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
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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。
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。
西门子S7-200 SMART位逻辑指令、逻辑运算指令如何使用？
位逻辑指令是PLC编程中最基本、使用最频繁的指令，按不同的功能和用途具有不同的形式，总的来说可以分为下述几大类：标准位逻辑指令、置位/复位指令、立即位逻辑指令、其他位逻辑指令。
位逻辑指令分类
标准位逻辑指令包括常开触点、常闭触点和输出线圈指令；置位/复位指令包括置位指令、复位指令、置位优先RS触发器指令和复位优先RS触发器指令；立即位逻辑指令包括立即常开或立即常闭触点指令、立即输出线圈指令、立即置位指令、立即复位指令，指令中都带有I标识；其它位逻辑指令包括取反指令、上升沿指令、下降沿指令和空操作指令。
标准位逻辑指令
下面我们以起保停控制程序为例来讲解一下位逻辑指令的使用。要求编写起保停控制程序，即按下瞬动按钮I0.0启动电动机Q0.0，按下瞬动按钮I0.1停止电动机Q0.0。首先，我们双击桌面上的STEP7-Micro/WIN SMART编程软件图标，启动编程软件，从指令树的位逻辑指令选项中选择一个常开触点，拖放到程序编辑器的程序段1中，输入地址I0.0作为启动触点，拖动一个常闭触点与其串联，输入地址I0.1作为停止触点，拖放一个输出线圈，输入地址Q0.0作为起保停电路的输出线圈。
拖放触点和线圈
在常开触点I0.0的下方拖放一个Q0.0的常开触点，单击工具栏中的插入向上垂直线按钮与其并联，作为自锁触点，这样一个简单的起保停控制程序的编写就完成了。编译、下载程序到S7-200 SMART。单击菜单中的下载按钮，在打开的通信对话框中选择要访问的CPU，单击确定进行下载，下载完成后关闭对话框。
下载程序
我们可以在线查看程序的运行情况。单击PLC菜单下的运行按钮，运行项目，单击调试菜单下的程序状态按钮，在线观察程序的执行情况。按下启动按钮I0.0，可以看到输出线圈Q0.0接通，按下停止按钮I0.1，可以看到输出线圈Q0.0断开。
在线查看程序运行
S7-200 SMART逻辑运算指令按照操作类型可以分为四种：取反指令、逻辑与指令、逻辑或指令和逻辑异或指令。如下图所示，四列对应四种操作类型：
逻辑运算指令按操作类型可分为四种
S7-200 SMART逻辑运算指令按照操作数长度可以分为三种：字节逻辑运算指令、字逻辑运算指令、双字逻辑运算指令。如下图所示，三行对应三种操作数长度类型：
逻辑运算指令按操作数长度可分为三种
字节逻辑运算指令是对单字节数据进行逻辑操作，其操作数为八位无符号数。
字节逻辑运算指令
字逻辑运算指令是对字数据进行逻辑操作，其操作数为十六位无符号数。
字逻辑运算指令
双字逻辑运算指令是对双字数据进行逻辑操作，其操作数为三十二位无符号数。
双字逻辑运算指令
下面我们来介绍不同操作类型的逻辑运算指令。取反指令将输入端IN操作数的二进制数逐位取反，并将结果送到输出端OUT中，例如将VW0中的数据逻辑取反后送到MW10，我们可以发现，执行逻辑取反指令后，每一位由0变为1、1变为0。
逻辑取反指令
逻辑与指令将输入端IN1、IN2两个操作数的对应位执行“与”运算，并将结果送到输出端OUT中，例如将VB1、VB2中的数据逻辑与后送到MB0中，我们可以发现，执行逻辑与运算指令后，如果两个操作数的对应位都为1，则运算结果的对应位为1，否则为0。
逻辑与指令
逻辑或指令将输入端IN1、IN2两个操作数的对应位执行“或”运算，并将结果送到输出端OUT中，例如将VB1、VB2中的数据逻辑或后送到MB1中，我们可以发现，执行逻辑或运算指令后，如果两个操作数的对应位都为0，则运算结果的对应位为0，否则为1。
逻辑或指令
逻辑异或指令将输入端IN1、IN2两个操作数的对应位执行“异或”运算，并将结果送到输出端OUT中，例如将VB1、VB2中的数据逻辑异或后送到MB2中，我们可以发现，执行逻辑异或运算指令后，如果两个操作数的对应位不同，则运算结果的对应位为1，否则为0。
逻辑异或指令
下面我们将通过一个实例来说明逻辑运算指令在程序中的使用方法。要求将VW2和VW4中的数据进行逻辑与后，送到VW6。首先我们双击电脑桌面上的STEP7-Micro/WIN SMART图标，打开编程软件，从指令树的位逻辑中选择一个常开触点拖放到程序编辑器的程序段1中，输入地址I0.0，从指令树逻辑运算指令中选择字与指令拖放到常开触点后，在IN1处输入地址VW2，在IN2处输入地址VW4，在OUT处输入地址VW6，这样一个简单的逻辑运算指令的应用程序就完成了。
逻辑运算指令应用实例
将应用程序编译下载到S7-200 SMART PLC。单击菜单中的下载按钮，在打开的通信对话框中选择要访问的CPU，单击确定进行下载，下载完成后关闭对话框。查看程序的运行情况，单击PLC菜单下的运行按钮，运行项目，单击调试菜单下的程序状态按钮，在线观察程序的执行情况。在状态图表中输入地址VW2，格式选择十六进制。选中VW2单元格按回车键，地址列自动递增，添加地址VW4和VW6，格式和上一行相同。
在线观察程序执行
单击状态图表工具栏中的状态图表按钮，可以看到VW2、VW4和VW6的当前值都为0，在新值列中分别输入十六进制3456和十六进制00FF，单击状态图表工具栏中的写入按钮，则VW2和VW4变为相应的值，而VW6中的值不变。
写入相应数值
按下I0.0可以看到VW6的值变为十六进制0056，为VW2和VW4逻辑与的结果。
逻辑运算结果
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