2. PLC与工业自动化基础
PLC（可编程逻辑控制器）是工业自动化系统的核心控制单元。它替代了传统继电器控制柜，用可编程逻辑实现联锁、顺序、过程与安全控制。理解PLC的工作原理与扫描周期，是后续进行仿真回归测试与流水线验证的基础——因为测试用例的执行时序、I/O状态采样点、断言时机，都直接受扫描机制影响。
一、PLC工作原理：循环扫描与集中采样
PLC采用“循环扫描”工作方式，而非事件驱动的即时响应。其核心思想是：CPU按固定顺序反复执行一段程序，每次执行称为一个扫描周期。一个典型扫描周期包含四个阶段：
- 输入采样：读取所有物理输入端子状态，写入输入映像区（I区）。
- 程序执行：按用户程序顺序逐条运算，读写内部寄存器与输出映像区（Q区）。
- 输出刷新：将输出映像区的值一次性写入物理输出模块。
- 系统处理：通信、诊断、看门狗、后台任务等。
关键点在于：程序执行阶段使用的是输入映像区的“快照”，而不是实时物理输入。因此，若输入信号在采样后、程序执行中发生变化，本次扫描不会感知，需等下一周期。这决定了仿真测试中“注入信号—等待周期—断言输出”的基本节奏。
二、扫描周期与I/O映射：数据流视角
I/O映射是PLC将物理通道与程序变量关联的机制。输入映射把端子状态映射到I区地址（如I0.0、%IX0.0），输出映射把Q区地址映射到端子（如Q0.1、%QX0.1）。程序只操作映像区，物理刷新由系统在固定阶段完成。这种“隔离”带来确定性，也带来一个扫描周期的固有延迟。
下图展示了一个扫描周期内，物理输入、输入映像、程序逻辑、输出映像与物理输出之间的数据流与时间关系：
从图中可见，物理输入在t0被采样，程序在t1~t2执行，输出在t3刷新。若输入在t0之后变化，必须等到下一个周期的t0'才能被程序看到。仿真回归测试中，若断言时机早于输出刷新，就会误判。
三、常见品牌与编程语言
不同品牌的PLC在编程软件、指令系统、地址格式上差异明显，但IEC 61131-3标准定义了五种通用编程语言，主流品牌均支持或部分支持：
| 语言 | 全称 | 特点 | 典型适用 |
|---|---|---|---|
| LD | 梯形图 | 图形化，接近继电器电路，直观易维护 | 离散逻辑、联锁 |
| FBD | 功能块图 | 图形化，以功能块和信号线表达运算 | 模拟量处理、闭环 |
| ST | 结构化文本 | 高级文本，类似Pascal，适合复杂算法 | 计算、循环、状态机 |
| SFC | 顺序功能图 | 状态转移图，步与转换条件清晰 | 顺序控制、流程设备 |
| IL | 指令表 | 低级文本，逐条指令，已逐渐淘汰 | 旧系统维护 |
常见品牌方面：西门子（S7-1200/1500，TIA Portal，支持LAD/FBD/STL/SCL/GRAPH）、罗克韦尔（ControlLogix，Studio 5000，支持Ladder/FBD/ST/Sequential Function Chart）、三菱（FX/Q系列，GX Works，支持梯形图/ST/SFC）、施耐德（Modicon，EcoStruxure，支持LD/FBD/ST/SFC）、欧姆龙（NJ/NX，Sysmac Studio，支持LD/ST）。在仿真回归测试中，需针对不同品牌的地址格式与扫描特性编写适配层。
四、案例场景：一个启动保持回路的扫描行为
以“启动—保持—停止”回路为例，用ST表达：
// 输入: StartBtn(I0.0), StopBtn(I0.1)
// 输出: Motor(Q0.0)
// 内部: RunFlag(M0.0)
IF StartBtn AND NOT StopBtn THEN
RunFlag := TRUE;
END_IF;
IF StopBtn THEN
RunFlag := FALSE;
END_IF;
Motor := RunFlag;
假设StartBtn在扫描周期t0被采样为TRUE，程序执行时RunFlag置位，输出刷新后Motor为TRUE。若StopBtn在t0之后、t1之前按下，本次扫描不会看到，Motor仍保持TRUE，直到下一周期才断开。仿真测试若在t0后立即断言Motor为FALSE，就会失败。正确做法是：注入StopBtn后，至少等待一个完整扫描周期再断言。
五、误区与复盘
- 误区一：把PLC当事件驱动。PLC是周期扫描，输入变化不会立即触发程序，必须等下一周期。测试脚本若按“即时响应”设计，会大量误报。
- 误区二：忽略I/O映射延迟。物理输入到映像区、映像区到物理输出各有一个刷新点，端到端延迟可能达到1~2个周期。
- 误区三：不同品牌地址混用。西门子用I/Q/M，罗克韦尔用Local:1:I.Data，三菱用X/Y/M。仿真适配层必须做地址归一化。
- 误区四：程序执行时间波动。通信负载、中断、大循环会导致周期抖动，测试超时阈值应留有余量。
复盘建议：在仿真回归测试平台中，记录每个用例的“注入时刻—等待周期数—断言时刻—实际周期计数”，形成时序日志。这样一旦出现偶发失败，可以快速判断是逻辑缺陷还是时序采样问题。理解扫描周期与I/O映射，是编写稳定、可重复的PLC回归测试的第一块基石。