1.1 PLC程序概念

关键词：程序、指令、PLC函数、PLC功能块、PLC程序块、PLC程序组织单元（POU）、PLC任务、PLC工程

PLC编程标准对程序的定义是：“所有编程语言元素和结构的一个逻辑集合”。传统或低档PLC编程语言元素和结构只是指令（包含操作数），它的程序简单地说，就是PLC指令的一个有序（逻辑）集合。所以，它的编程使用手持编程器也就可以了。

新一代或高档PLC的语言元素和结构，除了指令，还有功能、功能块。其PLC程序则是由若干程序块组成。而一个程序块可以调用指令、函数块、功能块，也可调用其他程序块。程序块还可与任务相关联，由不同的任务激活。而任务则通过工程与使用PLC硬件资源相关联。所以，它的编程要用计算机，使用编程软件，通过建立工程予以实施。

PLC就是依靠运行这个程序，才得以实现它的功能。PLC的程序一般由用户设计，PLC厂商或代销商不提供。以下将对以上与编程相关概念作简要说明。

1.1.1 PLC指令

PLC指令（Instruction），也有的厂商叫操作（Operation），是用以告知PLC做什么，以及怎样去做的文字代码或图形符号。这里的做什么、怎样去做，主要是指CPU对PLC的各种寄存器、内存及外设的缓冲器的各种数据传送或变换。

依使用PLC编程语言的不同，这些代码或符号也不相同。但从本质上讲，指令只是一些二进制代码，即机器码。这点，PLC与普通计算机是完全相同的。如同普通计算机一样，PLC编程软件也有编译系统。它可把一些文字代码或图形符号编译成机器代码。所以，用户所看到的PLC指令一般不是机器代码，而是文字代码或图形符号。

如LD%IX0.0，就是一条文字指令。它由两部分组成。LD为装载操作码，%IX0.0为操作数（一个输入点的物理地址）。两者结合在一起，就是令CPU把操作数%I0.0的状态0或1，赋值给CPU累加器（Accumulator）。如

则是一条图形符号指令。它功能是使CPU累加器的现值赋值给输出点%Q0.0。再如

也是一条图形符号指令。它有3个操作数。两个输入（变量var1、var2），一个输出（变量var3）。目的是对两个输入变量进行加运算。结果输出给输出变量。

1.1.2 PLC功能（Function）

功能也称函数。PLC编程标准对它的定义是：“在执行时，它准确地产生一个数据元素和可能的其他输出变量，并且在文本语言中，可使用它的调用如同对表达式中的操作数那样”。说得通俗点，功能就是，PLC一组指令的有序集合，能将若干输入变量按某个特定规律转换成一个数据类型的输出。而这个输出的结果则被返回给函数本身，即它的返回值。如其输出为数组或结构，虽有多个（元素），但实质还是一个（数组或结构）。

函数可直接调用，其输出不被保存。所以也称没有记忆（without memory）的一组指令集合。这意味着，用相同的输入调用函数时，其输出总是相同的。图1-1所示为和利时PLC系统提供的一个进行字符串处理的函数。

图1-1 字符串处理函数

其功能是字符串var1与字符串var2相加（合并），然后赋值给字符串var3。如var1=abc，var1=efg，此指功能执行后则var3=abcdef。

一个函数还可调用另一个函数。但不能直接、间接地调用自身，即不允许递归调用。

函数是建立在指令基础之上的。简单的函数也可看成是指令。如三角函数、对数函数，也可看成数学计算指令。传统的PLC及其他很多PLC也都是这么处理的。

PLC函数分系统函数与用户函数，分别集成在相关函数库中。系统函数由PLC厂商提供，西门子称SFC。PLC档次越高，厂商提供函数也越多。用户函数可由用户编写与生成，西门子称之为FC。

1.1.3 PLC功能块（Functionblock）

根据PLC编程标准对功能块的定义是，能对若干输入变量进行处理，进而产生输出（一般为多个），或能执行某个特定操作。功能块要用实例（Instance）调用。在程序中，可创建多个实例。每个实例应具有一个相关的标识符（实例名称）和包含其输出和内部变量的一个数据结构，以及与实例有关的输入变量值或输入变量的引用。

功能块与函数不同，它没有返回值。但它的输出被永久保存在功能块的实例中。所以也称有记忆（with memory）的一组指令块。也因此，同样的实例，不同的程序扫描周期其输出可能是不同的。在功能块实例的外部，只有输入和输出变量可存取，而功能块的内部变量对功能块的用户是隐藏的。

图1-2所示为和利时PLC系统提供的一个增计数的功能块。这里的实例命名为C1。

图1-2 增计数的功能块

它的功能是实现增计数。与西门子PLC增计数指令的功能相同。该图上方的C1为实例名。图形左边的CU、RESET、PV（使用时的书写为C1.CU、C1.RESET、C1.PV）为功能块的输入端，右边的Q、CV（使用时的书写为C1.Q、C1.CV）为功能块的输出端。当这里的复位端（RESET）OFF，计数输入端（CU）信号每从OFF到ON一次，则计数功能块实例C1的现值加1。计数功能块现值输出（CV）端，输出计数功能块的当前计数值。当计数值大、等于计数设定值（PV）时，计数功能块输出（Q）端ON。当复位端ON时，停止计数，且计数功能块现值复位为0。

一个功能块还可调用另一个功能块。但不能直接、间接地调用自身，即也不允许递归调用。

生成功能块要用到指令或函数。所以，功能块是建立在指令与函数基础之上的。简单的功能块也可看成是指令。如上述计数功能块也可说成是增计数指令。传统的PLC及其他很多PLC也都是这么处理的。所不同的只是计数功能块指定实例的数量多少不受限制。而计数指令要用到PLC内部器件（计数器），其使用数量要受PLC提供的计数器数量限制。

功能块也可只有一个输出。这样的功能块与函数没有什么太大区别。所以，有的PLC，如欧姆龙，就只有功能块，而不用函数。只是函数可在结构化文本语言的表达式的中调用，而功能块则不能。

PLC功能块也分系统功能块与用户功能块，分别集成在相关功能块库中。系统功能块由PLC厂商提供，西门子称SFB。PLC档次越高，厂商提供功能块也越多。用户功能块由用户编写与生成，西门子称自建的功能块为FB。

1.1.4 PLC程序块（POU）

以上介绍的函数、功能块，PLC编程标准称之为程序组织单元（Program Organization Unit）。而这里介绍的程序块也是POU。函数、功能块虽是POU，但它们不能独立运行。只有程序块这个POU可通过系统管理使其独立运行。

程序块分为主程序块和一般程序块。主程序块是每个PLC程序所必须有的。PLC处运行状态时，将周而复始或周期地运行此程序块。而其他程序块则必须经调用，或由PLC的事件触发才能运行。只是不同的PLC此程序块用的名称不同。如ABB、和利时PLC，其主程序称PLC-PRG（不能改名）。再如西门子高档机为OB1。而非主程序块多可任意命名。

低档或传统PLC程序只有一个程序块。但其中含有很多子程序。而新一代或高档PLC可以没有子程序。但程序块都可相互调用。只是不能直接或间接调用自己，即也不能递归调用。

图1-3所示为西门子S7-1200机若干程序块。图中OB1为主程序块。它由PLC操作系统管理，并使其连续循环运行。而图中其他OB也是程序块，则与中断（事件）相关联。中断条件具备则被激活、运行。图中FB_1、FB_2分别就是一个功能块及其实例数据块，其运行与否则由OB1块调用。

图1-3 S7-1200机程序块

提示：程序块也称程序。正如白马也是马一样。一般讲，程序（块）、白马是个别概念，而程序、马是集合概念。弄清之间关系，为了与一般叙述一致，本书后续把程序块多说成程序。

1.1.5 PLC任务（Task）

根据PLC编程标准定义，任务为周期或触发相关程序组织单元（POU）执行而提供的控制元素。PLC程序块总是与具体的任务相联系的。而PLC程序则是由若干任务构成的。

不同的PLC有不同的任务划分。如欧姆龙PLC，其任务一般分为循环任务与中断任务。前者为定时循环执行，后者由事件触发，条件具备才执行。在循环任务中，有个基本的任务为循环任务00（启动），当PLC运行时，与其联系的程序（块）将周而复始执行着。传统PLC一般也就只有这样一个程序（块）。

再如和利时PLC，其任务有循环（Cyclic）任务、自由运行（Freewheeling）任务、事件触发（Triggered by Event）任务及外部事件触发（Triggered by External Event）任务。创建什么样的任务，以及任务与什么程序块建立什么关系，则用编程软件，在编程时，由编程人员确定。而在循环任务中，有个默认程序块，称PLC_PRG，当PLC处于运行状态，就一直周而复始地运行着。其他程序块则由PLC_PRG调用，也可由其他相关任务（Task）调用。

有的PLC没有任务这个词。其程序就是由不同特性的程序块组成。从本质上讲，这都与前面已介绍的PLC的实现控制方式有关。理解了PLC的实现控制方式的具体含义，这些概念也就好理解了。

1.1.6 PLC工程（Project）

工程是PLC编程及其他自动化程序的组织单位。运用它便于PLC面向对象编程及实现程序结构化。这是因为，工程包含有PLC硬件配置、程序块以及其他自动化应用。而每个配置、程序块或应用都有特定的功能。这样组织的程序既便于理解与调试，又便于平行开发，可单独开发许多单体或OEM产品，然后再予以集成与重用。

建立工程是PLC编程的开始。PLC编程也就是组织工程的过程。其基本步骤有：第一步是打开编程软件，创建（新）工程，确定工程名称，编辑工程属性；第二步是选定PLC类型、CPU型号、电源及I/O等模块，进行硬件配置（组态）；第三步是做好I/O地址分配以及有关模块的设定；最后才进行编程，如确定任务、建立程序块、调用功能及功能块等。此外，有的编程软件还可编辑图形界面，类似计算机监控软件，可用其形象地监控PLC控制系统工作，因而还有它的扩展步骤。一个工程的具体内含有多有少，与PLC品牌、类型及型号，特别与所用的编程软件有关。

工程也是PLC编程的归宿，只有通过工程对所编程序进行编译、与PLC联机，并下载程序、设定等给PLC，所编的程序才能起作用。

工程还是PLC编程及设定等数据存储的容器。没有工程，这些数据无法保存，也无法调用。所存储的工程文件有的软件为一个，也有的为多个，并分布在多个子文件夹中。所存储文件格式，有的还可选择。可以是文本文件，也可是二进制文件。前者可用文本软件阅读，后者只能用编程软件阅读。但两者都可用编程软件打开。

多数编程软件建立的工程可对多个PLC，以至于对多个PLC网络进行配置（组态），并分别对多个PLC编程及调试。但有的PLC软件工程只能针对一个PLC（如AB等PLC编程软件）。要对多个PLC编程可打开多个编程软件实例，分别处理不同的PLC。

提示：如使用简易编程器编程，其所有操作，包括种种设定，全用手工实现。所以，也谈不上什么工程。

提示：本节介绍的有关概念引自国标GB/T 15969.3—2005/IEC61131-3：2002及国标GB/T 15969.8—2007/IEC/TR61131-8：2003。更准确的界定请参阅该标准。