1.1 PLC程序概念

關鍵詞：程序、指令、PLC函數、PLC功能塊、PLC程序塊、PLC程序組織單元（POU）、PLC任務、PLC工程

PLC編程標準對程序的定義是：“所有編程語言元素和結構的一個邏輯集合”。傳統或低檔PLC編程語言元素和結構只是指令（包含操作數），它的程序簡單地說，就是PLC指令的一個有序（邏輯）集合。所以，它的編程使用手持編程器也就可以了。

新一代或高檔PLC的語言元素和結構，除了指令，還有功能、功能塊。其PLC程序則是由若干程序塊組成。而一個程序塊可以調用指令、函數塊、功能塊，也可調用其他程序塊。程序塊還可與任務相關聯，由不同的任務激活。而任務則通過工程與使用PLC硬件資源相關聯。所以，它的編程要用計算機，使用編程軟件，通過建立工程予以實施。

PLC就是依靠運行這個程序，才得以實現它的功能。PLC的程序一般由用戶設計，PLC廠商或代銷商不提供。以下將對以上與編程相關概念作簡要說明。

1.1.1 PLC指令

PLC指令（Instruction），也有的廠商叫操作（Operation），是用以告知PLC做什么，以及怎樣去做的文字代碼或圖形符號。這里的做什么、怎樣去做，主要是指CPU對PLC的各種寄存器、內存及外設的緩沖器的各種數據傳送或變換。

依使用PLC編程語言的不同，這些代碼或符號也不相同。但從本質上講，指令只是一些二進制代碼，即機器碼。這點，PLC與普通計算機是完全相同的。如同普通計算機一樣，PLC編程軟件也有編譯系統。它可把一些文字代碼或圖形符號編譯成機器代碼。所以，用戶所看到的PLC指令一般不是機器代碼，而是文字代碼或圖形符號。

如LD%IX0.0，就是一條文字指令。它由兩部分組成。LD為裝載操作碼，%IX0.0為操作數（一個輸入點的物理地址）。兩者結合在一起，就是令CPU把操作數%I0.0的狀態0或1，賦值給CPU累加器（Accumulator）。如

則是一條圖形符號指令。它功能是使CPU累加器的現值賦值給輸出點%Q0.0。再如

也是一條圖形符號指令。它有3個操作數。兩個輸入（變量var1、var2），一個輸出（變量var3）。目的是對兩個輸入變量進行加運算。結果輸出給輸出變量。

1.1.2 PLC功能（Function）

功能也稱函數。PLC編程標準對它的定義是：“在執行時，它準確地產生一個數據元素和可能的其他輸出變量，并且在文本語言中，可使用它的調用如同對表達式中的操作數那樣”。說得通俗點，功能就是，PLC一組指令的有序集合，能將若干輸入變量按某個特定規律轉換成一個數據類型的輸出。而這個輸出的結果則被返回給函數本身，即它的返回值。如其輸出為數組或結構，雖有多個（元素），但實質還是一個（數組或結構）。

函數可直接調用，其輸出不被保存。所以也稱沒有記憶（without memory）的一組指令集合。這意味著，用相同的輸入調用函數時，其輸出總是相同的。圖1-1所示為和利時PLC系統提供的一個進行字符串處理的函數。

圖1-1 字符串處理函數

其功能是字符串var1與字符串var2相加（合并），然后賦值給字符串var3。如var1=abc，var1=efg，此指功能執行后則var3=abcdef。

一個函數還可調用另一個函數。但不能直接、間接地調用自身，即不允許遞歸調用。

函數是建立在指令基礎之上的。簡單的函數也可看成是指令。如三角函數、對數函數，也可看成數學計算指令。傳統的PLC及其他很多PLC也都是這么處理的。

PLC函數分系統函數與用戶函數，分別集成在相關函數庫中。系統函數由PLC廠商提供，西門子稱SFC。PLC檔次越高，廠商提供函數也越多。用戶函數可由用戶編寫與生成，西門子稱之為FC。

1.1.3 PLC功能塊（Functionblock）

根據PLC編程標準對功能塊的定義是，能對若干輸入變量進行處理，進而產生輸出（一般為多個），或能執行某個特定操作。功能塊要用實例（Instance）調用。在程序中，可創建多個實例。每個實例應具有一個相關的標識符（實例名稱）和包含其輸出和內部變量的一個數據結構，以及與實例有關的輸入變量值或輸入變量的引用。

功能塊與函數不同，它沒有返回值。但它的輸出被永久保存在功能塊的實例中。所以也稱有記憶（with memory）的一組指令塊。也因此，同樣的實例，不同的程序掃描周期其輸出可能是不同的。在功能塊實例的外部，只有輸入和輸出變量可存取，而功能塊的內部變量對功能塊的用戶是隱藏的。

圖1-2所示為和利時PLC系統提供的一個增計數的功能塊。這里的實例命名為C1。

圖1-2 增計數的功能塊

它的功能是實現增計數。與西門子PLC增計數指令的功能相同。該圖上方的C1為實例名。圖形左邊的CU、RESET、PV（使用時的書寫為C1.CU、C1.RESET、C1.PV）為功能塊的輸入端，右邊的Q、CV（使用時的書寫為C1.Q、C1.CV）為功能塊的輸出端。當這里的復位端（RESET）OFF，計數輸入端（CU）信號每從OFF到ON一次，則計數功能塊實例C1的現值加1。計數功能塊現值輸出（CV）端，輸出計數功能塊的當前計數值。當計數值大、等于計數設定值（PV）時，計數功能塊輸出（Q）端ON。當復位端ON時，停止計數，且計數功能塊現值復位為0。

一個功能塊還可調用另一個功能塊。但不能直接、間接地調用自身，即也不允許遞歸調用。

生成功能塊要用到指令或函數。所以，功能塊是建立在指令與函數基礎之上的。簡單的功能塊也可看成是指令。如上述計數功能塊也可說成是增計數指令。傳統的PLC及其他很多PLC也都是這么處理的。所不同的只是計數功能塊指定實例的數量多少不受限制。而計數指令要用到PLC內部器件（計數器），其使用數量要受PLC提供的計數器數量限制。

功能塊也可只有一個輸出。這樣的功能塊與函數沒有什么太大區別。所以，有的PLC，如歐姆龍，就只有功能塊，而不用函數。只是函數可在結構化文本語言的表達式的中調用，而功能塊則不能。

PLC功能塊也分系統功能塊與用戶功能塊，分別集成在相關功能塊庫中。系統功能塊由PLC廠商提供，西門子稱SFB。PLC檔次越高，廠商提供功能塊也越多。用戶功能塊由用戶編寫與生成，西門子稱自建的功能塊為FB。

1.1.4 PLC程序塊（POU）

以上介紹的函數、功能塊，PLC編程標準稱之為程序組織單元（Program Organization Unit）。而這里介紹的程序塊也是POU。函數、功能塊雖是POU，但它們不能獨立運行。只有程序塊這個POU可通過系統管理使其獨立運行。

程序塊分為主程序塊和一般程序塊。主程序塊是每個PLC程序所必須有的。PLC處運行狀態時，將周而復始或周期地運行此程序塊。而其他程序塊則必須經調用，或由PLC的事件觸發才能運行。只是不同的PLC此程序塊用的名稱不同。如ABB、和利時PLC，其主程序稱PLC-PRG（不能改名）。再如西門子高檔機為OB1。而非主程序塊多可任意命名。

低檔或傳統PLC程序只有一個程序塊。但其中含有很多子程序。而新一代或高檔PLC可以沒有子程序。但程序塊都可相互調用。只是不能直接或間接調用自己，即也不能遞歸調用。

圖1-3所示為西門子S7-1200機若干程序塊。圖中OB1為主程序塊。它由PLC操作系統管理，并使其連續循環運行。而圖中其他OB也是程序塊，則與中斷（事件）相關聯。中斷條件具備則被激活、運行。圖中FB_1、FB_2分別就是一個功能塊及其實例數據塊，其運行與否則由OB1塊調用。

圖1-3 S7-1200機程序塊

提示：程序塊也稱程序。正如白馬也是馬一樣。一般講，程序（塊）、白馬是個別概念，而程序、馬是集合概念。弄清之間關系，為了與一般敘述一致，本書后續把程序塊多說成程序。

1.1.5 PLC任務（Task）

根據PLC編程標準定義，任務為周期或觸發相關程序組織單元（POU）執行而提供的控制元素。PLC程序塊總是與具體的任務相聯系的。而PLC程序則是由若干任務構成的。

不同的PLC有不同的任務劃分。如歐姆龍PLC，其任務一般分為循環任務與中斷任務。前者為定時循環執行，后者由事件觸發，條件具備才執行。在循環任務中，有個基本的任務為循環任務00（啟動），當PLC運行時，與其聯系的程序（塊）將周而復始執行著。傳統PLC一般也就只有這樣一個程序（塊）。

再如和利時PLC，其任務有循環（Cyclic）任務、自由運行（Freewheeling）任務、事件觸發（Triggered by Event）任務及外部事件觸發（Triggered by External Event）任務。創建什么樣的任務，以及任務與什么程序塊建立什么關系，則用編程軟件，在編程時，由編程人員確定。而在循環任務中，有個默認程序塊，稱PLC_PRG，當PLC處于運行狀態，就一直周而復始地運行著。其他程序塊則由PLC_PRG調用，也可由其他相關任務（Task）調用。

有的PLC沒有任務這個詞。其程序就是由不同特性的程序塊組成。從本質上講，這都與前面已介紹的PLC的實現控制方式有關。理解了PLC的實現控制方式的具體含義，這些概念也就好理解了。

1.1.6 PLC工程（Project）

工程是PLC編程及其他自動化程序的組織單位。運用它便于PLC面向對象編程及實現程序結構化。這是因為，工程包含有PLC硬件配置、程序塊以及其他自動化應用。而每個配置、程序塊或應用都有特定的功能。這樣組織的程序既便于理解與調試，又便于平行開發，可單獨開發許多單體或OEM產品，然后再予以集成與重用。

建立工程是PLC編程的開始。PLC編程也就是組織工程的過程。其基本步驟有：第一步是打開編程軟件，創建（新）工程，確定工程名稱，編輯工程屬性；第二步是選定PLC類型、CPU型號、電源及I/O等模塊，進行硬件配置（組態）；第三步是做好I/O地址分配以及有關模塊的設定；最后才進行編程，如確定任務、建立程序塊、調用功能及功能塊等。此外，有的編程軟件還可編輯圖形界面，類似計算機監控軟件，可用其形象地監控PLC控制系統工作，因而還有它的擴展步驟。一個工程的具體內含有多有少，與PLC品牌、類型及型號，特別與所用的編程軟件有關。

工程也是PLC編程的歸宿，只有通過工程對所編程序進行編譯、與PLC聯機，并下載程序、設定等給PLC，所編的程序才能起作用。

工程還是PLC編程及設定等數據存儲的容器。沒有工程，這些數據無法保存，也無法調用。所存儲的工程文件有的軟件為一個，也有的為多個，并分布在多個子文件夾中。所存儲文件格式，有的還可選擇。可以是文本文件，也可是二進制文件。前者可用文本軟件閱讀，后者只能用編程軟件閱讀。但兩者都可用編程軟件打開。

多數編程軟件建立的工程可對多個PLC，以至于對多個PLC網絡進行配置（組態），并分別對多個PLC編程及調試。但有的PLC軟件工程只能針對一個PLC（如AB等PLC編程軟件）。要對多個PLC編程可打開多個編程軟件實例，分別處理不同的PLC。

提示：如使用簡易編程器編程，其所有操作，包括種種設定，全用手工實現。所以，也談不上什么工程。

提示：本節介紹的有關概念引自國標GB/T 15969.3—2005/IEC61131-3：2002及國標GB/T 15969.8—2007/IEC/TR61131-8：2003。更準確的界定請參閱該標準。