1.2 PLC的软件组成与编程语言

1.2.1 PLC的软件组成

可编程序控制器（PLC）作为一种具有通信功能与可扩展输入/输出接口的工业计算机，它必须具备相应的控制软件。PLC控制软件（系统程序）根据生产厂家、型号的不同有所区别，但总体上说，可以分为系统程序和应用程序两大部分，两者相对独立。系统程序和应用程序又包括若干不同用途的组成程序，具体见下述。

1.系统程序

PLC的系统程序一般由管理程序、指令译码程序、标准功能块三部分组成，其用途各不相同。

1）管理程序

管理程序是系统程序的主体，主要作用是控制PLC进行正常工作，包括如下三个方面。

（1）系统运行管理，如控制PLC输入采样、输出刷新、逻辑运算、自诊断、数据通信等的时间次序。

（2）系统内存管理，如规定各种数据、程序的存储区域与地址，将用户程序中使用的数据、存储地址转化为系统内部数据格式及实际的物理存储单元地址等。

通过系统内存管理，PLC可以将有限的资源转变为可供用户程序使用的大量编程元件，如将实际PLC中存在的有限的CTC扩展为多个用户定时器、计数器等；并可建立起用户程序所使用的编程元件空间、程序存储空间与实际物理存储器、PIO、CTC之间对应关系。

（3）系统自诊断，PLC自诊断包括：系统错误检测、用户程序的语法检查、指令格式检查、通信超时检查等。当系统发生上述错误时，可进行相应的报警与提示。

2）指令译码程序

由于计算机最终可以执行的语言只能是机器码，为此，在PLC内部必须将用编程语言编制的用户程序转化为机器码。指令译码程序的作用，就是在执行指令过程前将用户程序逐条“翻译”成为计算机能够识别的机器码。

指令译码需要一定的时间，它将降低PLC的处理速度，因此，在编制PLC用户程序时应尽可能简洁、明了，避免重复动作，这样不仅使程序便于检查，而且还可以提高程序的执行速度。

3）标准功能块

在部分PLC中，为了方便用户编程，PLC生产厂家常将一些实现“标准动作”或特殊功能的PLC程序段，以类似子程序的形式存储于系统程序中，这样的子程序称为标准功能块。用户程序中如需完成标准功能块动作或功能，只须通过调用相应的标准功能块，并对其执行条件进行赋值即可。

标准功能块的多少代表了PLC的可编程性能，可以使用（调用）的标准功能块越多，用户程序编制就越容易、方便。

注意：以上所述的PLC系统程序，是指控制PLC系统自身运行的控制程序，它不向用户开放。因此，PLC系统程序不包括用来支持PLC编程与调试的编程软件与仿真软件，后两种属于PLC编程、调试用工具软件的范畴。

2.应用程序

PLC应用程序是指PLC的使用者（用户）根据各种控制要求与控制条件编制的PLC用户控制程序，因此常称为用户程序。

应用程序的编制方法决定于所使用的编程工具（编程器与编程软件），目前最为常用的编程语言是梯形图，其程序通俗易懂，编程直观方便。此外，指令表、逻辑功能图、顺序功能图、流程图以及其他高级语言也可以在不同的场合使用。

1.2.2 PLC的编程语言

IEC（国际电工委员会）的PLC编程语言标准（IEC 61131-3）中有5种编程语言：顺序功能图（Sequential Function Chart，SFC）、梯形图（Ladder Diagram，LD）、功能块图（Function Block Diagram，FBD）、指令表（Instruction List，IL））和结构文本（Structured Text，ST）。

其中的顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）和功能块图（FBD）是图形编程语言，指令表（IL）和结构文本（ST）是文字语言。

目前已有越来越多的PLC生产厂家提供符合IEC 61131-3标准的产品，有的厂家推出的在个人计算机上运行的“软PLC”软件包也是按IEC 61131-3标准设计的。

1）顺序功能图

顺序功能图（SFC）是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，在其中可以用其他语言嵌套编程。步、转换和动作是顺序功能图中三种主要的元件（如图1-8所示）。顺序功能图用来描述开关量控制系统的功能，根据它可以很容易地画出顺序控制梯形图程序。

2）梯形图

梯形图（LD）是使用最广泛的PLC图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，直观易懂，很容易被工厂熟悉继电器控制的工作人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。图1-9和图1-10中用西门子S7-200 PLC的3种编程语言来表示同一逻辑关系。西门子的说明书中将指令表称为语句表。

梯形图由触点、线圈和应用指令等组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的输出标志位等。

在分析梯形图中的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧垂直母线之间有一个左正右负的直流电源电压（有时省略了右侧的垂直母线），当图1-9中I0.1与I0.2的触点接通，或M0.3与I0.2的触点接通时，有一个假想的“能流”（Power Flow）流过Q1.1的线圈。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图，能流只能从左向右流动。

3）功能块图

功能块图（FBD）是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。图1-10中的控制逻辑与图1-9中的相同。

4）指令表

PLC的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式，由指令组成的程序叫做指令表程序。指令表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在设计时一般使用梯形图语言。如果使用手持式编程器，必须将梯形图转换成指令表后再写入PLC。在用户程序存储器中，指令按步序号顺序排列。

5）结构文本

结构文本（ST）是为IEC 61131-3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。

1.2.3 PLC的程序结构

PLC程序块由主程序、子程序、中断程序以及注释组成，如图1-11所示。

1）主程序（MAIN）

主程序中包括控制应用的指令，PLC在每一个扫描周期中顺序执行这些指令。

2）子程序（SBR）

子程序是应用程序中的可选部分。只有被主程序、中断程序或者其他子程序调用时，子程序才会执行。当希望重复执行某项功能时，子程序是非常有用的。

3）中断程序（INT）

中断服务程序是应用程序中的可选部分。中断方式有输入中断、定时中断、高速计数中断、通信中断等中断事件引发，当CPU响应中断时，可以执行中断程序。