PLC結(jié)構(gòu)化的文本設(shè)計模式和算法-上

本文是CSDN上看到的一篇質(zhì)量比較高的文章，自己仔細(xì)讀了幾遍收獲很大，值得一起學(xué)習(xí)。我在作者的基礎(chǔ)上重新排版添加了一些備注和修改了一些錯誤的地方。由于字?jǐn)?shù)比較多，因此分成了上下篇。

一、前言

本文將會講解高度抽象的設(shè)計模式，設(shè)計模式與案例無關(guān)，并不以案例講題。反正學(xué)校按這種方式教了那么久也沒人聽得懂。我將主要以理論為主，避免與具體案例綁定，以防止讀者先入為主，以為某一設(shè)計模式只能適用于某案例，或某一設(shè)計模式只能單獨使用，不能結(jié)合其它設(shè)計模式，又或者某一案例只適合某一設(shè)計模式。

快捷鍵：

• Shift + Alt + F4 轉(zhuǎn)換和編譯所有程序
• Alt + O + W PLC寫入

簡單程序

Y0 := TRUE;
K1Y1 := HF;//指從Y1開始的4個連續(xù)端口設(shè)置為二進制1111，也就是四路導(dǎo)通。

為什么要用K開頭呢？ K在PLC符號中代表后面的文本將作為十進制數(shù)字使用，然而數(shù)字不能用于標(biāo)識符的第一個字母，這是所有編程語言的通例。 K1是指4個連續(xù)端口。為什么是4個？ 1位16進制數(shù)代表4個端口。這個K1是指“1位16進制數(shù)”的意思，也就是4個開關(guān)量。如果改為K2，就是“2位16進制數(shù)”，代表8個開關(guān)量。Y1表示從Y1端口開始計數(shù)，實際上就是C語言里的起始指針，數(shù)組指針之類的含義。

三菱ST編程相對西門子更簡單，因為它可以直接使用X、Y、M、D這幾個系統(tǒng)標(biāo)識，而西門子變量和端口全部都要聲明，然后定義到指定地址才能使用。

二、結(jié)構(gòu)化文本入門

PLC的經(jīng)典用法就是串并聯(lián)邏輯電路，ST語言的串聯(lián)用AND操作符，并聯(lián)用OR操作符，動斷觸點（常閉）用NOT操作符，此外還支持奇校驗XOR操作符。

2.1 單按鈕

M1 := X0 AND NOT M0;(* 上升沿檢測，如果X0是通，M0是斷，則M1是通 *)
Y0 := Y0 XOR M1;(* 上升沿的時候轉(zhuǎn)換狀態(tài)，如果Y0和M1中通的個數(shù)為單數(shù)，則Y0為通，否則為斷 *)
M0 := X0;(* 記憶X0的上一個狀態(tài) *)

2.2 起保停

X0為通時Y0設(shè)置為通，X1為通時Y0設(shè)置為斷，自鎖電路。

Y0 := NOT X1 AND (X0 OR Y0);

在梯形圖中，有一種專業(yè)的自鎖電路的替代方法，就是SET和RST指令。它們在ST中被封裝成系統(tǒng)宏函數(shù)。

SET(X0, Y0);(* 按下X0時，Y0置位 *)
RST(X1, Y0);(* 按下X1時，Y0復(fù)位 *)

這是推薦使用的方法，簡單易懂。ST宏函數(shù)和系統(tǒng)功能塊非常多，我們能夠記住一些指令就很不容易了，何況它們還有不同的參數(shù)。GX Ｗork2提供了一個快捷鍵，Ctrl + F1，把插入點定位在寫好的函數(shù)名上，按Ctrl + F1，IDE會自動插入?yún)?shù)提示。如果連函數(shù)名也不記得了，可以在右邊的窗口雙擊插入函數(shù)名或功能塊名。西門子Portal則是從左邊的自定義程序和右邊的系統(tǒng)程序中拖拽到工作區(qū)。系統(tǒng)函數(shù)的第一個形參都是使能標(biāo)志，相當(dāng)于每一個系統(tǒng)函數(shù)內(nèi)置了一個條件表達(dá)式，只有當(dāng)?shù)谝粋€形參傳入TRUE（通）的時候，才執(zhí)行指令的功能。

2.3 XOR高電平奇校驗

Y0 := X0 XOR X1 XOR X2;//做一個三聯(lián)開關(guān)，X0,X1,X2的狀態(tài)變化都會引起Y0翻轉(zhuǎn)。

這個程序在X0,X1,X2之中任意一個改變狀態(tài)時，都會使Y0狀態(tài)變化，也就是任意一個開關(guān)都可以自由地操作燈的亮滅。這個表達(dá)式如果要用標(biāo)準(zhǔn)的串并聯(lián)梯形圖來做，會非常麻煩。

• 連續(xù)XOR表達(dá)式也叫“ 高電平奇校驗 ”就是輸入點中TRUE的個數(shù)為單數(shù)的時候，結(jié)果為TRUE，雙數(shù)的時候結(jié)果為FALSE。
• 連續(xù)WOR表達(dá)式（ 低電平奇校驗 ）的效果是輸入點中的FALSE個數(shù)為單數(shù)時，結(jié)果為FALSE，雙數(shù)的時候結(jié)果為TRUE。

我們做邏輯運算多用的是高電平奇校驗公式，很少用到低電平奇校驗公式。當(dāng)奇校驗公式中有奇數(shù)個常量目標(biāo)電平時，根據(jù)奇校驗的算法，可以證明它等價于偶校驗，其實也等于在中間的某個位置加入一個NOT運算符或?qū)ψ罱K結(jié)果取反。

了解了奇校驗的特點后，我們也可以用一個計數(shù)器來代替奇校驗公式。

2.4 上升沿和下降沿

ST中的上升沿檢測使用LDP，下降沿使用LDF。升級版的單按鈕控制：

Y0 := Y0 XOR LDP(TRUE, X0);

LDP的第一個形參還是使能的意思，幾乎所有的指令都有很大概率在第一個形參寫TRUE，因為三菱PLC所有的指令都需要使能，而多數(shù)情況下，這些指令是需要永久使能的。LDP的第二個形參是上升沿檢測的變量，這里檢測的是X0的上升沿。實際上對應(yīng)單片機內(nèi)部電路，X0的引腳可能是收到了下降沿，這個LDP是指的從斷到通的狀態(tài)，與單片機電平方向無關(guān)。當(dāng)收到上升沿的時候，LDP返回一個掃描周期的TRUE，TRUE與XOR組合，就等價于一個NOT，就將Y0翻轉(zhuǎn)了，而LDP只返回一個掃描周期的TRUE，所以也只有這一個掃描周期的XOR等價于NOT，其余掃描周期則為XOR FALSE，也就是不起作用。這樣就實現(xiàn)了X0在從斷到通時Y0會發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，也就是記憶按鈕的效果。

2.5 定時器和計數(shù)器

定時器

輸出自變量，ENO：執(zhí)行結(jié)果：位。定時器觸點：TS普通，STS累計。定時器線圈：TC普通，STC累計。定時器當(dāng)前值：TN普通，STN累計。

計數(shù)器

輸出自變量，ENO：執(zhí)行結(jié)果：位。計數(shù)器觸點：CS。計數(shù)器線圈：CC。計數(shù)器當(dāng)前值：CN

擴展AB相編碼器的ST寫法

擴展閱讀https://blog.csdn.net/rediculous/article/details/102656817 注意: ST語言不能直接寫C251

• C和T元件的線圈加第二個字符C，如CC0, TC1等，C就是Coin線圈。
• 觸點加S，如C0的觸點就是CS0，S就是Switch開關(guān)的意思。
• 數(shù)值加N，如C0的數(shù)值就是CN0，N是Number數(shù)字的意思。

ST編寫AB相編碼器

OUT_C_32(TRUE,CC251,0);

第一個參數(shù)是使能C251，當(dāng)它為TRUE時，X0和X1被指定用于C251，這是PLC內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計，無法更改。第二個參數(shù)如果是CC251，表示使用C251，如果是CC252就使用C252。

C252比C251多使用一個X2作為復(fù)位。C254比C252多一個X6做外部使能。C253和C252功能一樣，但綁定的是X3,X4,X5。C255和C254功能一樣，但綁定的是X3,X4,X5,X7。

第三個參數(shù)是CS251的閥值。即CS251 := CN251 >= [第三個參數(shù)]。與普通計數(shù)器不同，第三個參數(shù)不會限制計數(shù)器的增長。如果不需要使用CS251，則第三個參數(shù)可以隨便寫。計數(shù)器復(fù)位當(dāng)然，C251也可以使用RST(X2, CN251);來復(fù)位，C252也可以用OUT_C_32(X6, CC252, 0);RST(X2, CN252);達(dá)到與C254一樣的效果。但指令表的響應(yīng)時間為0.3ms，比直接使用內(nèi)置的功能慢。

梯形圖剩下的功能就只有定時器和計數(shù)器了。下面演示一下定時器和計數(shù)器的用法。這個程序功能為按下X0兩次后，Y0輸出1秒的通，然后變回斷。

OUT_C(X0, CC0, 2);(* 對X0計數(shù)，它是邊沿有效的，計數(shù)器C0，CC0是C0的線圈，第2個C代表"Coin" *)
SET(CS0, M0);(* 達(dá)到2的時候，CS0變?yōu)門RUE，對M0置位，將M0也變?yōu)門RUE，CS0是C0的觸點，第2個S代表"Switch"開關(guān)的意思 *)
RST(M0, CN0);(* M0為TRUE時，復(fù)位計數(shù)器C0，M0為TRUE時，按X0不會計數(shù)，因為它一直被復(fù)位，CN0是C0的數(shù)值，第2個N是"Number"數(shù)字的意思 *)

OUT_T(M0, TC0, 10);(* M0為TRUE時，定時器T0開始計時，三菱FX3U定時器單位是100ms，第3個參數(shù)10表示1秒 *)
RST(TS0, M0);(* 時間到的時候TS0為TRUE，這一步就會復(fù)位M0，將系統(tǒng)狀態(tài)變回起始值 *)
Y0 := M0;(* 將M0的值從Y0輸出 *)

三、語句

3.1 條件分支IF-THEN…ELSE_IF-THEN…ELSE…END_IF;

我們再來試試自鎖電路的一種標(biāo)準(zhǔn)化寫法，它同樣具有很好的可讀性。

IF X0 THEN
	Y0 := TRUE;
ELSE_IF X1 THEN
	Y0 := FALSE;
END_IF;(* 注意：這個END_IF是要加分號結(jié)尾的，ST語言坑死人，多少新手被坑在這里好久才發(fā)現(xiàn)突然需要一個分號 *)

比起SET和RST，使用了條件分支使程序看起來更像是說明文檔。它的大意是：“如果X0通了，則讓Y0也通，如果X0沒通，但是X1通了，就讓Y0斷開，如果以上條件都不滿足，就什么也不做，保持之前的狀態(tài)。” 再來一個自鎖(X0,X1)+強制點動(X2)+翻轉(zhuǎn)(X3)的綜合型開關(guān)電路，動力輸出設(shè)計為Y4，并且每當(dāng)按下按鈕時，會有對應(yīng)的指示燈亮起，指示燈設(shè)計Yn對應(yīng)Xn：

K1Y0 := K1X0;(* 4路指示燈直接賦值 *)
IF X0 THEN
	Y4 := TRUE;(* 啟動 *)
ELSE_IF X1 THEN
	Y4 := FALSE;(* 停止 *)
ELSE_IF LDP(TRUE, X3) THEN
	Y4 := NOT Y4;(* 翻轉(zhuǎn) *)
ELSE_IF LDP(TRUE, X2) OR LDF(TRUE, X2) THEN
	Y4 := X2;(* X2動作時，取消記憶，強制變?yōu)槭謩?*)
END_IF;(* 再次強調(diào)：這個END_IF是要加分號結(jié)尾的，ST語言坑死人，多少新手被坑在這里好久才發(fā)現(xiàn)突然需要一個分號 *)

讀者可以自己試試用梯形圖串并聯(lián)方式實現(xiàn)這個電路，一個簡單的功能做成梯形圖也會非常復(fù)雜。條件分支的完整模板為:

IF conditions THEN
	tasks;(* 語法上IF語句任何一段分支的tasks都可以是空的。如果是空的，分號也可以不要 *)
ELSE_IF conditions THEN (* 如果沒有其它條件，ELSE_IF必須省略，如果有多個，ELSE_IF應(yīng)當(dāng)有很多，語法上沒有上限，可以寫到程序存儲器不夠了為止 *)
	tasks;
ELSE_IF conditions THEN
	tasks;
...
ELSE (* 如果沒有默認(rèn)操作，ELSE可以省略，也可以不省略 *)
	tasks;
END_IF;(* 這個地方破天荒地有一個分號 *)

3.2 狀態(tài)分支CASE-OF 1: … 2: … 3: … n: … ELSE … END_CASE;

這種分支結(jié)構(gòu)是專門用于狀態(tài)變量的，需要使用數(shù)字作為狀態(tài)變量，但代碼中不一定要按大小順序排版，也不一定要連續(xù)。未顯式定義的數(shù)字會轉(zhuǎn)接到ELSE段中。做一個演示用的紅綠燈，有紅亮(Y0)、黃亮(Y1)、綠亮(Y2)三種狀態(tài)，用一個按鈕X0來控制。這個程序并不十分適合這一場景，只是做為介紹語法之用，具體工程中只需要5~6行代碼就搞定了。

IF LDP(TRUE, X0) THEN
	D0 := D0 + 1;(* 狀態(tài)變量如果無止境地加上去會怎么樣？事實上不會，因為在CASE里有做限制 *)
END_IF;
CASE D0 OF
	0:(* 狀態(tài)0的時候Y0通。不一定要換行，只是為了寫注釋方便我在冒號后面直接換行了*)
		Y0 := TRUE;
		Y1 := FALSE;
		Y2 := FALSE;
	1:(* 狀態(tài)1時Y1通 *)
		Y0 := FALSE;
		Y1 := TRUE;
		Y2 := FALSE;
	2:(* 狀態(tài)2時Y2通*)
		Y0 := FALSE;
		Y1 := FALSE;
		Y2 := TRUE;
	ELSE(* 其它狀態(tài)時，跳到狀態(tài)0 *)
		D0 := 0;
END_CASE;

與C語言家族不同，結(jié)構(gòu)化文本不需要break，它不會從一個狀態(tài)直接就執(zhí)行到下一個狀態(tài)。case語句的結(jié)構(gòu)很簡單，開頭CASE和OF中間只能寫一個數(shù)值變量，后面是常量標(biāo)簽加個冒號，一個ELSE代表未定義的數(shù)值，最后以END_CASE;結(jié)尾，注意那個分號。簡化的寫法，通過條件判斷來賦值：

IF LDP(TRUE, X0) THEN
	D0 := (D0 + 1) MOD 3;
END_IF;
Y0 := D0 = 0;
Y1 := D0 = 1;
Y2 := D0 = 2;

還有依次傳遞狀態(tài) (不推薦）

IF LDP(TRUE, X0) THEN
	Y2 := Y1;
	Y1 := Y0;
END_IF;
Y0 := NOT (Y1 OR Y2);

個人比較推薦6行寫法，比較正規(guī)，5行寫法太作了，可讀性不好。目前看來CASE語句好像沒什么用。事實上CASE語句是IF語句的定制化版本，適合范圍更窄，但能少寫一些代碼。接下來的設(shè)計模式中如果條件允許，用CASE會有更好的可讀性，因為不重要的部分（標(biāo)簽數(shù)字）不會太顯眼。

3.3 循環(huán)

FOR temp := 起始值 TO 完成值 BY 增量 DO
	業(yè)務(wù)代碼
END_FOR;

while x0 then
	y0 := 1;
end_while;

REPEAT
	D0 := D0 + 1;
UNTIL D0 == 0 END_REPEAT;

3.4 跳轉(zhuǎn)指令

• EXIT

提前終止當(dāng)前循環(huán)，進入尾部的代碼，相當(dāng)于C的 break。

• CONTINUE

提前跳過本次循環(huán)，進入首部的代碼，與C的continue類似。但三菱GX Works2中沒有這個關(guān)鍵字。

• RETURN

返回，相當(dāng)于X86匯編的RET指令，RETURN是無操作數(shù)指令。ST的函數(shù)返回值直接函數(shù)名接受值。三菱FX3U的函數(shù)是一次性的，建議不要將自定義函數(shù)用于FX3U。造成三菱FX3U函數(shù)為一次性的原因是FX3U沒有動態(tài)棧。能夠函數(shù)復(fù)用的X86軟件的編譯器會給每一個CALL指令前面加上硬件壓棧指令PUSH，在RET之后會加上硬件彈棧指令POP。硬件棧是由CPU直接操作的連續(xù)內(nèi)存空間，不是軟件模擬的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它需要CPU內(nèi)置有棧指針寄存器。而FX3U的PLC程序是虛擬的處理器，沒有設(shè)計棧指針的功能。雖然可以用軟件棧代替，但他們也沒有這么做。這就導(dǎo)致了所有CALL命令都綁定在一塊固定的寄存器上，無法嵌套。而且寄存器綁定函數(shù)后就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)耦合，產(chǎn)生難以預(yù)料的后果。

三菱FX3U的功能塊可以產(chǎn)生多個實例，每一個實例綁定獨立的寄存器，就可以安全地做到代碼復(fù)用。對于純計算，即沒有狀態(tài)存儲功能的函數(shù)和功能塊，可以放心地復(fù)用，對于有狀態(tài)存儲功能的功能塊需要創(chuàng)建多個實例。所有支持梯形圖的PLC都難以實現(xiàn)動態(tài)棧，因為動態(tài)棧和梯形圖的程序理念是相背離的，動態(tài)棧希望程序盡可能使用動態(tài)變量，而梯形圖依賴于靜態(tài)變量。動與靜的矛盾之下，PLC設(shè)計者必須進行取舍。FX3U的內(nèi)存量是足夠動靜共存的，問題在于動態(tài)棧很難兼容梯形圖，而梯形圖才是PLC的主要賣點。

• JMP

跳轉(zhuǎn)到指定標(biāo)簽位置，和X86指令同名，可以用于代碼混淆，不建議手寫。但三菱GX Works2中沒有這個關(guān)鍵字。不確定是不是我的資料的問題。三菱Q系列有JMP指令（比FX系列可以節(jié)省一個LD M8000，其實沒什么很大的意義），但不能作為ST的函數(shù)或關(guān)鍵字。