[1] 王永华. 现代电气控制及PLC应用技术[M]. 第5版. 北京:北京航空航天大学出版社, 2018.
[2] 台达. ISPSoft软件使用手册[M]. 第10版. , 2019.

写这篇文章时，除了对IEC61131-3基本内容做摘录以外，也参考了遵循IEC61131-3标准的控制器用户手册内容，目的是了解IEC61131-3标准的实际落地情况。

1简述

IEC61131-3是IEC61131标准的第三部分，它定义了PLC的软件结构、编程语言和程序执行方式，它综合了世界上广泛流行的编程语言的特点，并使其成为一种面向未来的PLC编程语言。IEC61131-3提供了5种PLC的标准编程语言，其中有3种图形语言：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和顺序功能图（SFC）；两种文本语言：结构化文本（ST）和指令表（IL）。其中使用IL、LAD、SFC编制的程序都可以相互转换后进行显示、编辑。

SFC在新标准中作为一种公共元素出现，其目的是要把它定义成构成PLC程序和功能块内部组织的元素，但其实质仍是一种编程语言，且主流出版物都将其作为一种编程语言看待。

传统PLC程序架构与IEC61131-3程序架构区别见下：

传统PLC程序架构	IEC61131-3 程序架构
主程序	1. 将单一的程序切割为许多独立的程序单元（Prog POU）。 2. 将建立的程序单元指定为周期性的工作（TASK）。
一般子程序	1. 将子程序建立为功能块（FB POU）。 2. 在其它的程序单元中对建立好的功能块（FB）进行调用。
中断子程序	1. 为不同的中断程序，分别建立独立的程序单元（Prog POU）。 2. 将建立好的程序单元指定至对应的中断型工作（TASK）中。

IEC61131-3软件模型见下：

2编程基础

2.1程序组织单元POU

基本概念

在模块化程序设计环境下，程序组织单元POU（Program Organization Unit） 是用户程序中最小的、独立的软件单元。它相当于传统编程系统中的块（Blocks），POU之间可以带参数或不带参数地相互调用。
在IEC61131-3中定义了三种类型的POU，按其功能的递增顺序依次为函数（Function，FUN）、功能块（Function Block，FB）和程序（Program，PROG）。

FUN（函数）
FUN是可以赋予参数但没有静态变量（没有记忆）的POU，当以相同的输入参数调用时，它总是生成相同的结果作为函数输出，例如算术运算指令。

函数没有存储器，不存储暂态结果、状态信息或内部数据，故称其无记忆。

FB（功能块）
FB是可以赋予参数并具有静态变量（有记忆）的POU，当以相同的输入参数调用时，它的输出状态取决于其内部和外部变量的状态，它能记忆状态信息，例如定时器和计数器等。
PROG（程序）
PROG代表PLC用户的最高层，即程序，它能存取PLC的IO变量，这些IO变量必须在POU或其上层中予以说明。
在IEC61131-3中，一个程序可由多个部分组成，而每个部分所使用的编程语言不一定是相同的。

POU的定义

PROGRAM 程序名/FUNCTION_BLOCK 功能块名/FUNCTION 函数名：数据类型指令
END_PROGRAM/END_FUNCTION_BLOCK    /END_FUNCTION

POU的相互调用

2.2简单语言元素

PLC程序是由一定数量的基本语言元素（最小单元）组成的，把它们组合在一起形成“说明”或“语句”。

分界符
用在“说明”或语句中起隔离、标识等作用。
逗号用于隔开多个变量；分号标识ST中一条语句的结束；星号+括号（**）之间存放对程序和语句的解释部分；冒号加等号标识ST编程语句中的赋值等。
关键字
包括：数据类型名称；标准FUN、FB名称及其输入（仅FB）/输出参数名称；某些变量、运算符和语言元素。
关键字对大小写没有严格规定（大小写不敏感），但在实际使用时常用大写来表示关键字。
直接量
表示某些常数的数值，有三种类型：数字直接量，字符串，时间直接量
标识符
用于命名各种变量、程序、配置、资源等。

2.3数据类型

IEC61131-3定义了PLC编程中最常用的数据类型，并允许用户自己定义导出的数据类型。

基本数据类型

类（ANY）数据类型：类数据类型由单个数据类型集合而成，ANY-INT表示所有整数的数据类型。

导出的数据类型：在基本数据类型的基础上，用户自定义数据类型的过程称为导出或类型定义，这种用新名词定义的数据类型称为导出数据类型。

TYPE 变量名: 变量类型;PRESSURE: REAL;
END_TYPE

结构化数据类型
以一个压力传感器的结构化数据类型定义举例：

TYPE PRESSURE_SENSORSTRUCTINPUT: PRESSURE;STATUS: BOOL;CALIBRATION: REAL;ALARM_COUNT: INT;END_STRUCT
END_TYPE

枚举
枚举允许对同一变量的不同状态（不同值）定义不同名字，如设备工作状态包含初始状态、运行状态、停止状态和故障状态。

TYPE DEVICE_MODE:(INITIALISING,RUNNING,STANDBY,FAULTY)
END_TYPE

在编程中使用导出数据类型时，使用”数据类型#具体变量名“

G := DEVICE_MODE#INITIALISIN;

数组

TYPE VESSEL_PRESS_DATA:ARRAY[1..20] OF PRESSURE;
END_TYPE

关于数据范围
在对变量进行数据类型定义时可增加。

TYPEPRESSURE(0.1..30.0): REAL; (*压力范围0.1~30*)
END_TYPE

关于初始值
数据变量的初始缺省值是“0”，字符串的初始缺省值是空串，日期的缺省值是“D#0001-01-01”。
外部变量和输入/输出变量以外的数据变量可定义初始值。

2.4变量

2.4.1主要变量简介

在编制POU之前，必须对变量进行定义和声明，使用变量的地方不同，所使用的变量也会有区别。

输入变量 VAR-INPUT：可以像传统PLC中的输入量一样，为POU提供外部接口的输入数据，也可以是专为FUN或FB定义的没有外部物理输入接口的变量
输出变量 VAR-OUTPUT：可以像传统PLC中的输出量一样，POU提供输出数据到外部接口，也可以仅仅是FUN或FB的输出，没有相对应的外部物理输出接口
输入/输出变量 VAR-IN-OUT：具有输入变量和输出变量的功能，没有传统意义上的物理接口，在编写FUN、FB时用到
全局变量 VAR-GLOBAL，该变量可在结构、源或程序中任何POU（除FB）中使用
外部变量 VAR-EXTERNAL，用于解决全局变量、直接地址变量和FB之间的连接问题
临时变量 TEMP：在POU内部定义的一种可以存储中间计算结果的变量
存取通径变量 VAR-ACCESS 它提供了一种配置（Configuration）之间进行数据交换（通信）的渠道

输入/输出概念不同于外部物理输入/输出，而是用于FUN/FB。

2.4.2 变量类型的属性

在IEC61131-3中设置了一些限定符，使用它们可以将附加的特性赋给变量。
RETAIN具有带电保持功能的变量。
CONSTANT常数变量。带有变量名的常数。

（下述两种属性只对VAR_INPUT有效）
R_EDGE上升沿。
Q_EDGE下降沿。

当用到上升沿或下降沿功能时，更多会使用相应标准功能块。

（下述两种属性只对VAR_ACCESS有效）
READ_ONLY只读
READ_WRITE读写

2.4.3定义变量

模板：

VAR_变量类型 变量类型
变量名 数据类型：=初始值；
END_VAR

举例：

VAR_OUTPUT RETAINMotor1: BOOL := FALSE;Message: STRING(10);
END_VAR

可以以逗号隔开的方式连续定义几个相同类型的变量:

VAR_变量类型 变量类型
变量名1,变量名2,变量名3 数据类型 :=初始值；
SB1,SB2,SB3 BOOL:= FALSE;
END_VAR

2.4.4变量地址的直接表示

在传统PLC中，当使用其内部资源时，用的是直接地址。在IEC61131-3中，这种变量也可以用地址直接表达或以符号变量的形式出现（即使用变量来表达地址）。它们以%开始，然后表示I（输入）、Q（输出）和M（中间继电器）的字母，接下来是表示PLC地址数据宽度的字母，如X（位）、B（字节）、W（字）、D（双字）等，最后使用分级地址表示的具体的直接地址。对这种变量进行说明时，要通过关键字AT指定。

分级地址，位置的数量和解释取决于制造商。Z-位、Y-字、X-模块、W-机架、V-PLC

2.5资源

PLC的处理器被称为资源（RESOURCE）。对资源可以进行定义或说明，定义从关键词RESOURCE开始，以END_RESOURCE结束。在资源说明中，其内容一般包括全局变量说明、通径变量说明和任务定义等。（这里的全局变量限于同一个资源。）

RESOURCE 资源名 ON Resource
全局变量说明
TASK说明
END_RESOURCE

2.6任务

定义任务的目的在于规定程序以及功能块的运行期特性。

在实时控制系统中，由于控制对象不同阶段的任务和工作过程不同，相应的程序也不同，因而需要对这些不同的程序进行灵活调用和组态。
在IEC61131-3中，若干个程序能同时运行于同一个资源，它们可以有不同的优先权和类型，即程序可以是单周期执行、循环执行、按不同优先级执行。实现这样的功能由任务（TASK）来完成，每一个程序与一个（或多个）任务相关联（使用关键字WITH），这样就可以使程序进入运行期。

任务运行方式可分为自由运行、周期以及事件。

自由运行（Freewheeling）：自由运行任务没有固定持续时间，一个运行周期结束后，任务将在下一个周期中重启；
周期（cyclic）：任务按照设定的周期事件执行；
事件（event）：仅在指定的事件发生时执行一次；

控制器无法同时执行多个任务。每个任务须分配一个唯一的优先顺序（Priority），相同运行方式的任务按照设定的优先顺序执行，其中0为最高优先级；对于不同运行方式的任务，当条件同时成立时，其运行顺序为事件>自由运行>周期。

同一个任务下可以关联一个以上的程序POU，其排列顺序则会决定各POU实际执行时的顺序。
未关联的程序拥有最低优先权，仍会被以自由运行方式执行；但实际上绝大部分厂商会将其设置为不会参与执行。

2.7配置

使用配置（CONFIGURATION）将PLC系统的所有资源集合起来。

CONFIGURATION 变量名
全局变量说明
RESOURCE说明
ACCESS说明
END_CONFIGURATION

3标准函数及功能块

IEC61131-3中定义了典型的PLC函数和功能块，它们的名字作为关键字保留。
注意： 编程软件不一定能提供IEC61131-3全部标准函数。

3.1标准函数

IEC61131-3定义了以下8组标准函数：

数据类型转换函数
数值函数
算术函数
位-串函数
选择和比较函数
字符串函数
用于时间数据类型的函数（未单独列出）
用于枚举数据类型的函数（未单独列出）

重载（Overload）
若函数的输入变量以类数据类型描述，则称为重载。使用重载函数时，编程系统会自动选择合适的类型化函数。
可以把一个重载的标准函数限制为某一数据类型，称为类型化（Typed）的标准函数，这时需要把一个下划线及相应数据类型附加到该函数名字后。
可扩展（Extensible）
若函数的输入变量数可变，则称其为可扩展的。

3.2标准功能块

功能块是一种重要的POU，它按一定的算法和动作组成一段程序，在某一个给定条件下产生新的输出数据，类似子程序。
功能块有输入变量、输出变量、内部变量以及临时变量等。功能块的程序段由各种算法、动作和传递等组成。当功能块执行时，它会组合属于它的变量和程序来产生新的输出数据和内部数据。
功能块和函数之间最大的区别就是它有储存功能，因而被应用于需要有数据保持功能的地方。
使用功能块时需要将其实例化，简单来讲就是给使用的功能块取专用名，编程系统会自动生成内部绝对编号。
IEC61131-3定义了5组标准功能块：双稳态元素（置复位）、边沿检测、计数器、定时器和通信。

4 IEC61131-3编程语言及使用举例

此处仅列举梯形图（LD）和结构化文本（ST）。

4.1梯形图LD

梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的，其基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。梯形图适合在以开关量为主的简单的顺序逻辑控制系统中使用，在复杂的具有数值计算的过程控制系统或逻辑判断系统中，显得不够方便和灵活。

梯形图的一个关键概念是能流（能流在梯形图中实际上不存在，引入此概念是为了和继电接触器控制系统相比较）。在梯形图中，把左边的母线假想为电源相线，右边的母线假想为电源零线。如果有能流从左至右流向线圈，则线圈通电；如没有能流，则线圈不通电。能流在任何时候都不会通过触点自右向左流。

IEC61131-3为用户提供了线条连接、触点、线圈、执行控制等常用的基本元素，线条连接元素包括水平连接和垂直连接等。不建议在LD中使用执行控制类的指令。

4.2结构化文本ST

结构化文本编程语言ST是一种文本化的高级编程语言，源自PASCAL，适合数值计算、循环和选择等复杂应用的场合。

4.2.1表达式和操作符

ST中最基本的元素是表达式，表达式由操作数和操作符组成。操作数为直接量或变量。操作符的优先级决定一个表达式中的计算顺序。

4.2.2常用语句

一个ST程序由一定数量的语句组成，语句间用分号（；）隔开，注释需放在两个星号（**）之间。

赋值语句 :=

a := 1;

条件判断语句 IF

IF<条件1>
THEN<语句块1>
[ELSIF<语句块2>] (*可省*)
[ELSE<语句块3>] (*可省*)
END_IF;

举例：

IF A = 1 THENB := 1;
ELSIF A = 2 THENB := 2;
ELSEB:=0;
END_IF;

IF语句可进行嵌套，ELSE部分可进行判断的嵌套，即使用ELSIF…THEN…ELSE语句。

多重选择语句CASE

CASE <整数表达式> OF<整数选择值>：<语句块1><整数选择值>：<语句块2>...
ELSE<备选语句块>
END_CASE;

常被当做CASE状态机。
整数选择值除了可以是一个数，也可以是一组数（2，3，4：）或一个数值范围内的数（5…10：），或者参数化的变量。

迭代循环语句FOR

FOR <索引变量>:=<起始值> TO <结束值> [BY<增量值>]  DO<语句块>;
END_FOR;

省略BY时，默认增量值为1.

RETURN语句
用于中止当前的POU的执行。
EXIT语句
使程序跳出当前迭代语句的循环。
嵌套循环时，可使用EXIT语句跳出内部循环，执行外部循环。

4.2.3函数和功能块的调用

函数只有一个返回值，其调用属于表达式的范畴；FB的调用属于语句的范畴，因为FB可能有多个输出值，所以在一个表达式中不允许调用FB。
由于一个形式参数包括每个参数的名称和实际值，因此形式参数的顺序是任意的。如果不写参数
允许在调用时使用“=>”，直接把输出值赋给指定变量。

更新记录

2021.1.19 初次发布；
2022.1.2 例行维护；
2022.9.10 例行维护；

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