可編程邏輯控制器（PLC）有很多編程語言可供選擇。有種說法，標準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，有多種語言標準可供選擇確實是一個優(yōu)勢。

在參加我的培訓班時，很多學生抱著這樣一種心態(tài)：選擇最適合自己的語言，然后專門學習該語言。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？”

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，問他們一個問題：“在阿拉伯數(shù)字中，哪個數(shù)字最好？”或“英語中，哪個詞最好？” 再比如：辦公室軟件中，哪個工具最好？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中實現(xiàn)復雜布爾邏輯的不同語言。

使用一種工具實現(xiàn)多種目的，需要學習各種技巧，這是否值得付出？僅學習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，為應用選擇最佳編程語言是最有效的，可以避免很多麻煩。當使用的IEC 61131-3編程語言能夠充分發(fā)揮其語言的優(yōu)勢時，PLC的編程和維護功能就會得到加強。

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、計時器和電動機）。在自動化時代初期PLC逐步替換繼電器和計時器時，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大，能夠實現(xiàn)的功能也已經(jīng)遠遠超過繼電器和計時器，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供應商提供新的、更適合PLC和可編程自動化控制器（PAC）應用的語言的速度比較緩慢，使這種情況進一步惡化。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，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生共鳴，其結果就是不愿從LD轉向其它語言。幸運的是，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)行復雜的布爾邏輯。在這個領域內，LD邏輯易于設計且易于調試。要確定為什么結果與預期不符，有多容易？在LD語言中，只需要觀察藍色實心觸點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（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，展示了一個基于塊的編程設計示例。

狀態(tài)機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)機是表示系統(tǒng)行為的一種非常強大的方法，可用于表達行為取決于過去歷史記錄的系統(tǒng)邏輯，例如：

1.設置線圈或復位線圈；

2.封裝邏輯（布爾反饋）；

3.由代碼設置的內部標志，用于決定未來的行為。

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

1.它們易于設計，因為它清楚地描述了系統(tǒng)可能的狀態(tài)，系統(tǒng)如何在這些狀態(tài)之間轉換，系統(tǒng)在這些狀態(tài)下應采取的行動。

2.在運行時，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)會切換到下一個狀態(tài)（或者過程中出了什么問題，導致無法切換到下一個狀態(tài)）。

3.促進構思周密且組織良好的設計。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)檢查時劃掉每個狀態(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％）。

如何實現(xiàn)狀態(tài)機？

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

步描述了系統(tǒng)可以駐留的狀態(tài)；轉換指示系統(tǒng)何時應從上一步轉移至下一步；分支和跳轉指示下一步應該是什么；動作指定在該步期間（進入或退出該步）應執(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)機最自然的選擇。對于那些需求異常復雜或要求特別靈活的系統(tǒng)，狀態(tài)機也可以用基于文本的語言來實現(xiàn)。對于只能使用LD的企業(yè)，狀態(tài)機甚至可以在LD中實現(xiàn)，方法是為每個狀態(tài)使用一個線圈，轉移邏輯為每個線圈通電/斷電，將系統(tǒng)從一個狀態(tài)轉移到下一個狀態(tài)，以及利用使用狀態(tài)線圈的獨立邏輯來執(zhí)行動作。

一些供應商還可以用統(tǒng)一建模語言（UML）來實現(xiàn)狀態(tài)圖，作為SFC的更強大、更靈活的替代方法，但這需要更長的學習曲線，而且在工業(yè)控制領域中的接受度有限。

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

圖5：結構引腳可以減少不必要的細節(jié)和混亂，從而增強了圖表的可讀性。

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)學運算）；

2.分層設計（調用其它功能和功能塊）。

·基于塊的編程

基于塊的設計由預定義功能組件組成，這些組件連接在一起執(zhí)行布爾邏輯、數(shù)學計算或二者兼而有之。當輸出是輸入的函數(shù)時（換句話說，當沒有狀態(tài)變量，例如布爾反饋、設置/復位線圈或標志時），CFC塊編程非常出色。當同時使用無狀態(tài)功能和基于狀態(tài)的功能時，請結合使用CFC和SFC。

因為連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行修改的。如果功能開始變得復雜，則應將其分為較小的、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)結構類型的引腳。

結構引腳（structure pin）具有3個優(yōu)點：

1.在層次化結構設計中，每個層次都消除了不必要的細節(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信息流；

3.允許信息流向上游和下游，以進一步減少不必要的細節(jié)。

對于以前采用LD實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，而且對于將來負責維護或改進代碼的工程師來說，也更容易理解。

·分層設計

分層設計是一種從很多簡單的構建塊層層設計的實踐。與傳統(tǒng)的扁平化設計相比，分層設計具有許多優(yōu)點：

1.定制；

2.創(chuàng)建；

3.測試與完善；

4.理解和維護；

5.易于復用。

構建塊技術支持并鼓勵在層次結構的每個級別上，展現(xiàn)同等程度的細節(jié)，這就使塊技術更易于設計和理解。這樣，在較高層次的設計中，不必因為展現(xiàn)細節(jié)而被弄得雜亂無章，這些細節(jié)只在較低層的設計中很重要。在層次結構的每個級別上，分層CFC設計應都具有統(tǒng)一的細節(jié)展示。

使用LD作為構建塊語言的傳統(tǒng)方法會存在2個弊端：

1.信息的低密度導致LD設計可能會分布到數(shù)10頁上，很難或不可能看到和理解全局；

2.不同層次的細節(jié)混雜在同一層次上會十分混亂，這使設計難以理解和維護。

而使用結構化文本的CFC分層設計可以解決這兩個問題，同時保持了LD的圖形特性。這是個兩全其美的解決方案。

分層設計是面向對象的工業(yè)編程（OOIP）的關鍵功能。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)有點類似，但使用IEC 61131-3程序員可以控制底層的塊。如果某個塊需要較小的改進，程序員就可以執(zhí)行此操作，而無需費時費力的請DCS供應商介入。

完整的分層PLC設計，可以看作是一棵由分層CFC構成主干和分支的樹?；趬K的CFC、SFC、LD和ST填充樹葉所處位置的詳細功能設計。IEC 61131-3語言共同構成了一個團隊，該團隊比其各個部分的功能更強大。

結構化文本編程

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

一些支持使用結構化文本（ST）語言編程的運算包括：

1.迭代運算，例如For、While和Repeat；

2.復雜條件和選擇，例如IF-THEN和CASE；

3.位運算，例如按位與、移位、旋轉；

4.文本字符串運算；

5.具有特殊要求或特別復雜的狀態(tài)機；

6.純粹的面向對象編程（調用方法，設置屬性等）。

有許多很好的教程，可指導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教程是一個很好的起點。盡管結構化文本基于Pascal編程語言，但它與VB有非常相似，因此可以參考應用更廣泛的VB教程。

圖6：此處的分層設計是在連續(xù)功能圖編程中實現(xiàn)的。

使用最合適的語言編程

要創(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編程語言標準也提供了多種選擇。充分利用每種語言的優(yōu)勢效率會更高，而不是學習一種語言的各種技巧和變通方法來使其適用于所有應用。程序員應為應用選擇最佳語言。

“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