關(guān)于PLC編程該選擇那種IEC 61131-3編程語言最適合

可編程邏輯控制器（PLC）有很多編程語言可供選擇。有種說法，標(biāo)準(zhǔn)的偉大之處在于有很多選擇！盡管這很諷刺，但在IEC 61131-3編程語言中，有多種語言標(biāo)準(zhǔn)可供選擇確實(shí)是一個(gè)優(yōu)勢。

在參加我的培訓(xùn)班時(shí)，很多學(xué)生抱著這樣一種心態(tài)：選擇最適合自己的語言，然后專門學(xué)習(xí)該語言。上課伊始，他們經(jīng)常會問我會推薦適用哪種語言?；蛘?，“最好的語言是哪個(gè)？”

圖1：IEC 61131-3編程語言提供了適合特定需求的語言。

我沒有回答，問他們一個(gè)問題：“在阿拉伯?dāng)?shù)字中，哪個(gè)數(shù)字最好？”或“英語中，哪個(gè)詞最好？” 再比如：辦公室軟件中，哪個(gè)工具最好？是文檔編輯器、演示文稿編輯器，還是電子表格編輯器？雖然可以使用文檔編輯器創(chuàng)建演示文稿和電子表格，但這是正確的方法嗎？

圖2：該圖比較了在Codesys中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜布爾邏輯的不同語言。

使用一種工具實(shí)現(xiàn)多種目的，需要學(xué)習(xí)各種技巧，這是否值得付出？僅學(xué)習(xí)該工具對工作有用的主要功能，是不是更有效？與辦公軟件一樣，為應(yīng)用選擇最佳編程語言是最有效的，可以避免很多麻煩。當(dāng)使用的IEC 61131-3編程語言能夠充分發(fā)揮其語言的優(yōu)勢時(shí)，PLC的編程和維護(hù)功能就會得到加強(qiáng)。

梯形圖編程

梯形圖（LD）編程的歷史，可以追溯到大約100年前的繼電器梯形邏輯（RLL），它主要用于描述電氣元件系統(tǒng)（如繼電器、計(jì)時(shí)器和電動機(jī)）。在自動化時(shí)代初期PLC逐步替換繼電器和計(jì)時(shí)器時(shí)，創(chuàng)建一種用戶熟悉并與被替換的工具相似的編程語言非常重要。

不幸的是，控制器變得越來越強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過繼電器和計(jì)時(shí)器，LD語言被用于各種新的場景，而這并不是LD所擅長的，因此效果也不是特別理想。

圖3：該圖顯示了順序功能圖的編程組件。

PLC供應(yīng)商提供新的、更適合PLC和可編程自動化控制器（PAC）應(yīng)用的語言的速度比較緩慢，使這種情況進(jìn)一步惡化。對于源自北美的控制器而言尤其如此，這可以解釋在全球范圍內(nèi)，LD持久受歡迎的程度為什么會有所差異。

LD編程的優(yōu)勢是什么？為什么它能持久受歡迎？關(guān)鍵就是圖形化。而通常來說工程師是更傾向于圖形化思維的。

起初，大多數(shù)LD編程的替代方法都是基于文本的語言，這些語言與工程師的圖形化思維不會產(chǎn)生共鳴，其結(jié)果就是不愿從LD轉(zhuǎn)向其它語言。幸運(yùn)的是，這種情況正在發(fā)生變化。

LD仍然是一門偉大的語言，它的初衷是執(zhí)行復(fù)雜的布爾邏輯。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，LD邏輯易于設(shè)計(jì)且易于調(diào)試。要確定為什么結(jié)果與預(yù)期不符，有多容易？在LD語言中，只需要觀察藍(lán)色實(shí)心觸點(diǎn)的路徑在何處中斷就可以快速獲得答案。

順序功能圖編程

順序功能圖（SFC）是一種圖形語言，非常適合表示狀態(tài)機(jī)（state machine），并且像LD語言一樣，它吸引了工程師的圖形化思維天性。

圖4：基于Codesys連續(xù)功能圖語言，展示了一個(gè)基于塊的編程設(shè)計(jì)示例。

狀態(tài)機(jī)的歷史可以追溯到很多年前，但是直到最近才被用于工業(yè)編程。狀態(tài)機(jī)是表示系統(tǒng)行為的一種非常強(qiáng)大的方法，可用于表達(dá)行為取決于過去歷史記錄的系統(tǒng)邏輯，例如：

1.設(shè)置線圈或復(fù)位線圈；

2.封裝邏輯（布爾反饋）；

3.由代碼設(shè)置的內(nèi)部標(biāo)志，用于決定未來的行為。

實(shí)際上，即使是簡單的TON On-Timer和R-Trig one-shot都是狀態(tài)機(jī)。它們的下一個(gè)行為取決于先前的輸入和行為。與其它編碼技術(shù)相比，狀態(tài)機(jī)具有許多優(yōu)勢：

1.它們易于設(shè)計(jì)，因?yàn)樗宄孛枋隽讼到y(tǒng)可能的狀態(tài)，系統(tǒng)如何在這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)在這些狀態(tài)下應(yīng)采取的行動。

2.在運(yùn)行時(shí)，可以很容易地確定系統(tǒng)處于什么狀態(tài)，在該狀態(tài)下正在做什么，以及在什么條件下系統(tǒng)會切換到下一個(gè)狀態(tài)（或者過程中出了什么問題，導(dǎo)致無法切換到下一個(gè)狀態(tài)）。

3.促進(jìn)構(gòu)思周密且組織良好的設(shè)計(jì)。這樣可以確保所有可能的事件都已得到妥善處理（就不會有人半夜三更把你從床上叫起來，去修復(fù)無法正確處理異常工況的代碼）。

4.易于確定是否已經(jīng)測試了所有可能事件。只需打印出SFC，并在執(zhí)檢查時(shí)劃掉每個(gè)狀態(tài)和切換條件即可。完成所有工作后，測試就完成了（程序員的置信度為100％）。

如何實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)？

幾乎任何語言都可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，但它們都需要特定的編碼技術(shù)，包括步（step）、轉(zhuǎn)換（transition）、分支/跳轉(zhuǎn)（branch/jump）和動作（action）。

步描述了系統(tǒng)可以駐留的狀態(tài)；轉(zhuǎn)換指示系統(tǒng)何時(shí)應(yīng)從上一步轉(zhuǎn)移至下一步；分支和跳轉(zhuǎn)指示下一步應(yīng)該是什么；動作指定在該步期間（進(jìn)入或退出該步）應(yīng)執(zhí)行的操作。

由于其圖形化屬性和工作的專業(yè)性，SFC語言是狀態(tài)機(jī)最自然的選擇。對于那些需求異常復(fù)雜或要求特別靈活的系統(tǒng)，狀態(tài)機(jī)也可以用基于文本的語言來實(shí)現(xiàn)。對于只能使用LD的企業(yè)，狀態(tài)機(jī)甚至可以在LD中實(shí)現(xiàn)，方法是為每個(gè)狀態(tài)使用一個(gè)線圈，轉(zhuǎn)移邏輯為每個(gè)線圈通電/斷電，將系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)狀態(tài)，以及利用使用狀態(tài)線圈的獨(dú)立邏輯來執(zhí)行動作。

一些供應(yīng)商還可以用統(tǒng)一建模語言（UML）來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)圖，作為SFC的更強(qiáng)大、更靈活的替代方法，但這需要更長的學(xué)習(xí)曲線，而且在工業(yè)控制領(lǐng)域中的接受度有限。

對于狀態(tài)機(jī)，語言的選擇是次要的，所用技術(shù)的選擇更重要。在SFC中，該語言強(qiáng)制使用狀態(tài)機(jī)技術(shù)。在其它語言中，使用的技術(shù)取決于工程師制定的規(guī)則。

圖5：結(jié)構(gòu)引腳可以減少不必要的細(xì)節(jié)和混亂，從而增強(qiáng)了圖表的可讀性。

功能塊圖編程

功能塊圖（FBD）是一種圖形語言，符合工程師的圖形化思維。來自Codesys（以前被稱為3S-Smart Software Solutions）的集成開發(fā)環(huán)境提供了兩種FBD，即傳統(tǒng)的IEC 61131-3 FBD和類似但更靈活的連續(xù)功能塊圖（CFC），CFC還沒有正式成為IEC 61131-3的一部分。CFC是FBD的超集，具有兩大優(yōu)勢：

1.基于塊的功能編程（執(zhí)行布爾和數(shù)學(xué)運(yùn)算）；

2.分層設(shè)計(jì)（調(diào)用其它功能和功能塊）。

·基于塊的編程

基于塊的設(shè)計(jì)由預(yù)定義功能組件組成，這些組件連接在一起執(zhí)行布爾邏輯、數(shù)學(xué)計(jì)算或二者兼而有之。當(dāng)輸出是輸入的函數(shù)時(shí)（換句話說，當(dāng)沒有狀態(tài)變量，例如布爾反饋、設(shè)置/復(fù)位線圈或標(biāo)志時(shí)），CFC塊編程非常出色。當(dāng)同時(shí)使用無狀態(tài)功能和基于狀態(tài)的功能時(shí)，請結(jié)合使用CFC和SFC。

因?yàn)檫B接性是用功能塊之間的線來表示的，所以很容易理解信息流以及信息是如何沿著其路徑進(jìn)行修改的。如果功能開始變得復(fù)雜，則應(yīng)將其分為較小的、更易于管理的子塊。如果塊之間存在大量連接，則可以將這些線連接至數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的引腳。

結(jié)構(gòu)引腳（structure pin）具有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1.在層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，每個(gè)層次都消除了不必要的細(xì)節(jié)，更清晰易于理解；

2.保持較小的功能塊，可以在一頁上查看整個(gè)信息流；

3.允許信息流向上游和下游，以進(jìn)一步減少不必要的細(xì)節(jié)。

對于以前采用LD實(shí)施基于塊或分層功能的PLC程序員來講，CFC提供了一種更為簡潔和靈活的方法。CFC的開發(fā)速度更快，而且對于將來負(fù)責(zé)維護(hù)或改進(jìn)代碼的工程師來說，也更容易理解。

·分層設(shè)計(jì)

分層設(shè)計(jì)是一種從很多簡單的構(gòu)建塊層層設(shè)計(jì)的實(shí)踐。與傳統(tǒng)的扁平化設(shè)計(jì)相比，分層設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn)：

1.定制；

2.創(chuàng)建；

3.測試與完善；

4.理解和維護(hù)；

5.易于復(fù)用。

構(gòu)建塊技術(shù)支持并鼓勵(lì)在層次結(jié)構(gòu)的每個(gè)級別上，展現(xiàn)同等程度的細(xì)節(jié)，這就使塊技術(shù)更易于設(shè)計(jì)和理解。這樣，在較高層次的設(shè)計(jì)中，不必因?yàn)檎宫F(xiàn)細(xì)節(jié)而被弄得雜亂無章，這些細(xì)節(jié)只在較低層的設(shè)計(jì)中很重要。在層次結(jié)構(gòu)的每個(gè)級別上，分層CFC設(shè)計(jì)應(yīng)都具有統(tǒng)一的細(xì)節(jié)展示。

使用LD作為構(gòu)建塊語言的傳統(tǒng)方法會存在2個(gè)弊端：

1.信息的低密度導(dǎo)致LD設(shè)計(jì)可能會分布到數(shù)10頁上，很難或不可能看到和理解全局；

2.不同層次的細(xì)節(jié)混雜在同一層次上會十分混亂，這使設(shè)計(jì)難以理解和維護(hù)。

而使用結(jié)構(gòu)化文本的CFC分層設(shè)計(jì)可以解決這兩個(gè)問題，同時(shí)保持了LD的圖形特性。這是個(gè)兩全其美的解決方案。

分層設(shè)計(jì)是面向?qū)ο蟮墓I(yè)編程（OOIP）的關(guān)鍵功能。在部署和配置用戶自定義的功能塊以后，CFC編程開始與分布式控制系統(tǒng)（DCS）的編程/組態(tài)有點(diǎn)類似，但使用IEC 61131-3程序員可以控制底層的塊。如果某個(gè)塊需要較小的改進(jìn)，程序員就可以執(zhí)行此操作，而無需費(fèi)時(shí)費(fèi)力的請DCS供應(yīng)商介入。

完整的分層PLC設(shè)計(jì)，可以看作是一棵由分層CFC構(gòu)成主干和分支的樹?；趬K的CFC、SFC、LD和ST填充樹葉所處位置的詳細(xì)功能設(shè)計(jì)。IEC 61131-3語言共同構(gòu)成了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)比其各個(gè)部分的功能更強(qiáng)大。

結(jié)構(gòu)化文本編程

盡管LD、SFC和FBD/CFC語言可以出色的完成其任務(wù)，但有些運(yùn)算并不適合使用圖形化語言。

一些支持使用結(jié)構(gòu)化文本（ST）語言編程的運(yùn)算包括：

1.迭代運(yùn)算，例如For、While和Repeat；

2.復(fù)雜條件和選擇，例如IF-THEN和CASE；

3.位運(yùn)算，例如按位與、移位、旋轉(zhuǎn)；

4.文本字符串運(yùn)算；

5.具有特殊要求或特別復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)；

6.純粹的面向?qū)ο缶幊蹋ㄕ{(diào)用方法，設(shè)置屬性等）。

有許多很好的教程，可指導(dǎo)工程師從其它基于文本的語言過渡到ST。對于那些完全不熟悉基于文本的語言的人來說，Visual Basic教程是一個(gè)很好的起點(diǎn)。盡管結(jié)構(gòu)化文本基于Pascal編程語言，但它與VB有非常相似，因此可以參考應(yīng)用更廣泛的VB教程。

圖6：此處的分層設(shè)計(jì)是在連續(xù)功能圖編程中實(shí)現(xiàn)的。

使用最合適的語言編程

要?jiǎng)?chuàng)建有效的工業(yè)控制程序，掌握合適的編程語言并知道如何有效使用這些語言非常重要。有很多語言可供PLC選擇，IEC 61131-3編程語言標(biāo)準(zhǔn)也提供了多種選擇。充分利用每種語言的優(yōu)勢效率會更高，而不是學(xué)習(xí)一種語言的各種技巧和變通方法來使其適用于所有應(yīng)用。程序員應(yīng)為應(yīng)用選擇最佳語言。

“為了創(chuàng)建有效的工業(yè)控制程序，掌握合適的語言，并知道如何有效使用這些語言非常重要。”
編輯：lyn