📚 课程目录第3章 IEC 61131-3编程基础

3. IEC 61131-3编程基础

IEC 61131-3 是 PLC 编程领域最重要的国际标准，它统一了编程语言、数据类型、程序组织方式和任务执行模型。在 CODESYS 中，HMI 与远程运维功能最终都要落到 PLC 程序上，因此理解这套标准是后续开发的基础。本节从标准语言、变量类型、程序组织单元（POU）、任务配置和基本调试五个方面展开，帮助建立完整的编程认知框架。

一、标准编程语言：五种表达方式

IEC 61131-3 定义了五种标准编程语言，CODESYS 全部支持。它们并非互相替代，而是针对不同场景各有优势：

LD（梯形图）：以继电器逻辑为原型，适合电气工程师快速阅读开关量逻辑。
FBD（功能块图）：以方框和连线表达信号流，适合连续控制和信号处理。
ST（结构化文本）：类 Pascal 的高级语言，适合复杂算法、循环和数据处理。
IL（指令表）：类似汇编的助记符语言，现已逐渐被弃用。
SFC（顺序功能图）：以步和转换为核心，适合描述顺序流程和状态机。

实际项目中，常见做法是用 ST 编写算法和通信逻辑，用 LD 或 FBD 编写联锁与安全逻辑，用 SFC 组织设备动作流程。CODESYS 允许在同一 POU 中混合使用不同语言，例如在 ST 中调用 FBD 编写的功能块。

二、变量类型：数据的基础

变量类型决定了数据的取值范围、存储方式和运算规则。IEC 61131-3 将数据类型分为基本类型和派生类型。基本类型包括 BOOL、BYTE、WORD、DWORD、SINT、INT、DINT、USINT、UINT、UDINT、REAL、LREAL、TIME、STRING 等。派生类型则通过 ARRAY、STRUCT、ENUM 等方式组合而成。

在 CODESYS 中声明变量时，需要明确变量类别：VAR 为局部变量，VAR_GLOBAL 为全局变量，VAR_INPUT 为输入参数，VAR_OUTPUT 为输出参数，VAR_IN_OUT 为引用传递参数，VAR RETAIN 为保持型变量，VAR PERSISTENT 为持久化变量。保持型变量在断电后由后备电池或超级电容维持，持久化变量则写入非易失存储区，适合保存配方和累计值。

VAR_GLOBAL
    g_rSetTemp   : REAL := 25.0;      // 全局设定温度
    g_bRunEnable : BOOL := FALSE;     // 全局运行使能
END_VAR

VAR
    i          : INT;                 // 循环索引
    rSum       : REAL := 0.0;         // 累加值
    aTemp      : ARRAY[1..8] OF REAL; // 8路温度数组
    stRecipe   : STRUCT
        sName  : STRING(32);
        rTemp  : REAL;
        tHold  : TIME;
    END_STRUCT;
END_VAR

三、程序组织单元（POU）

POU 是 IEC 61131-3 中程序的基本组织单位，分为三类：程序（PROGRAM）、功能块（FUNCTION_BLOCK）和函数（FUNCTION）。程序是任务调度的直接对象，拥有独立的输入输出和内部状态；功能块具有记忆能力，每次调用保留上次的状态，适合封装设备控制逻辑；函数没有内部状态，相同输入必得相同输出，适合数学运算和类型转换。

CODESYS 中，一个功能块可以实例化多次，每个实例拥有独立的数据区。这种“一次编写、多处复用”的机制是构建大型项目的关键。例如，将一台电机的启停、故障检测、运行计时封装为 FB_Motor，项目中 20 台电机只需声明 20 个实例即可。

提示：功能块内部不要直接访问全局变量，应通过 VAR_INPUT / VAR_OUTPUT 接口传递数据，这样功能块才能在不同项目中复用。

四、任务配置：决定程序何时执行

任务配置定义了 POU 的调用时机和优先级。CODESYS 支持循环任务、自由运行任务和事件触发任务。循环任务按固定周期执行，如 1 ms、10 ms、100 ms；自由运行任务在上一轮结束后立即开始下一轮；事件触发任务由外部事件或系统事件启动。

任务优先级数值越小优先级越高。高优先级任务可抢占低优先级任务，因此高速控制逻辑应放在高优先级短周期任务中，HMI 刷新和日志记录放在低优先级长周期任务中。下表给出一个典型的分层配置：

任务名称	类型	周期/触发	优先级	典型用途
Task_Fast	循环	1 ms	1	高速计数、位置闭环
Task_Main	循环	10 ms	5	逻辑联锁、设备控制
Task_Slow	循环	100 ms	10	温度采集、PID 运算
Task_HMI	循环	200 ms	20	HMI 数据刷新、通信
Task_Event	事件	上升沿触发	3	报警捕获、配方切换

任务配置不当是现场故障的常见原因。若将 HMI 通信放在 1 ms 任务中，会因通信耗时导致任务超时；若将安全联锁放在 100 ms 任务中，则可能响应不及时。因此，任务周期与优先级必须与工艺要求匹配。

五、基本调试方法

CODESYS 提供了一套完整的在线调试工具，掌握它们可以显著缩短排障时间。常用手段包括：

在线监视：将变量值实时显示在声明区或监视窗口中，观察逻辑是否符合预期。
断点与单步：在 ST 代码行设置断点，程序运行到该行暂停，可逐行执行并查看变量变化。
强制与写入：强制变量为固定值，用于模拟传感器信号；写入变量用于临时修改设定值。
采样跟踪：以微秒级精度记录变量随时间的变化曲线，适合分析偶发故障和时序问题。
调用栈：断点触发后查看 POU 调用层级，快速定位问题来源。

注意：强制变量会覆盖程序输出，调试完成后必须取消强制，否则可能造成设备误动作。在线修改代码后，务必重新下载并确认任务周期未超时。

六、常见误区与复盘

初学者常犯的错误包括：把功能块写成函数、在功能块内部直接读写全局变量、任务周期设置过短导致 CPU 负载过高、变量未初始化就参与运算、以及用 REAL 类型做精确比较。复盘时应重点检查三点：任务周期是否与工艺匹配、POU 接口是否清晰、变量类型是否与数据范围一致。

一个典型的排障案例是：某设备 HMI 刷新卡顿，检查发现 HMI 通信任务与 1 ms 高速任务共用同一优先级，导致通信被频繁抢占。将 HMI 任务降为低优先级、周期改为 200 ms 后，界面恢复流畅，高速控制也不受影响。这说明任务配置不是“越快越好”，而是要与实际需求分层匹配。

掌握以上五部分内容后，就可以在 CODESYS 中搭建结构清晰、易于维护和调试的 PLC 程序，为后续 HMI 画面开发和远程运维打下坚实基础。