dāng)前位置元素是否可為連接終點(diǎn)元素，并通過(guò)鼠標(biāo)光標(biāo)變形提示用戶。

    3．可視化的連線設(shè)計(jì)。

    4．用戶模糊輸入支持。

    用戶無(wú)須將鼠標(biāo)輸入位置精確定位到元素的連接端子上，只需處于元素塊的上、下區(qū)域內(nèi)并確定后，就可以由軟件將連線精確連接到元素的上或下連接端子上。

    （六）剪貼板功能和OLE拖放

    為便于用戶的操作，提供了對(duì)SFC各語(yǔ)言元素的剪貼板和拖放功能支持，使用戶可以在多個(gè)SFC組態(tài)子窗口中方便快捷地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和共享。

    （七）文字注釋功能

    在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上將文字注釋功能與SFC語(yǔ)言元素功能分開(kāi)并分別管理。在顯示模式上，采用了兩個(gè)圖層：處于頂層的SFC語(yǔ)言元素層和處于底層的用戶注釋層，通過(guò)可選的圖層切換功能可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)圖層的顯示和隱藏。文字注釋功能包括添加、刪除、移動(dòng)、注釋等。在編輯區(qū)域內(nèi)對(duì)文字注釋進(jìn)行的操作不影響語(yǔ)言元素。

    五、SFC圖形系統(tǒng)基于VC++的實(shí)現(xiàn)

    使用VC++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)組態(tài)方案。VC++所具有的高度友好的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和功能強(qiáng)大的大大提高了用戶進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)的效率。限于篇幅，在此只給出功能設(shè)計(jì)中一些較為重要的項(xiàng)目的VC++實(shí)現(xiàn)[3]。

    （一）基本語(yǔ)言元素對(duì)象的構(gòu)造

    使用C++描述，將語(yǔ)言元素抽象成C++類。構(gòu)造1個(gè)基類和7個(gè)由此基類派生的子類，分別對(duì)應(yīng)于SFC中的7種基本語(yǔ)言元素。基類CSFCComponent描述了圖形系統(tǒng)中的SFC語(yǔ)言元素的基本特性：

    Class CSFCComponent
    {
    Public：
          BYTE m_Grid Y；//網(wǎng)格坐標(biāo)X
      BYTE m_Grid X；//網(wǎng)格坐標(biāo)Y
          Bool m_bSelected；//選擇狀態(tài)
          CSFCComponent（）；
      virtual~CSFCComponent（）；
    }；

    步、轉(zhuǎn)換和跳轉(zhuǎn)3種語(yǔ)言元素具有較大相似性，除了繼承CSFCComponent的全部屬性外，還各自具有其他特有的屬性，以下以步的構(gòu)造為例。
   
    步對(duì)象的構(gòu)造：

    Class CSFCSterx putlic CSFCComponent
    {
    public
            …//步對(duì)象的其他屬性
            Void Draw（CDC* pdc，int index，int grid_width,，int grid_height）；
          CSFCStep（）；
          vitual~CSFCStep（）；
    }；

    并行分支、并行匯合、單行分支和單行匯合具有較大相似性。以下以并行分支的構(gòu)造為例。

    Class CSFCParallelbranch public CSFCComponnet
    {
    Public
    Void Draw（CDC* pdc，int grid_width，int grid_height）；
            BYTE m_GridNum；//跨越的格數(shù)
           CSFCParallelbranch（）；
      virtual~CSFCParallelbranch（）；
    }；
   
    連接對(duì)象是一種較為特殊的對(duì)象，實(shí)現(xiàn)各語(yǔ)言元素之間的連接。如下構(gòu)造：

    Class CSFCLink
    {
    public
          void Draw（CDC* pdc，int grid_width，int grid_height）；
          BYTE gridx;//所連接的語(yǔ)言元素的位置坐標(biāo)；
          BYTE gridy_upper，gridy_lower；//所連接的語(yǔ)言元素上、下的位置坐標(biāo)
          BYTE layer_upper，layer_lower；//所連接的
   
    語(yǔ)言元素的網(wǎng)格層次值：
          CSFCLink（）；
          virtual~CSFCLink（）；
    }；

    （二）語(yǔ)言元素對(duì)象二維平面管理模式的實(shí)現(xiàn)

    構(gòu)造如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表征網(wǎng)格地圖中的網(wǎng)格信息。

    Type def strict GRID_INFO
    {
        Selector component_type[3]；//語(yǔ)言元素的類型，3個(gè)元素分別表示網(wǎng)格的上、中、下3個(gè)層次；
    WORD array_index[3]；//語(yǔ)言元素在其相應(yīng)類型的鏈表或數(shù)組中的索引值，作為語(yǔ)言元素在內(nèi)存的邏輯地址使用，3個(gè)元素分別表示網(wǎng)格的上、中、下3個(gè)層次內(nèi)的語(yǔ)言元素在相應(yīng)數(shù)組中的索引值；
    }；
 
    此網(wǎng)格地圖就構(gòu)成了從各元素在編輯區(qū)域的顯示位置到其內(nèi)存分布的邏輯地址的映射。其中selector為SFC語(yǔ)言元素選擇子，枚舉類型，如下定義。

    Typedef enum selector{

    null，mouse_select，step，transition，parallel_branch，parallel_joint，alternative_branch，alternative_joint，jump，link，text step_transition_group，transition_step_group，alternative_group，text_move，text_rubberbcandselect，longlink_cut}；

    當(dāng)用戶在SFC語(yǔ)言元素工具箱中選擇不同的語(yǔ)言元素時(shí)，當(dāng)前選擇子變量取不同的值。
   
    網(wǎng)格的集合即構(gòu)成網(wǎng)格地圖，網(wǎng)格地圖如下定義：

    GRID_INFO**m_GridMap

    其程序?qū)崿F(xiàn)為：

    This->m_GridMap=（GRID_INFO**）：：malloc（size of（void*）*this->m_gridy_num）；
    for（int y=0；y<=this->m_gridy_num-1；y++）
    {
        this->m_GridMap[y]=（GRID_INFO*）：：malloc（size of（GRID_INFO）*this->m_gridx_num）；
    }

    //初始化格圖：

    for（y=0；y<=this->m_gridy_num-1；y++）
    {
           ::memset（this->m_GridMap[y]，0，size of（GRID_INFO）*this->m_gridx_num）；
    }

    （三）剪貼板功能和OLE拖放的實(shí)現(xiàn)

    在SFC組態(tài)器工程中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SFC基本語(yǔ)言元素和文本注釋對(duì)象的剪貼板功能和OLE拖放，鑒于SFC基本語(yǔ)言元素和文本屬于兩種不同的范疇，因此對(duì)于其剪貼板及的操作采用了兩種不同的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模式。文本的剪貼板及OLE操作采用Windows系統(tǒng)級(jí)定義的剪貼板格式實(shí)現(xiàn)進(jìn)程內(nèi)以及進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)傳輸和共享，該技術(shù)已經(jīng)比較成熟，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也較為簡(jiǎn)單；而對(duì)于基本語(yǔ)言元素所構(gòu)成的數(shù)據(jù)對(duì)象而言，其數(shù)據(jù)格式是自定義的，不在系統(tǒng)級(jí)剪貼板格式范疇內(nèi)，需要使用自定義的數(shù)據(jù)傳輸格式[4]。

    經(jīng)研究分析和實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)剪貼板格式以外的數(shù)據(jù)共享，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

    （1）自定義一種剪貼板格式，用以標(biāo)識(shí)用戶要進(jìn)行的剪貼操作和存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)區(qū)域在系統(tǒng)中的地址。

    （2）實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)生成者與使用者間的數(shù)據(jù)共享協(xié)議，對(duì)放入到剪貼板上的實(shí)體數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行了自定義。

    SFC組態(tài)器中的數(shù)據(jù)類型多且內(nèi)容比較復(fù)雜，各元素之間要遵守嚴(yán)格的邏輯排序規(guī)則，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)剪貼板和OLE拖放功能時(shí)要作全面的考慮。除了要將用戶當(dāng)前選中的SFC組件拷貝和剪切到剪貼板上外，還應(yīng)將拷貝和剪切前的元素連接及排序位置一同記錄到剪貼板上。以此為出發(fā)點(diǎn)，在本工程中，自定義了一種名為“sfc_selected_components”的剪貼板格式。

    在拷貝/剪切操作時(shí)，按照下面步驟實(shí)施：①注冊(cè)剪貼板格式；②打開(kāi)剪貼板；③清空剪貼板；④根據(jù)要操作的對(duì)象數(shù)據(jù)計(jì)算要使用的全局內(nèi)存量；⑤釋放上次分配的內(nèi)存，分配本次操作所需的內(nèi)存；⑥存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；⑦關(guān)閉剪貼板。

    OLE拖放技術(shù)的實(shí)現(xiàn)較剪貼板而言，其數(shù)據(jù)存取的原理基本相同，但形式更加簡(jiǎn)潔，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的系統(tǒng)全局地址的傳遞的表達(dá)方式上有所不同。另外，OLE拖放協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，不涉及與其他數(shù)據(jù)類型的兼容性問(wèn)題[5]。

    （四）文字注釋功能

    文字注釋對(duì)象如下構(gòu)造：

    Class CText
    {
    Public：
            CRect m_rec；//以滾動(dòng)大坐標(biāo)系為準(zhǔn)，不以局部小坐標(biāo)系為準(zhǔn)
            DWORD text_color；
            LOGFONT if；//記錄文字顯示所使用的字體數(shù)據(jù)
            Bool m_bSelected；//是否選中：缺省false
            CPoint top_left；//記錄文字的左上角位置
            CString text；//文字內(nèi)容，缺省為空
            CRect jisuan_rect（CPoint，point，int hangshu，CString longest_str，CDC* pdc）；
            Void draw（CDC* pdc）；
            CText（）；
            virtual~CText（）；
    }；
        Class CSFCText public CText
    {
    public：
            void draw（CDC* pdc）；
            CSFCText（）；
            virtual~CSFCText（）；
    }

    文字注釋對(duì)象的復(fù)制、剪切和粘貼操作在CSF-CView的CopyText、CutText和PasteText函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。

    六、結(jié)束語(yǔ)

    以上所述SFC組態(tài)軟件圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和基于VC++的實(shí)現(xiàn)都已在筆者開(kāi)發(fā)的“WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)上位策略組態(tài)軟件”的SFC子系統(tǒng)中全部實(shí)現(xiàn)，并已應(yīng)用于對(duì)WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的工程組態(tài)。實(shí)踐表明，依據(jù)這一方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的SFC組態(tài)軟件組態(tài)方式靈活、易于維護(hù)，在人機(jī)界面上面向用戶、高度友好、簡(jiǎn)便直觀，大大提高了用戶組態(tài)編程的效率，具有較大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

    參考文獻(xiàn)

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    [2] 方來(lái)華,吳愛(ài)國(guó),何熠.組態(tài)軟件核心技術(shù)研究[J].化工自動(dòng)化及儀表,2004,(1).
    [3] 齊舒創(chuàng)作室.VC++6.0開(kāi)發(fā)技巧與實(shí)例剖析[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.
    [4] 新編WINDOWS API參考大全編寫組.新編WINDOWS API參考大全[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.
    [5] 潘愛(ài)民.COM原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.