📚 课程目录第3章 PLC编程基础与IEC 61131-3

3. PLC编程基础与IEC 61131-3

在 TwinCAT 3 中，PLC 程序不再由单一语言写成，而是由 IEC 61131-3 标准定义的多种编程语言共同构成。TwinCAT PLC Control 作为编程环境，允许在同一个 PLC 项目中创建不同语言的 POU（Program Organization Unit，程序组织单元），并让它们互相调用。理解“语言—变量—POU”三者的关系，是后续编写可维护程序的基础。

一、IEC 61131-3 的五种语言与 TwinCAT 的对应

IEC 61131-3 定义了两种文本语言和三种图形语言。TwinCAT PLC Control 对它们都有支持，但实际工程中使用频率差异明显：

ST（Structured Text，结构化文本）：类 Pascal 的文本语言，适合数学运算、条件分支、循环和复杂算法，是当前 TwinCAT 项目中最常用的语言。
LD（Ladder Diagram，梯形图）：以继电器逻辑为原型的图形语言，适合表达开关量联锁和电气逻辑，对电气背景的工程师最直观。
FBD（Function Block Diagram，功能块图）：用方框和连线表示信号流，适合表达逻辑组合、模拟量处理和功能块连接。
IL（Instruction List，指令表）：类似汇编的文本语言，IEC 61131-3 第三版已将其列为过时，TwinCAT 中仍可读旧代码，但不建议新项目使用。
SFC（Sequential Function Chart，顺序功能图）：用于描述步序和状态转移，适合设备动作流程。

选择语言的原则不是“哪个高级用哪个”，而是看逻辑形态：连续量计算和算法用 ST；纯开关联锁用 LD 或 FBD；有明显步骤切换的流程用 SFC。同一个项目中混用是正常做法。

二、变量声明：名称、类型与作用域

每个 POU 都有自己的声明区，分为 VAR、VAR_INPUT、VAR_OUTPUT、VAR_IN_OUT、VAR_GLOBAL 等类别。声明的基本形式是“名称 : 类型 := 初值;”，例如：

VAR
    iStep      : INT := 0;        // 步序编号
    bStart     : BOOL;            // 启动按钮
    rSetpoint  : REAL := 50.0;    // 设定值，单位 ℃
    tDelay     : TIME := T#2S;    // 延时 2 秒
    aTemp      : ARRAY[1..8] OF REAL;  // 8 路温度
END_VAR

作用域决定变量能被谁访问。VAR_INPUT 是调用者传入的形参，VAR_OUTPUT 是返回给调用者的结果，VAR_IN_OUT 是引用传递（类似指针，可读写实参本身），VAR 是 POU 内部私有变量。全局变量在 GVL（Global Variable List）中声明，用 VAR_GLOBAL 定义，任何 POU 都能访问，但滥用全局变量会让程序耦合度升高，应优先用输入输出接口传递数据。

变量命名建议采用“类型前缀 + 语义”的方式，如 b 表示 BOOL、i 表示 INT、r 表示 REAL、t 表示 TIME、s 表示 STRING。这样在 ST 代码和 FBD 连线中都能快速识别变量类型，减少误用。

三、数据类型：标准类型与派生类型

IEC 61131-3 的标准数据类型包括 BOOL、BYTE、WORD、DWORD、SINT/INT/DINT、USINT/UINT/UDINT、REAL/LREAL、TIME、STRING 等。TwinCAT 还支持基于标准类型的派生类型（DUT，Data Unit Type），例如：

TYPE ST_Motor :
STRUCT
    bRun      : BOOL;
    bFault    : BOOL;
    rSpeed    : REAL;
    iCurrent  : INT;
END_STRUCT
END_TYPE

用 ST_Motor 声明一个变量，就能把电机的运行、故障、转速、电流打包在一起，代码中写 Motor1.bRun 即可访问。结构体让数据组织清晰，也便于在 HMI 中按结构绑定变量。数组和结构体可以嵌套，但要注意：数组下标默认从 1 开始（可在声明中指定 ARRAY[0..7]），结构体成员访问用点号。

四、POU：程序、功能块与函数

POU 是 IEC 61131-3 对可调用逻辑单元的统称，分为三类：

PROGRAM（程序）：顶层执行单元，由任务周期调用，拥有自己的静态变量，不能被其他 POU 实例化调用。
FUNCTION_BLOCK（功能块，FB）：可实例化的逻辑单元，每次调用需要声明一个实例，实例保存自己的状态。例如定时器 TON、计数器 CTU 都是功能块。
FUNCTION（函数）：无内部状态的纯计算单元，相同输入必得相同输出，不能有静态变量，适合做数学运算和类型转换。

功能块与函数的区别是初学者最容易混淆的点：功能块有“记忆”，函数没有。例如一个计算平均值的逻辑，如果每次调用都从零开始累加，就应该用功能块；如果只是把两个输入相加返回，用函数即可。

下面这张图展示了 TwinCAT PLC Control 中一个典型项目的组织关系：任务调用 PROGRAM，PROGRAM 内部实例化并调用功能块和函数，变量通过声明区在 POU 之间传递。

五、一个可运行的 ST 示例

下面用 ST 写一个电机启停控制功能块，包含输入输出声明、定时器实例和基本逻辑，可直接在 TwinCAT PLC Control 中新建 FB 并粘贴：

FUNCTION_BLOCK FB_MotorControl
VAR_INPUT
    bStart   : BOOL;      // 启动按钮，常开
    bStop    : BOOL;      // 停止按钮，常闭
    tOnDelay : TIME := T#1S;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    bRun     : BOOL;
    bFault   : BOOL;
END_VAR
VAR
    tDelay   : TON;       // 定时器实例
    bInternal: BOOL;
END_VAR

// 启动延时
tDelay(IN := bStart AND NOT bStop, PT := tOnDelay);

// 运行输出
IF tDelay.Q THEN
    bInternal := TRUE;
END_IF

IF bStop THEN
    bInternal := FALSE;
END_IF

bRun := bInternal;
bFault := bStart AND bStop;   // 同时按下视为异常

END_FUNCTION_BLOCK

在 MAIN 程序中实例化并调用：

PROGRAM MAIN
VAR
    fbMotor1 : FB_MotorControl;
    bStart1  : BOOL;
    bStop1   : BOOL;
    bRun1    : BOOL;
END_VAR

fbMotor1(bStart := bStart1, bStop := bStop1, tOnDelay := T#2S);
bRun1 := fbMotor1.bRun;

END_PROGRAM

这段代码体现了几个关键点：功能块必须声明实例 fbMotor1；调用时用“实例名(参数 := 值)”的方式传参；输出通过实例名加点号访问；定时器 TON 作为功能块实例嵌套在 FB 内部，每次调用自动更新。运行后，bStart1 为 TRUE 且 bStop1 为 FALSE 时，经过 2 秒 bRun1 变为 TRUE；bStop1 为 TRUE 时立即复位。

在 TwinCAT PLC Control 中，按 F5 编译可检查变量声明和类型是否匹配；若提示“未声明的标识符”，优先检查变量是否在正确的 VAR 区声明，以及大小写是否一致（ST 不区分大小写，但拼写必须一致）。

六、语言选择与组织建议

实际项目中，建议按以下方式组织：用 ST 编写算法和数据处理，用 FBD 或 LD 编写联锁和开关逻辑，用 SFC 描述设备步序。每个功能块只做一件事，输入输出接口清晰，内部变量私有。全局变量只保留系统级状态（如急停、模式、报警码），设备级数据通过功能块接口传递。这样在调试时，可以单独调用某个功能块观察其输入输出，而不必在庞大的主程序中逐行排查。

变量声明和 POU 划分是 PLC 程序结构的骨架。骨架清晰，后续增加功能、修改逻辑和排查故障都会明显更省力。