对于PLC编程，哪种IEC 61131-3编程语言最适合？

图片来源：ControlSphere Engineering

作者 | Gary L. Pratt

“

有这么多可编程逻辑控制器（PLC）编程语言和标准可供选择，对于自动化和控制应用而言，最适合的选择是什么？

”

可编程逻辑控制器（PLC）有很多编程语言可供选择。有种说法，标准的伟大之处在于有很多选择！尽管这很讽刺，但在IEC 61131-3编程语言中，有多种语言标准可供选择确实是一个优势。

在参加我的培训班时，很多学生抱着这样一种心态：选择最适合自己的语言，然后专门学习该语言。上课伊始，他们经常会问我会推荐适用哪种语言。或者，“最好的语言是哪个？”

我没有回答，问他们一个问题：“在阿拉伯数字中，哪个数字最好？”或“英语中，哪个词最好？” 再比如：办公室软件中，哪个工具最好？是文档编辑器、演示文稿编辑器，还是电子表格编辑器？虽然可以使用文档编辑器创建演示文稿和电子表格，但这是正确的方法吗？

使用一种工具实现多种目的，需要学习各种技巧，这是否值得付出？仅学习该工具对工作有用的主要功能，是不是更有效？与办公软件一样，为应用选择最佳编程语言是最有效的，可以避免很多麻烦。当使用的IEC 61131-3编程语言能够充分发挥其语言的优势时，PLC的编程和维护功能就会得到加强。

▎ 图1：IEC 61131-3编程语言提供了适合特定需求的语言。图片来源：ControlSphere Engineering

梯形图编程

梯形图（LD）编程的历史，可以追溯到大约100年前的继电器梯形逻辑（RLL），它主要用于描述电气元件系统（如继电器、计时器和电动机）。在自动化时代初期PLC逐步替换继电器和计时器时，创建一种用户熟悉并与被替换的工具相似的编程语言非常重要。

不幸的是，控制器变得越来越强大，能够实现的功能也已经远远超过继电器和计时器，LD语言被用于各种新的场景，而这并不是LD所擅长的，因此效果也不是特别理想。

PLC供应商提供新的、更适合PLC和可编程自动化控制器（PAC）应用的语言的速度比较缓慢，使这种情况进一步恶化。对于源自北美的控制器而言尤其如此，这可以解释在全球范围内，LD持久受欢迎的程度为什么会有所差异。

LD编程的优势是什么？为什么它能持久受欢迎？关键就是图形化。而通常来说工程师是更倾向于图形化思维的。

起初，大多数LD编程的替代方法都是基于文本的语言，这些语言与工程师的图形化思维不会产生共鸣，其结果就是不愿从LD转向其它语言。幸运的是，这种情况正在发生变化。

LD仍然是一门伟大的语言，它的初衷是执行复杂的布尔逻辑。在这个领域内，LD逻辑易于设计且易于调试。要确定为什么结果与预期不符，有多容易？在LD语言中，只需要观察蓝色实心触点的路径在何处中断就可以快速获得答案。

▎ 图 2 ：该图比较了在 Codesys 中实现复杂布尔逻辑的不同语言

顺序功能图编程

顺序功能图（SFC）是一种图形语言，非常适合表示状态机（state machine），并且像LD语言一样，它吸引了工程师的图形化思维天性。

状态机的历史可以追溯到很多年前，但是直到最近才被用于工业编程。状态机是表示系统行为的一种非常强大的方法，可用于表达行为取决于过去历史记录的系统逻辑，例如：

1.设置线圈或复位线圈；

2.封装逻辑（布尔反馈）；

3.由代码设置的内部标志，用于决定未来的行为。

实际上，即使是简单的TON On-Timer和R-Trig one-shot都是状态机。它们的下一个行为取决于先前的输入和行为。与其它编码技术相比，状态机具有许多优势：

1.它们易于设计，因为它清楚地描述了系统可能的状态，系统如何在这些状态之间转换，系统在这些状态下应采取的行动。

2.在运行时，可以很容易地确定系统处于什么状态，在该状态下正在做什么，以及在什么条件下系统会切换到下一个状态（或者过程中出了什么问题，导致无法切换到下一个状态）。

3.促进构思周密且组织良好的设计。这样可以确保所有可能的事件都已得到妥善处理（就不会有人半夜三更把你从床上叫起来，去修复无法正确处理异常工况的代码）。

4.易于确定是否已经测试了所有可能事件。只需打印出SFC，并在执检查时划掉每个状态和切换条件即可。完成所有工作后，测试就完成了（程序员的置信度为100％）。

▎ 图3：该图显示了顺序功能图的编程组件

如何实现状态机？

几乎任何语言都可以实现状态机，但它们都需要特定的编码技术，包括步（step）、转换（transition）、分支/跳转（branch/jump）和动作（action）。

步描述了系统可以驻留的状态；转换指示系统何时应从上一步转移至下一步；分支和跳转指示下一步应该是什么；动作指定在该步期间（进入或退出该步）应执行的操作。

由于其图形化属性和工作的专业性，SFC语言是状态机最自然的选择。对于那些需求异常复杂或要求特别灵活的系统，状态机也可以用基于文本的语言来实现。对于只能使用LD的企业，状态机甚至可以在LD中实现，方法是为每个状态使用一个线圈，转移逻辑为每个线圈通电/断电，将系统从一个状态转移到下一个状态，以及利用使用状态线圈的独立逻辑来执行动作。

一些供应商还可以用统一建模语言（UML）来实现状态图，作为SFC的更强大、更灵活的替代方法，但这需要更长的学习曲线，而且在工业控制领域中的接受度有限。

对于状态机，语言的选择是次要的，所用技术的选择更重要。在SFC中，该语言强制使用状态机技术。在其它语言中，使用的技术取决于工程师制定的规则。

▎ 图4：基于Codesys连续功能图语言，展示了一个基于块的编程设计示例

功能块图编程

功能块图（FBD）是一种图形语言，符合工程师的图形化思维。来自Codesys（以前被称为3S-Smart Software Solutions）的集成开发环境提供了两种FBD，即传统的IEC 61131-3 FBD和类似但更灵活的连续功能块图（CFC），CFC还没有正式成为IEC 61131-3的一部分。CFC是FBD的超集，具有两大优势：

1.基于块的功能编程（执行布尔和数学运算）；

2.分层设计（调用其它功能和功能块）。

1 基于块的编程

基于块的设计由预定义功能组件组成，这些组件连接在一起执行布尔逻辑、数学计算或二者兼而有之。当输出是输入的函数时（换句话说，当没有状态变量，例如布尔反馈、设置/复位线圈或标志时），CFC块编程非常出色。当同时使用无状态功能和基于状态的功能时，请结合使用CFC和SFC。

因为连接性是用功能块之间的线来表示的，所以很容易理解信息流以及信息是如何沿着其路径进行修改的。如果功能开始变得复杂，则应将其分为较小的、更易于管理的子块。如果块之间存在大量连接，则可以将这些线连接至数据结构类型的引脚。

结构引脚（structure pin）具有3个优点：

1.在层次化结构设计中，每个层次都消除了不必要的细节，更清晰易于理解；

2.保持较小的功能块，可以在一页上查看整个信息流；

3.允许信息流向上游和下游，以进一步减少不必要的细节。

对于以前采用LD实施基于块或分层功能的PLC程序员来讲，CFC提供了一种更为简洁和灵活的方法。CFC的开发速度更快，而且对于将来负责维护或改进代码的工程师来说，也更容易理解。

▎ 图5：结构引脚可以减少不必要的细节和混乱，从而增强了图表的可读性。

2 分层设计

分层设计是一种从很多简单的构建块层层设计的实践。与传统的扁平化设计相比，分层设计具有许多优点：

1.定制；

2.创建；

3.测试与完善；

4.理解和维护；

5.易于复用。

构建块技术支持并鼓励在层次结构的每个级别上，展现同等程度的细节，这就使块技术更易于设计和理解。这样，在较高层次的设计中，不必因为展现细节而被弄得杂乱无章，这些细节只在较低层的设计中很重要。在层次结构的每个级别上，分层CFC设计应都具有统一的细节展示。

使用LD作为构建块语言的传统方法会存在2个弊端：

1.信息的低密度导致LD设计可能会分布到数10页上，很难或不可能看到和理解全局；

2.不同层次的细节混杂在同一层次上会十分混乱，这使设计难以理解和维护。

而使用结构化文本的CFC分层设计可以解决这两个问题，同时保持了LD的图形特性。这是个两全其美的解决方案。

分层设计是面向对象的工业编程（OOIP）的关键功能。在部署和配置用户自定义的功能块以后，CFC编程开始与分布式控制系统（DCS）的编程/组态有点类似，但使用IEC 61131-3程序员可以控制底层的块。如果某个块需要较小的改进，程序员就可以执行此操作，而无需费时费力的请DCS供应商介入。

完整的分层PLC设计，可以看作是一棵由分层CFC构成主干和分支的树。基于块的CFC、SFC、LD和ST填充树叶所处位置的详细功能设计。IEC 61131-3语言共同构成了一个团队，该团队比其各个部分的功能更强大。

▎ 图6：此处的分层设计是在连续功能图编程中实现的。

结构化文本编程

尽管LD、SFC和FBD/CFC语言可以出色的完成其任务，但有些运算并不适合使用图形化语言。

一些支持使用结构化文本（ST）语言编程的运算包括：

1.迭代运算，例如For、While和Repeat；

2.复杂条件和选择，例如IF-THEN和CASE；

3.位运算，例如按位与、移位、旋转；

4.文本字符串运算；

5.具有特殊要求或特别复杂的状态机；

6.纯粹的面向对象编程（调用方法，设置属性等）。

有许多很好的教程，可指导工程师从其它基于文本的语言过渡到ST。对于那些完全不熟悉基于文本的语言的人来说，Visual Basic教程是一个很好的起点。尽管结构化文本基于Pascal编程语言，但它与VB有非常相似，因此可以参考应用更广泛的VB教程。

使用最合适的语言编程

要创建有效的工业控制程序，掌握合适的编程语言并知道如何有效使用这些语言非常重要。有很多语言可供PLC选择，IEC 61131-3编程语言标准也提供了多种选择。充分利用每种语言的优势效率会更高，而不是学习一种语言的各种技巧和变通方法来使其适用于所有应用。程序员应为应用选择最佳语言。

盘点全球HMI（人机界面）十大品牌，你用过几种？

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HMI是HumanMachineInterface的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。

一、专业做HMI的品牌：

1、Proface（普洛菲斯）

普洛菲斯国际贸易(上海)有限公司作为日本迪吉多电子股份有限公司(DigitalElectronicsCorporation)投资的公司，以其创新的科技理念和领先的技术意识为全球客户提供可编程人机界面、工业平板式计算机、图形逻辑控制和工业信息终端等产品，帮助广大用户提高整体生产、经营效率。Pro-face这一品牌也在全球范围占主导地位，成为全球HMI行业领袖，在亚洲、美洲、欧洲都占有极高的市场占有率。自2001年在中国成立公司进入中国市场以来，取得了骄人的业绩，赢得了国内工控领域的良好口碑，现已成为业内主导品牌之一。

2、威纶（中国大陆使用的商标）

威纶通科技有限公司（WEINVIEWCO.,LTD）是集研发、生产、制造、销售于一体的金牌人机界面供应商，基于先进的人机沟通技巧和品牌化发展理念，在生产自动化、过程自动化领域提供多种选择的优质人机界面产品、解决方案及服务。WEINVIEW品牌专注于中国HMI市场，已广泛应用于机械、纺织、电气、包装等行业。

威纶通始终用最严格的标准鞭策自身发展：视品质为生命，采用世界先进的仪器设备，运用标准化作业程序执行管制；与国际标准同步，2004年通过国际知名公司SGS的9001-2000验证，2005年获得CE、UL、RoHS认证；做真正地球公民，在行业内率先采用符合先进环保标准的无铅零件和制造工艺，用实际行动为企业道德印上金牌品质保证，一路保持行业领先优势。

十五年的风雨兼程，威纶通已建立起民族工业国际化研发团队，为“金牌人机界面专家”的企业形象和行业权威奠定了坚实基础，通过精英化团队的不断创新升级，必将为更多的客户带来更优质的产品与服务，提升工业效率、降低生产成本，引领整个行业向前迈步，做客户最可靠的优质伙伴，成就“做最值得信赖的企业”愿景，实现永续经营

3、HITECH(海泰克)

HITECH是台湾的一个品牌，在中国大陆称为海泰克。它是台湾泉毅电子股份有限公司的品牌，公司成立于1981年，初期制造用于笔上的电子表。为了将泉毅转型为以技术导向为主的公司，于1984年开始研发制造LCD模组。在当时，泉毅为台湾第一家成功开发LCD模组的厂商。1990年泉毅成立一个新的R&D部门来积极投入应用于工业自动化领域的人机介面（HMI）研发工作。泉毅是台湾第一家将嵌入式系统技术结合LCD模组，自行研发出工业级HMI产品的厂商。经过多年的努力，泉毅已经建立起HMI的自有品牌HMI-HitechPWS系列，销售据点遍及全世界，包括亚洲、美国及欧洲等。其已经被瑞典贝尔收购，已经归入贝尔旗下。其在大陆主要通过天津罗升销售。目前在国内市场占有率比较高，但已经呈下降趋势。

4、BEIJER(北尔)

来自瑞典的BEIJER电子集团，欧洲第一人机品牌，连续3年获得全球工业设计最佳奖IF设计大奖，全系列人机采用铝镁合金外壳设计，纤薄抗干扰能力强，64KTFT真彩显示，画面靓丽清晰，内嵌WinCE操作系统，功能强大，可靠性高，前面板防护等级为IP66，通过UL\DNV\RoHS等多种认证。）技术独立开发商。凭借我们直观的人机界面和信息软件，世界各地的用户很容易与他们所控制的机器和流程进行通信。HMI是BEIJER唯一的业务，自上世纪八十年代起，北尔电子便已成为HMI（人机界面）开发的领军企业。下面所列是BEIJER历史上的一些重大事件。

1981年北尔电子成立。以自动化系统代理商起家，尔后开发出专有控制产品，为公司的HMI业务奠定了基础。1986年北尔电子第一款人机界面MAC-G发布。这是一种采用文本显示屏的手持式人机界面。随后几年推出了其他型号。1996年推出彩色图形显示屏和触摸式显示屏。1997年引入基于TCP/IP的以太网功能。1998年北尔电子成为首家提供具有Web功能的HMI的企业。除了处理电子邮件之外，人机界面还能用作Web服务器，并且可以通过内部网和互联网进行监视和控制。2005年北尔电子成功收购台湾泉毅电子（HitechElectronicsCorp），后者是一家从事HMI开发和销售的台湾公司。2007年北尔电子成功收购Lauer，后者是一家在中欧拥有重要影响力的德国HMI生产商。目前北尔通过天津罗升在在中国市场销售，销售很少。贝尔主要是通过海泰克在开拓中国市场。。

二、有其他产品的品牌：

1、三菱

三菱电机自动化（中国）有限公司是三菱集团工业自动化产品在中国的销售和服务机构，其业务范围覆盖工业自动化和机电一体化产品，包括可编程控制器、触摸屏、变频调速器、交流伺服系统、数控系统等。1966年菱电进入中国，最初是为中国市场提供低压电器产品，其他产品逐步进入中国。目前其PLC有Q系列（中型）、FX系列（小型）、L系列（中大型）HMI有GT10系列、GT15系列、GT11系列、GOT-F900、GOT1000这几个系列三菱FX系列小型PLC进入国内早，目前在中国市场的占有率非常高；目前三菱的HMI基本都是与三菱的PLC配套，其PLC在中国市场的占有率决定了其HMI的使用量也是比较大的；近几年来三菱的HMI被其他品牌的HMI抢占了很多的市场，其HMI的市场占有率下降严重。

2、西门子

西门子股份公司（SIEMENSAGFWB：SIE,NYSE：SI）是世界最大的机电类公司之一，1847年由维尔纳·冯·西门子建立。如今，它的国际总部位于德国慕尼黑。工业自动化与驱动技术集团(IA&DT)是西门子在华业务的支柱，是西门子股份公司中最大的集团之一、西门子工业领域的重要组成部分。在制造自动化、过程自动化及楼宇电气安装领域提供产品、系统、应用和服务。西门子S7-200产品在产业机械上的使用非常广泛，其HMI基本都是与自己的PLC做配套，近几年其HMI被其他品牌抢占了大部分；近期西门子推出SMART系列经济型HMI，是2011年的推广重点。

3、施耐德

19世纪，施耐德电气从事钢铁工业、重型机械工业、轮船建造业；20世纪，从事电力与自动化管理业。在成立的170多年里，施耐德电气遇到过无数次挑战，也做过数次重大战略选择，现在集团已经成长为行业领导者。施耐德做为一个综合性的集团公司，其在国内市场的知名度、市占率都非常高，在控制类产品方面，其中大型PLC使用非常广泛，施耐德在触摸屏方面有MagelisSTO(STU)（模块化触摸屏终端）、MagelisiDisplay工业触摸显示器、触摸屏图形终端MagelisXBTOT系列、MagelisXBTGK系列、MagelisXBTGT系列、MagelisXBTGTW系列、MagelisXBTXBTN,R,RT系列；施耐德HMI在产业机械配套上较少，2002年施耐德收购Digital（Proface）以拓展其HMI的市场。

4、台达（中达电通股份有限公司）

1971年台达在台湾成立，初期专注与电子元器件、电源研发生产，现逐步发展为一个集团公司，2009年全球营收45.62亿美元。1992年开始发展大陆业务，成立子公司上海德创斯米克电器电子有限公司，1993年更名为上海中达斯米克电器电子有限公司，2003年更名为中达电通股份有限公司。

中达电通股份有限公司主要有五个部门：机电事业部、能源事业部、视讯事业部、网络动力事业部、铁道事业部。1992年开始在大陆（上海浦东）生产变频器，2002年PLC在大陆开始销售，2004年HMI在大陆开始销售。台达机电产品包括：PLC、HMI、变频器、伺服、温控器、编码器、计数器、开关电源、直流马达等产品，其大部分机电产品在江苏的吴江工厂生产。目前在国内市场占有率很高。

5、eView（深圳市步科电气有限公司/上海步科自动化有限公司）

1996年5月深圳市步进机电有限公司成立，初期主要发展运动控制系统集成业务，2002年2月步进科技控股子公司深圳人机电子有限公司成立，开始人机界面的研发，同年9月正式更名为深圳市步科电气有限公司，10月正式注册eView商标，作为人机界面的产品品牌。此前深圳市步进机电有限公司为台湾威纶科技触摸屏在大陆地区主要合作伙伴。2008年12月上海步科自动化有限公司成立。步科旗下品牌Kinco拥有伺服系统、步进系统、PLC等其他产品。目前在国内市场占有率很高。

6、昆仑通态（北京昆仑通态自动化软件科技有限公司）

1995年进军组态软件产业，先后推出MCGS通用版、MCGS网络版软件。2006年推出HMI（10.4寸、12.1寸、15寸）；

2009年推出7寸、10.2寸触摸屏；价格便宜，目前在冲击市场。