标准工业控制编程语言IEC61131

[1] 王永华. 现代电气控制及PLC应用技术[M]. 第5版. 北京:北京航空航天大学出版社, 2018. [2] 台达. ISPSoft软件使用手册[M]. 第10版. , 2019.

写这篇文章时，除了对IEC61131-3基本内容做摘录以外，也参考了遵循IEC61131-3标准的控制器用户手册内容，目的是了解IEC61131-3标准的实际落地情况。

IEC61131-3是IEC61131标准的第三部分，它定义了PLC的软件结构、编程语言和程序执行方式，它综合了世界上广泛流行的编程语言的特点，并使其成为一种面向未来的PLC编程语言。IEC61131-3提供了5种PLC的标准编程语言，其中有3种图形语言：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和顺序功能图（SFC）；两种文本语言：结构化文本（ST）和指令表（IL）。其中使用IL、LAD、SFC编制的程序都可以相互转换后进行显示、编辑。

SFC在新标准中作为一种公共元素出现，其目的是要把它定义成构成PLC程序和功能块内部组织的元素，但其实质仍是一种编程语言，且主流出版物都将其作为一种编程语言看待。

传统PLC程序架构与IEC61131-3程序架构区别见下：

IEC61131-3软件模型见下：

在模块化程序设计环境下，程序组织单元POU（Program Organization Unit） 是用户程序中最小的、独立的软件单元。它相当于传统编程系统中的块（Blocks），POU之间可以带参数或不带参数地相互调用。 在IEC61131-3中定义了三种类型的POU，按其功能的递增顺序依次为函数（Function，FUN）、功能块（Function Block，FB）和程序（Program，PROG）。

函数没有存储器，不存储暂态结果、状态信息或内部数据，故称其无记忆。

PLC程序是由一定数量的基本语言元素（最小单元）组成的，把它们组合在一起形成“说明”或“语句”。

IEC61131-3定义了PLC编程中最常用的数据类型，并允许用户自己定义导出的数据类型。

类（ANY）数据类型：类数据类型由单个数据类型集合而成，ANY-INT表示所有整数的数据类型。

在编程中使用导出数据类型时，使用”数据类型#具体变量名“

关于数据范围 在对变量进行数据类型定义时可增加。

关于初始值 数据变量的初始缺省值是“0”，字符串的初始缺省值是空串，日期的缺省值是“D#0001-01-01”。 外部变量和输入/输出变量以外的数据变量可定义初始值。

在编制POU之前，必须对变量进行定义和声明，使用变量的地方不同，所使用的变量也会有区别。

输入/输出概念不同于外部物理输入/输出，而是用于FUN/FB。

在IEC61131-3中设置了一些限定符，使用它们可以将附加的特性赋给变量。 RETAIN具有带电保持功能的变量。 CONSTANT常数变量。带有变量名的常数。

（下述两种属性只对VAR_INPUT有效） R_EDGE上升沿。 Q_EDGE下降沿。

当用到上升沿或下降沿功能时，更多会使用相应标准功能块。

（下述两种属性只对VAR_ACCESS有效） READ_ONLY只读 READ_WRITE读写

模板：

举例：

可以以逗号隔开的方式连续定义几个相同类型的变量:

在传统PLC中，当使用其内部资源时，用的是直接地址。在IEC61131-3中，这种变量也可以用地址直接表达或以符号变量的形式出现（即使用变量来表达地址）。它们以%开始，然后表示I（输入）、Q（输出）和M（中间继电器）的字母，接下来是表示PLC地址数据宽度的字母，如X（位）、B（字节）、W（字）、D（双字）等，最后使用分级地址表示的具体的直接地址。对这种变量进行说明时，要通过关键字AT指定。

分级地址，位置的数量和解释取决于制造商。Z-位、Y-字、X-模块、W-机架、V-PLC

PLC的处理器被称为资源（RESOURCE）。对资源可以进行定义或说明，定义从关键词RESOURCE开始，以END_RESOURCE结束。在资源说明中，其内容一般包括全局变量说明、通径变量说明和任务定义等。（这里的全局变量限于同一个资源。）

定义任务的目的在于规定程序以及功能块的运行期特性。

在实时控制系统中，由于控制对象不同阶段的任务和工作过程不同，相应的程序也不同，因而需要对这些不同的程序进行灵活调用和组态。 在IEC61131-3中，若干个程序能同时运行于同一个资源，它们可以有不同的优先权和类型，即程序可以是单周期执行、循环执行、按不同优先级执行。实现这样的功能由任务（TASK）来完成，每一个程序与一个（或多个）任务相关联（使用关键字WITH），这样就可以使程序进入运行期。

任务运行方式可分为自由运行、周期以及事件。

控制器无法同时执行多个任务。每个任务须分配一个唯一的优先顺序（Priority），相同运行方式的任务按照设定的优先顺序执行，其中0为最高优先级；对于不同运行方式的任务，当条件同时成立时，其运行顺序为事件>自由运行>周期。

同一个任务下可以关联一个以上的程序POU，其排列顺序则会决定各POU实际执行时的顺序。 未关联的程序拥有最低优先权，仍会被以自由运行方式执行；但实际上绝大部分厂商会将其设置为不会参与执行。

使用配置（CONFIGURATION）将PLC系统的所有资源集合起来。

IEC61131-3中定义了典型的PLC函数和功能块，它们的名字作为关键字保留。 注意： 编程软件不一定能提供IEC61131-3全部标准函数。

IEC61131-3定义了以下8组标准函数：

重载（Overload） 若函数的输入变量以类数据类型描述，则称为重载。使用重载函数时，编程系统会自动选择合适的类型化函数。 可以把一个重载的标准函数限制为某一数据类型，称为类型化（Typed）的标准函数，这时需要把一个下划线及相应数据类型附加到该函数名字后。 可扩展（Extensible） 若函数的输入变量数可变，则称其为可扩展的。

功能块是一种重要的POU，它按一定的算法和动作组成一段程序，在某一个给定条件下产生新的输出数据，类似子程序。 功能块有输入变量、输出变量、内部变量以及临时变量等。功能块的程序段由各种算法、动作和传递等组成。当功能块执行时，它会组合属于它的变量和程序来产生新的输出数据和内部数据。 功能块和函数之间最大的区别就是它有储存功能，因而被应用于需要有数据保持功能的地方。 使用功能块时需要将其实例化，简单来讲就是给使用的功能块取专用名，编程系统会自动生成内部绝对编号。 IEC61131-3定义了5组标准功能块：双稳态元素（置复位）、边沿检测、计数器、定时器和通信。

此处仅列举梯形图（LD）和结构化文本（ST）。

梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的，其基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。梯形图适合在以开关量为主的简单的顺序逻辑控制系统中使用，在复杂的具有数值计算的过程控制系统或逻辑判断系统中，显得不够方便和灵活。

梯形图的一个关键概念是能流（能流在梯形图中实际上不存在，引入此概念是为了和继电接触器控制系统相比较）。在梯形图中，把左边的母线假想为电源相线，右边的母线假想为电源零线。如果有能流从左至右流向线圈，则线圈通电；如没有能流，则线圈不通电。能流在任何时候都不会通过触点自右向左流。

IEC61131-3为用户提供了线条连接、触点、线圈、执行控制等常用的基本元素，线条连接元素包括水平连接和垂直连接等。不建议在LD中使用执行控制类的指令。

结构化文本编程语言ST是一种文本化的高级编程语言，源自PASCAL，适合数值计算、循环和选择等复杂应用的场合。

ST中最基本的元素是表达式，表达式由操作数和操作符组成。操作数为直接量或变量。操作符的优先级决定一个表达式中的计算顺序。

一个ST程序由一定数量的语句组成，语句间用分号（；）隔开，注释需放在两个星号（**）之间。

举例：

IF语句可进行嵌套，ELSE部分可进行判断的嵌套，即使用ELSIF…THEN…ELSE语句。

常被当做CASE状态机。 整数选择值除了可以是一个数，也可以是一组数（2，3，4：）或一个数值范围内的数（5…10：），或者参数化的变量。

省略BY时，默认增量值为1.

RETURN语句 用于中止当前的POU的执行。

EXIT语句 使程序跳出当前迭代语句的循环。 嵌套循环时，可使用EXIT语句跳出内部循环，执行外部循环。

函数只有一个返回值，其调用属于表达式的范畴；FB的调用属于语句的范畴，因为FB可能有多个输出值，所以在一个表达式中不允许调用FB。 由于一个形式参数包括每个参数的名称和实际值，因此形式参数的顺序是任意的。 如果不写参数 允许在调用时使用“=>”，直接把输出值赋给指定变量。

2021.1.19 初次发布； 2022.1.2 例行维护； 2022.9.10 例行维护；