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乐民之乐者，民亦乐其乐；忧民之忧者，民亦忧其忧。——《孟子》
摘要 针对当前控制系统编程语言的流行趋势，从基本编程
元素和编程语言两个方面详细介绍了标准 IEC20251-3 的内
容。并且以浙大中自 SunyTech 工业控制应用软件平台为背景，
对标准具体内容的应用作了针对性的阐述，充分展现了
IEC20251-3 标准在控制系统软件编程中的作用。
关键词 IEC61131-3 ；软件模型；编程语言；工控编程
软件； PLC ；控制系统
1 引言
IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)61131-3
是第一个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程
语言的国际标准。该标准将现代软件的概念和现代软件工程
的机制与传统的 PLC 编程语言成功地结合，又对各种工业控
制系统的编程语言、软件设计的概念和软件模型等进行了标
准化，适应了当今世界软件、工业控制系统的发展方向，是
一种非常先进的设计技术。
２ 标准的主要内容 [1][2]
IEC61131-3 将标准分为两个部分：公共元素和编程语言。
IEC61131-3 标准的层次和结构如图 1 所示。图 1IEC61131-3
标准的结构图
1 : .
士不可以不弘毅，任重而道远。仁以为己任，不亦重乎?死而后已，不亦远乎? ——《论语》
公共元素部分规范了数据类型、变量的定义，给出了软
件模型，并引入配置 (Configuration) 、资源(Resources) 、
任务(Tasks) 和程序(Program) 的概念、程序组织单元
POU(PorgramOrganizitionUnit) 和顺序功能图
SFC(SequentialFunctionChart) 等。
IEC61131-3 标准共规定了 4 种编程语言，其中两种图形化语
言，两种文本化语言。图形化语言有梯形图
LD(LadderDiagram) ，功能块图 FBD(FunctionBlockDiagram) ；
文本化语言有指令表 IL(InstructionList) 和结构文本
ST(StructuredText) 。
基本编程概念和公共元素
1)软件模型
IEC61131-3 标准的软件模型如图 2 所示。图
2IEC61131-3 标准的软件模型图
该软件模型是一种分层结构，最上层是配置，它定义了
单元的结构，专指一个特定类型的控制系统， 等同于一个 PLC
应用系统，包括硬件装置、处理资源、 I/O 通道的存储地址和
系统能力。
在每一个配置中，有一个或多个“资源” ，“资源”不仅
为运行程序提供了一个支持系统，而且它反映了 PLC 的物理
结构，在程序和 PLC 物理 I/O 通道之间提供了一个接口。
2 : .
不飞则已，一飞冲天；不鸣则已，一鸣惊人。——《韩非子》
任务用于规定程序及其功能块的运行期特性。程序或功
能块通常保持完全的待用状态，由一个配置后的任务来周期
性地执行，或由一个特定的事件触发开始执行程序。
程序组织单元是标准 PLC 系统用户程序最小的、独立的
软件单元。包括 3 种统一的基本类型，分别为功能
FUN(Function) 、功能块 FB(FunctionBlock) 和程序
PROG(Program) 。
其中，功能 FUN 类型是一些在程序执行过程中的软件元
件，这些软件元件对一系列特定的输入值会产生相应的输出
结果，如算术功能 COS() 、SIN() 等。IEC61131-3 标准预定义
了一系列经常使用的标准功能集，其中包括 50 种功能和 12
种功能块，它们的名称保留为关键字 (详细的标准功能和功能
块的描述可参阅 IEC61131-3 标准)。
功能块 FB 类型是该标准中的核心元素，它体现了一种全
新的面向对象程序设计理念。功能块类型对应于经典面向对
象语言中的类的概念，功能块的实例 (Instance) 对应于对象
的概念。功能块类型具有天然的封装特性，能够把特定的算
法封装在某个特定的功能块中，它把具体的操作和操作数据
相分离，也把系统的总体算法组态和单个算法的研制开发过
程分开，以增加程序的可重用性和移植性。
程序 PROG 类型是任务的直接构成基础， PROG 类型的程序组织
3 : .
子曰:“知者不惑，仁者不忧，勇者不惧。” ——《论语》
单元可构成系统的主程序，典型的 IEC 程序由主程序和许多
互连的功能和功能块组成，一个程序中的不同部分的执行通
过任务来控制。另外，当用户需要自己编写自定义算法块并
对其进行重复使用时，就可以利用 PROG 类型的程序组织单元。
2)变量和数据类型
标准中定义了 5 种不同的变量类型：全局变量、局部变
量、输入变量、输出变量、输入输出变量。其中，局部变量
只能在程序内部的一部分进行寻址，全局变量能被所有的程
序组织单元寻址，输入、输出和输入 /输出变量是与程序、功
能和功能块密切相关的，它们能在被分配的程序组织单元内
通过读或写来改变，而要在程序组织单元外部改变时必须进
行定义，且在使用变量时要加以说明。标准为输入、输出和
输入/输出变量提供了两种定义形式，直接表达的变量形式和
符号变量形式。直接表达变量的定义给出了统一的固定的格
式，符号变量的存储位置由预先设置的分配表和符号表决定。
定义变量的同时，还定义了变量的属性和限定符，通过它们
使变量具有丰富的特性。
该标准统一定义了编程中常用的数据类型。一类称作基
本数据类型，是一种预定义的、标准化的数据类型。还有一
类称作导出数据类型，程序员可以创建“自定义”数据类型，
它一般包括枚举类型、数组类型、结构类型等，为面向对象
4 : .
操千曲尔后晓声，观千剑尔后识器。——刘勰
的编程模式提供支持。
另外，标准还规定了编程中常用的标识符、关键字以及注释
等一些通用语言单元，以提供用户程序的通用性和移植性。
3)软件的通讯模式
IEC61131 标准提供了以下的通讯模式：内部变量通讯模
式、全局变量通讯模式、调用参数通讯模式、使用存取路径
通讯模式以及通讯块通讯模式等。
前三种模式用于一个配置内的通信，通过内部变量和全
局变量的建立可以在一个配置内的程序、功能块和功能之间
相互连接形成一个网络，数据信息可以通过这个内部的网络
进行通讯。
存取路径的通讯模式用于各个配置之间的数据交换，也
就是要跨越一个 PLC 系统的范围，它可用于配置和程序层。
存取路径可以认为是全局变量的一个扩展，其符号名由固定
格式的语言结构定义，这样通过定义的存取路径的符号名，
该配置的变量可为其它配置所访问。
通讯块是用于从发送方向接收方传送数据包的专用功能
块，对于标准通讯块，在 IEC61131-5 标准中专门地作出了定
义，这里就不详细介绍。
IEC61131-3 只给出了一个单一的集中 PLC 系统的配置机制，
5 : .
百川东到海，何时复西归?少壮不努力，老大徒伤悲。——汉乐府
为了适应分布式结构的软件要求， PLCOpen 组织对 IEC61131-3
进行了适当的扩展，制定了 IEC61499 《工业过程测量与控制
系统用功能块》标准。按照 IEC61499 的模型， PLC 可表示为
其内有多个资源的装置，采用了互联的事件驱动功能块，所
给出的应用程序模型，由若干可能分散在多个设备中的功能
块互联而成，功能块中的控制算法还用 IEC61131-3 的语言来
编程的，但在系统配置时采取了封装的、可反复使用的和分
散的机制。 IEC61499 系统模型如图 3 所示。图 3IEC61499 系
统模型图
该模型包括与被控过程 (或机械 )的接口、与通信网络的
接口，以及隐含的分布式应用程序。 IEC61499 中融入了
面向对象的概念，以消息总线为纽带，协调各功能块的运行。
编程语言
IEC61131-3 规定了两类编程语言：文本化编程语言和图
形化编程语言。在标准的文本中没有把顺序功能图单独列入
编程语言，而是将它在公用元素中予以规范。但不论在文本
化语言中，还是在图形化语言中，都可以运用 SFC 的概念、
句法和语法，所以有些控制软件有时也称自己实现了标准的
五种控制语言 [3] 。
梯形图语言 LD 使用网络的概念，一个 LD 网络的边界是
在左侧和右侧所谓的电力轨线。左侧的电力轨线，名义上是
6 : .
天将降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤，空乏其身，行拂乱其所为。——《孟子》
为“功率流”从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、
功能块、线圈等提供能量， “功率流”的终点是右侧的电力轨
线。期间的每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个
线圈代表了一个实际设备的状态，还可以有功能或功能块，
根据这些元素的逻辑状态来决定是否允许能量流通过，便构
成了所需要的逻辑程序。
功能块图语言 FBD 用来描述功能、功能块和程序的行为
特征，还可以在顺序功能流程图中描述步、动作和转变的行
为特征。功能块用矩形块来表示，每一功能块的左侧有不少
于一个的输入端，在右侧有不少于一个的输出端，线条代表
的是信号的流向，所传递的信息可能是一个布尔数值、整型
数值、实数或者是一个字符串，在程序中，它可看作两个过
程元素之间的信息流。
指令表语言 IL 是一种最接近于机器码的用户端语言，与
汇编语言相比较，它吸收和借鉴了 PLC 厂商的指令表语言，
并在此基础上形成了一种标准语言。可用来描述功能，功能
块和程