深入解析PLC编程：Ladder Logic语言的奥秘与应用

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深入解析PLC编程：Ladder Logic语言的奥秘与应用

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在工业自动化领域，PLC（可编程逻辑控制器）发挥着举足轻重的作用。而Ladder Logic语言，作为PLC编程的关键技术，为工业系统的精准控制提供了坚实基础。本文将深入探讨PLC编程的基本原理与功能，并详细解析Ladder Logic语言的特性、语法及其在工业系统中的应用。同时，我们还将讨论PLC的特殊块功能和用户定义功能块的重要性。在自动化产业日益发展的今天，PLC与Ladder Logic语言无疑是工业控制系统中的核心组成部分。

图1：这台配备有显示屏的Crouzet EM4 PLC正在执行一个经典的“Hello World!”程序。PLC的核心功能在于根据逻辑将输入信号转化为设备输出，这一过程类似于我们在电脑上输入字符后屏幕显示输出。在工业环境中，PLC广泛应用于控制各类设备和流程，例如，根据传感器信号指挥机器人执行复杂动作。

Ladder Logic语言究竟是何方神圣？

首先，让我们先了解一下PLC编程语言的多样性和IEC 61131-3标准。这个标准中定义了包括梯形逻辑（Ladder Logic，简称LL）、功能框图（Function Block Diagram，简称FBD）、顺序流程图（Sequential Flow Chart，简称SFC）、结构化文本（Structured Text，简称ST）以及指令列表（Instruction List，简称IL）在内的多种编程语言。其中，Ladder Logic语言因其独特的梯形排列方式和直观性，在PLC编程中得到了广泛应用。它能够迅速帮助我们理清PLC的逻辑规则，使得编程过程更加高效和准确。

图2展示了在Schneider Modicon PLC上实现的梯形逻辑程序。当创建新的梯形图时，我们会在两条竖线之间进行编写，这两条竖线通常以橙色线呈现。在梯形图中，每一条水平线被称为一个Rung，而Ladder logic符号则放置在这些水平线上。每条Rung代表一条逻辑规则，我们可以从左到右、从上到下顺序阅读这些规则。在开始PLC编程之前，了解Ladder logic的基本语法至关重要，它涉及到的符号通常还附带地址或值，以便于指定输入、输出、定时器、计数器等特定指令。

Rung的输出

在梯形逻辑程序中，每一条水平线，即Rung，都代表着一个逻辑规则的输出。这些输出可以是从左到右、从上到下顺序排列的一系列指令，它们共同构成了梯形图的逻辑结构。了解Rung的输出对于理解整个梯形逻辑程序的工作流程至关重要。

为了更直观地理解，我们可以将“Rung输入”比作一个按钮或开关，而“Rung输出”则好比一个灯泡或负载。在梯形逻辑中，内部的斜线象征着常开与常闭的状态。接下来，我们探讨逻辑“与”的概念。

上述逻辑实现了这样一种功能：电机开门动作需要同时满足两个条件，即“开关 1 触发”与“开关 2 触发”。换句话说，只有当这两个开关同时被触发时，电机才会启动开门动作。这种逻辑类似于两个安保人员分别持有银行金库的钥匙，他们必须同时转动钥匙才能开启金库门。同时，我们也探讨了逻辑“与非”的概念。

上述功能实现了这样的逻辑：电机开门动作依赖于“开关触发”与“障碍物触发”两个条件。具体来说，当开关被触发但障碍物未被触发时，电机才会启动开门。这一逻辑可以类比为两个安保人员，其中一人持有银行金库的钥匙，另一人负责巡逻是否有坏人。只有当钥匙被转动且没有发现坏人时，金库门的电机才会工作，从而打开门锁。同样地，障碍物也可以被理解为某个停止按钮未被按下的情况。

接下来，我们将探讨逻辑“或”（OR）的概念。

上述功能进一步阐释了这样的逻辑：电机开门动作由“开关1触发”或“开关2触发”中的任一条件触发即可。换句话说，只要开关1或开关2其中之一被触发，电机便会启动开门动作。这一逻辑可以类比为两个安保人员，每人手中都持有银行金库的钥匙。任意一位安保人员转动钥匙，金库门的电机便会开始工作，从而打开门锁。这种逻辑关系在电子系统中非常常见，被称为组合逻辑。

上述功能进一步细化为：电机开门动作由“开关1触发”或“开关2触发”中的任一条件触发，但前提是非“障碍物触发”状态。换句话说，只有当开关1或开关2其中之一被触发，且障碍物未被触发时，电机才会启动开门动作。这一逻辑与安保人员打开金库门的场景类似：两个安保人员持有钥匙，而第三个安保人员负责巡逻。当任意一位安保人员转动钥匙且未发现障碍物时，金库门的电机便会启动，从而打开门锁。这种逻辑在电子系统中被广泛运用，被称为组合逻辑。

举一个实际应用例子，这种逻辑也常见于空调系统中。

空调系统的运行通常依赖于多个传感器和开关的组合逻辑，以确保在特定条件下启动或关闭相应的功能。

图3展示了空调系统的逻辑规则。第一条规则Rung1表明，空调的开启依赖于两个条件：开关触发以及温度或湿度传感器中的至少一个触发。这意味着，只要开关被按下，并且温度或湿度达到预设阈值，空调便会启动。第二条规则Rung2则进一步规定了制冷的开启条件：在空调已开启的前提下，且制热按钮未被按下，系统将执行制冷操作。

值得注意的是，在第二条规则中，空调的角色从执行器变成了检查器。同样地，这里的“制冷”功能在后续规则中也可以作为检查器，与另一个输出设备如“压缩机”相连。这种模块化的设计使得复杂的逻辑系统能够被有效地分解和评估。

此外，PLC（可编程逻辑控制器）提供了多种特殊功能块，如定时器、算术运算符、比较器等，以及更高级的功能如PID控制和滤波。这些功能块使得PLC能够处理复杂的自动化任务。用户还可以定义自己的特殊功能块，这类似于微控制器中的功能定义，旨在简化代码结构，提高编写和维护的效率。

图4展示了UDFB实例的构建，该块作为状态机的一部分，扮演着“看门人”的角色。当机器的uiState状态变量等于1且该块被启用时，将执行该行的其余部分。这种构造类似于C编程中的以uiState为索引的开关语句。值得注意的是，ui是匈牙利语中无符号整数的表示法。

这种特殊设计使得梯形逻辑变得相对简洁。Rung 3的英文描述如下：

如果UDFB FBuiEqual被启用并且机器状态(uiState)持续为1，同时主开关处于打开状态，并且瞬时选择开关位于前进位置，则切换到状态2。

另一方面，如果瞬时选择开关位于反向位置，则切换到状态4。