对于PLC编程，哪种IEC 61131-3编程语言最适合？
图片来源：ControlSphere Engineering
作者 | Gary L. Pratt
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可编程逻辑控制器（PLC）有很多编程语言可供选择。有种说法，标准的伟大之处在于有很多选择！尽管这很讽刺，但在IEC 61131-3编程语言中，有多种语言标准可供选择确实是一个优势。
在参加我的培训班时，很多学生抱着这样一种心态：选择最适合自己的语言，然后专门学习该语言。上课伊始，他们经常会问我会推荐适用哪种语言。或者，“最好的语言是哪个？”
我没有回答，问他们一个问题：“在阿拉伯数字中，哪个数字最好？”或“英语中，哪个词最好？” 再比如：办公室软件中，哪个工具最好？是文档编辑器、演示文稿编辑器，还是电子表格编辑器？虽然可以使用文档编辑器创建演示文稿和电子表格，但这是正确的方法吗？
使用一种工具实现多种目的，需要学习各种技巧，这是否值得付出？仅学习该工具对工作有用的主要功能，是不是更有效？与办公软件一样，为应用选择最佳编程语言是最有效的，可以避免很多麻烦。当使用的IEC 61131-3编程语言能够充分发挥其语言的优势时，PLC的编程和维护功能就会得到加强。
梯形图编程
梯形图（LD）编程的历史，可以追溯到大约100年前的继电器梯形逻辑（RLL），它主要用于描述电气元件系统（如继电器、计时器和电动机）。在自动化时代初期PLC逐步替换继电器和计时器时，创建一种用户熟悉并与被替换的工具相似的编程语言非常重要。
不幸的是，控制器变得越来越强大，能够实现的功能也已经远远超过继电器和计时器，LD语言被用于各种新的场景，而这并不是LD所擅长的，因此效果也不是特别理想。
PLC供应商提供新的、更适合PLC和可编程自动化控制器（PAC）应用的语言的速度比较缓慢，使这种情况进一步恶化。对于源自北美的控制器而言尤其如此，这可以解释在全球范围内，LD持久受欢迎的程度为什么会有所差异。
LD编程的优势是什么？为什么它能持久受欢迎？关键就是图形化。而通常来说工程师是更倾向于图形化思维的。
起初，大多数LD编程的替代方法都是基于文本的语言，这些语言与工程师的图形化思维不会产生共鸣，其结果就是不愿从LD转向其它语言。幸运的是，这种情况正在发生变化。
LD仍然是一门伟大的语言，它的初衷是执行复杂的布尔逻辑。在这个领域内，LD逻辑易于设计且易于调试。要确定为什么结果与预期不符，有多容易？在LD语言中，只需要观察蓝色实心触点的路径在何处中断就可以快速获得答案。
▎ 图 2 ：该图比较了在 Codesys 中实现复杂布 尔逻辑的不同语言
顺序功能图编程
顺序功能图（SFC）是一种图形语言，非常适合表示状态机（state machine），并且像LD语言一样，它吸引了工程师的图形化思维天性。
状态机的历史可以追溯到很多年前，但是直到最近才被用于工业编程。状态机是表示系统行为的一种非常强大的方法，可用于表达行为取决于过去历史记录的系统逻辑，例如：
1.设置线圈或复位线圈；
2.封装逻辑（布尔反馈）；
3.由代码设置的内部标志，用于决定未来的行为。
实际上，即使是简单的TON On-Timer和R-Trig one-shot都是状态机。它们的下一个行为取决于先前的输入和行为。与其它编码技术相比，状态机具有许多优势：
1.它们易于设计，因为它清楚地描述了系统可能的状态，系统如何在这些状态之间转换，系统在这些状态下应采取的行动。
2.在运行时，可以很容易地确定系统处于什么状态，在该状态下正在做什么，以及在什么条件下系统会切换到下一个状态（或者过程中出了什么问题，导致无法切换到下一个状态）。
3.促进构思周密且组织良好的设计。这样可以确保所有可能的事件都已得到妥善处理（就不会有人半夜三更把你从床上叫起来，去修复无法正确处理异常工况的代码）。
4.易于确定是否已经测试了所有可能事件。只需打印出SFC，并在执检查时划掉每个状态和切换条件即可。完成所有工作后，测试就完成了（程序员的置信度为100％）。
▎ 图3：该图显示了顺序功能图的编程组件
如何实现状态机？
几乎任何语言都可以实现状态机，但它们都需要特定的编码技术，包括步（step）、转换（transition）、分支/跳转（branch/jump）和动作（action）。
步描述了系统可以驻留的状态；转换指示系统何时应从上一步转移至下一步；分支和跳转指示下一步应该是什么；动作指定在该步期间（进入或退出该步）应执行的操作。
由于其图形化属性和工作的专业性，SFC语言是状态机最自然的选择。对于那些需求异常复杂或要求特别灵活的系统，状态机也可以用基于文本的语言来实现。对于只能使用LD的企业，状态机甚至可以在LD中实现，方法是为每个状态使用一个线圈，转移逻辑为每个线圈通电/断电，将系统从一个状态转移到下一个状态，以及利用使用状态线圈的独立逻辑来执行动作。
一些供应商还可以用统一建模语言（UML）来实现状态图，作为SFC的更强大、更灵活的替代方法，但这需要更长的学习曲线，而且在工业控制领域中的接受度有限。
对于状态机，语言的选择是次要的，所用技术的选择更重要。在SFC中，该语言强制使用状态机技术。在其它语言中，使用的技术取决于工程师制定的规则。
▎ 图4：基于Codesys连续功能图语言，展示了一个基于块的编程设计 示例
功能块图编程
功能块图（FBD）是一种图形语言，符合工程师的图形化思维。来自Codesys（以前被称为3S-Smart Software Solutions）的集成开发环境提供了两种FBD，即传统的IEC 61131-3 FBD和类似但更灵活的连续功能块图（CFC），CFC还没有正式成为IEC 61131-3的一部分。CFC是FBD的超集，具有两大优势：
1.基于块的功能编程（执行布尔和数学运算）；
2.分层设计（调用其它功能和功能块）。
1 基于块的编程
基于块的设计由预定义功能组件组成，这些组件连接在一起执行布尔逻辑、数学计算或二者兼而有之。当输出是输入的函数时（换句话说，当没有状态变量，例如布尔反馈、设置/复位线圈或标志时），CFC块编程非常出色。当同时使用无状态功能和基于状态的功能时，请结合使用CFC和SFC。
因为连接性是用功能块之间的线来表示的，所以很容易理解信息流以及信息是如何沿着其路径进行修改的。如果功能开始变得复杂，则应将其分为较小的、更易于管理的子块。如果块之间存在大量连接，则可以将这些线连接至数据结构类型的引脚。
结构引脚（structure pin）具有3个优点：
1.在层次化结构设计中，每个层次都消除了不必要的细节，更清晰易于理解；
2.保持较小的功能块，可以在一页上查看整个信息流；
3.允许信息流向上游和下游，以进一步减少不必要的细节。
对于以前采用LD实施基于块或分层功能的PLC程序员来讲，CFC提供了一种更为简洁和灵活的方法。CFC的开发速度更快，而且对于将来负责维护或改进代码的工程师来说，也更容易理解。
▎ 图5：结构引脚可以减少不必要的细节和混乱，从而增强了图表的可 读性。
2 分层设计
分层设计是一种从很多简单的构建块层层设计的实践。与传统的扁平化设计相比，分层设计具有许多优点：
1.定制；
2.创建；
3.测试与完善；
4.理解和维护；
5.易于复用。
构建块技术支持并鼓励在层次结构的每个级别上，展现同等程度的细节，这就使块技术更易于设计和理解。这样，在较高层次的设计中，不必因为展现细节而被弄得杂乱无章，这些细节只在较低层的设计中很重要。在层次结构的每个级别上，分层CFC设计应都具有统一的细节展示。
使用LD作为构建块语言的传统方法会存在2个弊端：
1.信息的低密度导致LD设计可能会分布到数10页上，很难或不可能看到和理解全局；
2.不同层次的细节混杂在同一层次上会十分混乱，这使设计难以理解和维护。
而使用结构化文本的CFC分层设计可以解决这两个问题，同时保持了LD的图形特性。这是个两全其美的解决方案。
分层设计是面向对象的工业编程（OOIP）的关键功能。在部署和配置用户自定义的功能块以后，CFC编程开始与分布式控制系统（DCS）的编程/组态有点类似，但使用IEC 61131-3程序员可以控制底层的块。如果某个块需要较小的改进，程序员就可以执行此操作，而无需费时费力的请DCS供应商介入。
完整的分层PLC设计，可以看作是一棵由分层CFC构成主干和分支的树。基于块的CFC、SFC、LD和ST填充树叶所处位置的详细功能设计。IEC 61131-3语言共同构成了一个团队，该团队比其各个部分的功能更强大。
▎ 图6：此处的分层设计是在连续功能图编程中实现的。
结构化文本编程
尽管LD、SFC和FBD/CFC语言可以出色的完成其任务，但有些运算并不适合使用图形化语言。
一些支持使用结构化文本（ST）语言编程的运算包括：
1.迭代运算，例如For、While和Repeat；
2.复杂条件和选择，例如IF-THEN和CASE；
3.位运算，例如按位与、移位、旋转；
4.文本字符串运算；
5.具有特殊要求或特别复杂的状态机；
6.纯粹的面向对象编程（调用方法，设置属性等）。
有许多很好的教程，可指导工程师从其它基于文本的语言过渡到ST。对于那些完全不熟悉基于文本的语言的人来说，Visual Basic教程是一个很好的起点。尽管结构化文本基于Pascal编程语言，但它与VB有非常相似，因此可以参考应用更广泛的VB教程。
使用最合适的语言编程
要创建有效的工业控制程序，掌握合适的编程语言并知道如何有效使用这些语言非常重要。有很多语言可供PLC选择，IEC 61131-3编程语言标准也提供了多种选择。充分利用每种语言的优势效率会更高，而不是学习一种语言的各种技巧和变通方法来使其适用于所有应用。程序员应为应用选择最佳语言。
PLC数字孪生模型构建
PLC数字孪生体模型的构建方法主要分为以下几个步骤：
1. 确定建模目标：首先需要明确要构建的PLC数字孪生体模型的目标和用途。确定模型要包含的功能和特性。
2. 收集数据：收集与PLC相关的数据，包括PLC程序代码、传感器数据、工艺参数和设备状态等。这些数据可以通过现场监测设备、数据采集设备或者其他数据源获取。
3. 数据预处理：对收集到的数据进行预处理，包括数据清洗、数据校正、数据平滑、数据插补等处理，确保数据的准确性和完整性。
4. 建立数学模型：根据PLC的工作原理和控制算法，结合收集到的数据，建立PLC的数学模型。这可以包括差分方程、状态空间模型、逻辑规则等。
5. 进行模型验证和验证：将建立的数学模型与实际的PLC系统进行对比和验证，比较模型的输出结果与实际系统的行为是否一致。根据验证结果，对模型进行调整和优化。
6. 构建数字孪生体模型：基于已经验证的数学模型，使用软件工具或编程语言等，将数学模型转化为可执行的PLC数字孪生体模型。该模型可以模拟实际PLC系统的行为和响应。
7. 模型应用和优化：根据实际需求，将构建的PLC数字孪生体模型应用于不同的场景和问题中。通过模型的运行和分析，可以优化PLC系统的性能、改进控制策略等。
需要注意的是，PLC数字孪生体模型的构建需要充分了解PLC的工作原理和控制算法，并具备相关的数学建模和编程技能。同时，与PLC实际系统的数据交互也需要考虑数据传输和通信的方式。
此外，还有一些额外的注意事项：
- 数据的选择和采集：在收集数据时，需要确保数据的质量和代表性。选择合适的传感器和采集设备，并确保数据的准确性和完整性。
- 模型的精度和准确性：建立的数学模型应尽可能准确地反映实际PLC系统的行为。在模型验证和验证过程中，需要与实际系统进行比较和调整，确保模型的精度和准确性。
- 模型的实时性和可扩展性：在构建PLC数字孪生体模型时，需要考虑模型的实时性和可扩展性。模型的运行和响应时间应尽可能接近实际系统，并能够适应不同规模和复杂度的PLC系统。
- 模型的应用和优化：构建的PLC数字孪生体模型可以应用于多个领域，如故障排查、性能改进、优化控制等。根据具体需求，可以进一步优化模型和算法，提高模型的可靠性和实用性。
总之，构建PLC数字孪生体模型是一个复杂的过程，需要综合考虑PLC系统的工作原理、数据采集与处理、数学建模和模型验证等方面的知识和技能。同时，随着技术的不断发展，PLC数字孪生体模型的应用前景也将不断拓展和发展。
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