說起PLC的程序結(jié)構(gòu)，大家都知道PLC有主程序、子程序（S7-300/400稱為功能和功能塊）和中斷程序，好像沒有什么好討論的。實
際上不同的PLC的程序結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別，程序結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了編程思想是否先進(jìn)，決定了程序是否有很好的可重用性（可移植性）。可以
說程序結(jié)構(gòu)是設(shè)計一個理想的自動化PLC產(chǎn)品首先應(yīng)解決的最重要的問題。不少國產(chǎn)PLC在程序結(jié)構(gòu)方面存在較大的問題，采用理想的程序結(jié)構(gòu)
的國產(chǎn)PLC不多。例如有一家國產(chǎn)PLC自稱與三菱的FX2N兼容，但是居然沒有中斷功能！
1 幾種典型的PLC程序結(jié)構(gòu)
下面介紹幾種常見的PLC的程序結(jié)構(gòu)及其特點：
1．某些國外的小型PLC的程序結(jié)構(gòu)
這些PLC的用戶程序由主程序、子程序和中斷程序組成。在每一個掃描循環(huán)周期，CPU都要調(diào)用一次主程序。主程序可以調(diào)用子程序
，小型控制系統(tǒng)可以只有主程序。
中斷程序用于快速響應(yīng)中斷事件。在中斷事件發(fā)生時，CPU將停止執(zhí)行當(dāng)時正在處理的程序或任務(wù)，去執(zhí)行用戶編寫的中斷程序。
執(zhí)行完中斷程序后，繼續(xù)執(zhí)行被暫停執(zhí)行的程序或任務(wù)。
它們的子程序和中斷程序沒有局部變量，子程序沒有輸入、輸出參數(shù)。
2．西門子的S7-200的程序結(jié)構(gòu)
過程映像輸入/輸出（I/Q）、變量存儲器V、內(nèi)部存儲器位M、定時器T、計數(shù)器C等屬于全局變量。S7-200的程序組織單元(Program
Organizational Unit，簡稱為POU)包括主程序、子程序和中斷程序。每個POU均有自己的64字節(jié)局部變量，局部變量只能在它所在的
POU中使用。與此相反，全局變量可以在各POU中使用。
下面是子程序可以使用的局部變量：
1) TEMP (臨時變量)是暫時保存在局部數(shù)據(jù)區(qū)中的變量。只有在執(zhí)行該P(yáng)OU時，定義的臨時變量才被使用，POU執(zhí)行完后，不再保存
臨時變量的數(shù)值。
2) IN是由調(diào)用它的POU提供的輸入?yún)?shù)。
3) OUT是返回給調(diào)用它的POU的輸出參數(shù)(子程序的執(zhí)行結(jié)果)。
4) IN_OUT是輸入_輸出參數(shù)，其初始值由調(diào)用它的POU傳送給子程序，并用同一變量將子程序的執(zhí)行結(jié)果返回給調(diào)用它的POU。
主程序和中斷程序的局部變量中只有臨時變量TEMP。
具有輸入、輸出參數(shù)和局部變量的子程序易于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化編程，對于長期生產(chǎn)同類設(shè)備或生產(chǎn)線的廠家尤為有用。這些廠家的編程
人員為設(shè)備的各組件或工藝功能編寫了大量的通用的子程序。即使不知道子程序的內(nèi)部代碼，只要知道子程序的功能和輸入、輸出參數(shù)
的意義，就可以通過程序之間的調(diào)用快速“組裝”出滿足不同用戶要求的控制程序。就好像用數(shù)字集成電路芯片組成復(fù)雜的數(shù)字電路一
樣。
子程序如果沒有輸入、輸出參數(shù)，它和調(diào)用它的程序之間沒有清晰的接口，很難實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化編程。
子程序如果沒有局部變量，它和調(diào)用它的程序之間只能通過全局變量來交換數(shù)據(jù)，子程序內(nèi)部也只能使用全局變量。將子程序和中
斷程序移植到別的項目時，需要重新統(tǒng)一安排它們使用的全局變量，以保證不會出現(xiàn)地址沖突。當(dāng)程序很復(fù)雜，子程序和中斷程序很多
時，這種重新分配地址的工作量非常大。
如果子程序和中斷程序有局部變量，并且它們內(nèi)部只使用局部變量，不使用全局變量，因為與其他POU沒有地址沖突，不需作任何
改動，就可以將子程序移植到別的項目中去。
3．西門子的S7-300/400的程序結(jié)構(gòu)
S7-300/400將子程序分為功能（Function，或稱為函數(shù)）和功能塊（Function Block）。
S7-300/400的功能與S7-200的子程序基本上相同。它們均有輸入、輸出參數(shù)和臨時變量，功能的局部數(shù)據(jù)中的返回值實際上屬于輸
出參數(shù)。它們沒有專用的存儲區(qū)，功能執(zhí)行結(jié)束后，不再保存臨時變量中的數(shù)據(jù)。
可以用全局變量來保存那些在功能執(zhí)行結(jié)束后需要保存的數(shù)據(jù)，但是會影響到功能的可移植性。
功能塊是用戶編寫的有自己專用的存儲區(qū)（即背景數(shù)據(jù)塊）的程序塊，功能塊的輸入、輸出參數(shù)和靜態(tài)變量存放在指定的背景數(shù)據(jù)
塊中，臨時變量存儲在局部數(shù)據(jù)堆棧中。每次調(diào)用功能塊時，都要指定一個背景數(shù)據(jù)塊。功能塊執(zhí)行完后，背景數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)不會丟
失，但是不會保存局部數(shù)據(jù)堆棧中的數(shù)據(jù)。
功能塊采用了類似于C++的封裝的概念，將程序和數(shù)據(jù)封裝在一起，具有很好的可移植性。
S7-300/400的共享數(shù)據(jù)塊可供所有的邏輯塊使用。
4．IEC 61131-3的程序結(jié)構(gòu)
IEC 61131-3是PLC的編程語言標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61131-3是世界上第一個，也是至今為止唯一的工業(yè)控制領(lǐng)域的編程語言標(biāo)準(zhǔn)。IEC
61131-3有三種POU：程序、功能塊和功能。
功能是有多個輸入?yún)?shù)和一個輸出參數(shù)（返回值）的POU，返回值的名稱與功能的名稱相同，需要定義返回值的數(shù)據(jù)類型。調(diào)用具
有相同輸入值的功能總是返回相同的結(jié)果。功能可以調(diào)用其他功能，但是不能調(diào)用功能塊或程序。功能可定義的局部變量有VAR和
VAR_INPUT。
功能塊是有多個輸入/輸出參數(shù)和內(nèi)部存儲單元的POU，功能塊的輸出參數(shù)值與其內(nèi)部存儲單元的值有關(guān)。功能塊可以調(diào)用其他功能
塊或功能，但是不能調(diào)用程序。
在調(diào)用功能塊之前，必須在要調(diào)用功能塊的POU中為每次調(diào)用聲明功能塊的實例，操作系統(tǒng)將為每次調(diào)用分配功能塊專用的存儲區(qū)
（類似于S7-300/400的背景數(shù)據(jù)塊）。
功能因為沒有內(nèi)部存儲區(qū)，調(diào)用時不需要實例化。
程序的行為和用途類似于功能塊，程序具有輸入和輸出參數(shù)，而且可以具有內(nèi)部存儲區(qū)。程序通常包含有對功能和功能塊的調(diào)用。
IEC 61131-3定義了若干標(biāo)準(zhǔn)的功能和功能塊。
5．S7-300/400與IEC 61131-3程序結(jié)構(gòu)的區(qū)別
1）S7-300/400的功能可以有多個輸出參數(shù)，返回值也屬于輸出參數(shù)。IEC 61131-3的功能只有一個返回值。
2）IEC 61131-3的功能塊用于保存局部變量的專用存儲區(qū)是在聲明功能塊的實例時分配的，它對用戶是不透明的，其他POU不能直
接訪問該存儲區(qū)。
S7-300/400的功能塊的局部變量（不包括臨時變量）保存在它的背景數(shù)據(jù)塊中。其他POU可以訪問背景數(shù)據(jù)塊中的變量。如果需要
多次調(diào)用同一個功能塊來控制同一類型的被控對象，每次調(diào)用都需要指定一個背景數(shù)據(jù)塊，但是這些背景數(shù)據(jù)塊中的變量又很少，這樣
在項目中就出現(xiàn)了大量的背景數(shù)據(jù)塊。可以使用多重背景數(shù)據(jù)塊來減少背景數(shù)據(jù)塊的數(shù)量。但是需要增加一個用來管理多重背景的功能
塊。
3）S7-300/400的功能塊的局部變量有臨時變量和靜態(tài)變量，IEC 61131-3的功能塊的內(nèi)部變量Var相當(dāng)于S7-300/400的靜態(tài)變量。
4）S7-300/400將數(shù)據(jù)區(qū)劃分為數(shù)據(jù)塊來使用，數(shù)據(jù)塊的大小與數(shù)據(jù)塊中定義的變量的數(shù)據(jù)類型和變量的個數(shù)有關(guān)。IEC 61131-3沒
有數(shù)據(jù)塊的概念。
2 對國產(chǎn)PLC程序結(jié)構(gòu)的建議
1．小型PLC至少采用類似于S7-200的程序結(jié)構(gòu)
鑒于局部變量和子程序的輸入、輸出參數(shù)的重要作用，建議小型PLC至少采用類似于S7-200的程序結(jié)構(gòu)，子程序有輸入、輸出變量
，子程序和中斷程序有局部變量。
其缺點是子程序沒有專用的存儲區(qū)，如果在執(zhí)行完子程序后有需要保存的數(shù)據(jù)，不能使用子程序的臨時局部變量，只能使用全局變
量來保存它們。這樣的子程序沒有完全解決可移植性問題。
2．建議采用IEC 61131-3的程序結(jié)構(gòu)
S7-300/400或IEC 61131-3的程序結(jié)構(gòu)比較理想，其功能塊內(nèi)部可以全部使用局部變量，不使用全局變量，徹底解決了程序塊的可
移植性問題。相對而言，IEC 61131-3的程序結(jié)構(gòu)比較簡單。
有的國產(chǎn)PLC自稱符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，我認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)的核心和精髓是程序結(jié)構(gòu)，是檢驗真假IEC 61131-3的試金石。為了產(chǎn)品的
長遠(yuǎn)發(fā)展，建議國產(chǎn)PLC采用IEC 61131-3的程序結(jié)構(gòu)
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
