未來(lái)的自動(dòng)化操作可能使用多種編程語(yǔ)言，對于程序員來(lái)說(shuō)，了解哪些語(yǔ)言是可用的、適合于哪些領(lǐng)域，以及如何用其創(chuàng )建可讀、有資源支持的代碼將至關(guān)重要。
梯形圖邏輯，是可編程邏輯控制器(PLC)的主要編程語(yǔ)言之一。它簡(jiǎn)單易用，并以圖形方式表示繼電器觸點(diǎn)和線(xiàn)圈。不過(guò)，問(wèn)題是：與其它編程語(yǔ)言相比，梯形圖邏輯能在多大程度上滿(mǎn)足當前和未來(lái)復雜的自動(dòng)化需求？答案可能比繼電器和線(xiàn)圈要復雜的多。
梯形圖邏輯的起源
自動(dòng)化的出現要早于PLC，那時(shí)使用繼電器網(wǎng)絡(luò )來(lái)充當應用的“大腦”。沒(méi)有編程人員的角色：只有工程師負責設計電路、電工負責組裝。當將邏輯繪制到圖紙上時(shí)，電路被記錄在有點(diǎn)類(lèi)似梯子的標準結構中，因此被命名為“梯形圖”( 見(jiàn)圖1)。
圖 1: 一個(gè)簡(jiǎn)單的梯形圖邏輯示例。本文圖片來(lái)源: Breen 機器自動(dòng)化服務(wù)
當PLC 剛出現時(shí)，宣稱(chēng)它們會(huì )為自動(dòng)化帶來(lái)很多好處，但沒(méi)有人知道如何對其進(jìn)行編程。然后有人想到用梯形圖對PLC 進(jìn)行編程，這樣工業(yè)領(lǐng)域就可以利用現有的編程技能。工程師和電工也可以閱讀和理解程序。在很大程度上，自動(dòng)化設計可以遵循與繼電器相同的模式。
在PLC 之前，繼電器控制需要占用機柜的物理空間，而這些機柜需要花錢(qián)購買(mǎi)，接線(xiàn)也需要時(shí)間。它們只能實(shí)現開(kāi)/ 關(guān)功能——在繼電器邏輯中，無(wú)法實(shí)現模擬、數學(xué)工具或數據收集功能( 除了特殊繼電器中的一些定時(shí)和計數功能)。即使是最大、最復雜的自動(dòng)化系統，也受到繼電器物理特性的限制，因此梯形圖邏輯語(yǔ)言并不需要做太多。
如今，PLC 所用的處理器芯片，所占用的空間、資金和時(shí)間成本比繼電器更少，但能實(shí)現的功能更多。另外，PLC 中使用的編程語(yǔ)言也在不斷擴展，以實(shí)現不斷增加的功能?，F在，梯形圖邏輯可以實(shí)現的功能比過(guò)去更多。PLC 通常用于模擬控制，至于跟蹤部件數據( 條形碼、測試結果、校準)、控制運動(dòng)和其它更多任務(wù)，梯形圖邏輯仍然是主要語(yǔ)言。
隨著(zhù)編程語(yǔ)言的發(fā)展，自動(dòng)化變得更加復雜。對PLC 進(jìn)行編程已成為一種更專(zhuān)業(yè)化的職業(yè)。對電工來(lái)講，閱讀和維護梯形圖邏輯并不十分方便，而且在即將到來(lái)的新一代勞動(dòng)力中，梯形圖邏輯也不是普遍掌握的技能。
“封裝使程序在不同的細節層次上更容易理解，
并使代碼可以復用?！?/span>
其它PLC 編程語(yǔ)言
國際電工委員會(huì )的工業(yè)控制編程標準IEC61131-3，以及個(gè)人計算機（PC) 編程也對工業(yè)編程產(chǎn)生了重要的影響。這些語(yǔ)言通常被視為梯形圖邏輯的補充，而不是對立面。
由于PLC 逐漸開(kāi)始流行，工業(yè)界發(fā)現需要新的標準來(lái)指導編程。IEC 委員會(huì )通過(guò)IEC61131 標準（主要是第三部分(IEC 61131-3)中的語(yǔ)言）來(lái)解決這一需求。標準中所定義的可以互換的4種編程語(yǔ)言——梯形圖、功能塊圖、結構化文本和指令列表，還有一種被稱(chēng)之為順序功能圖的程序組織語(yǔ)言。
每種語(yǔ)言都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們可以在某個(gè)程序中一起使用，以便更好地支持不同的程序功能。對于哪種語(yǔ)言最適合哪種任務(wù)，要根據不同的應用情況進(jìn)行討論( 見(jiàn)圖 2)。通常情況下，過(guò)程或以離散方式運行、或以連續方式運行。自動(dòng)化也傾向于直接依靠數字量或模擬量輸入輸出(I/O)。
圖 2:IEC 61131-3 語(yǔ)言概述以及它們最適合編寫(xiě)出可讀性程序的領(lǐng)域。
從PC 世界中蛻變而出的自動(dòng)化語(yǔ)言，往往被用于特殊程序或外設的應用程序。這可能包括與數據庫的接口或為自動(dòng)化外圍設備的編程，如攝像機和機器人。結構化文本 ( 在 IEC61131 中的定義) 與Pascal 語(yǔ)言非常相似。
IEC 61131 編程標準面世時(shí)，Pascal 語(yǔ)言是常用的PC 編程語(yǔ)言。此后，雖然Pascal 語(yǔ)言不再流行，但這是自動(dòng)化行業(yè)向PC 行業(yè)借鑒的一個(gè)很好的例子?，F在，在自動(dòng)化中行業(yè)中，也有些正在應用的PC語(yǔ)言，例如C++、Java和C#。這些語(yǔ)言雖然功能強大，但在自動(dòng)化領(lǐng)域還沒(méi)有得到廣泛的應用。
考慮編程語(yǔ)言的關(guān)鍵因素
在將梯形圖邏輯與其它潛在選項進(jìn)行比較之前，了解程序真正需要做什么，這一點(diǎn)非常重要。
程序必須能夠使自動(dòng)化運行，雖然幾乎任何語(yǔ)言都能做到，但現實(shí)也對其提出了其它要求。這在很大程度上歸結于可讀性。
應該仔細考慮有關(guān)編程語(yǔ)言的3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：
A. 程序員或維護技術(shù)人員，能否查看代碼并了解其功能？
B. 能否快速發(fā)現問(wèn)題，最大限度地減少機器停機時(shí)間？
C. 當需要新功能時(shí)，是否易于擴展程序？不同語(yǔ)言的特性會(huì )影響程序員編寫(xiě)可讀程序的能力。
以下9 個(gè)方面可能會(huì )影響編程語(yǔ)言的選擇。
1. 基本知識
梯形圖邏輯應用廣泛，很容易就能找一個(gè)能閱讀理解程序的人。雖然某些行業(yè)對其它IEC 61131 語(yǔ)言表現出一定的偏好，但并沒(méi)有被普遍采用或理解。自動(dòng)化中使用的PC語(yǔ)言往往非常流行，并且有大量的支持資源，但這些資源并不總能應用到工業(yè)領(lǐng)域，這就降低了可能的潛在收益。
2. 內部文檔
每種語(yǔ)言都有一種方法，可以讓程序員用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言來(lái)解釋程序的意圖。在梯形圖邏輯中，這主要是用回路注釋和標簽( 變量)注釋來(lái)完成的，它們適用于簡(jiǎn)單的回路，但對較大的回路或數學(xué)函數的幫助則較小。其它IEC 61131 語(yǔ)言各不相同，但通常很適合記錄它們擅長(cháng)的內容。例如，結構化文本在數學(xué)計算和循環(huán)結構文檔方面表現良好。PC 語(yǔ)言往往有更多的功能，可用于內部文檔，有時(shí)甚至會(huì )自動(dòng)從源代碼生成文檔，為程序員或技術(shù)人員創(chuàng )建手冊，以參考和快速了解整體結構。
3. 決策結構和循環(huán)
簡(jiǎn)單來(lái)講，編程歸結為“如果發(fā)生這種情況，就那樣去做”。這是一個(gè)名為“如果，那么”的決策結構。在本文討論的所有語(yǔ)言中，此結構都易于使用和理解。但是，如果程序員想重復做同一件事情，梯形圖邏輯對這些結構支持的并不是特別好，通常會(huì )導致代碼的可讀性較差。而結構化文本和PC 語(yǔ)言往往更擅長(cháng)常見(jiàn)的決策和循環(huán)結構。
4. 數學(xué)
加、減法很容易，在任何語(yǔ)言中都能處理的很好，但當涉及復雜的數學(xué)功能時(shí)，那又會(huì )怎樣呢？梯形圖邏輯支持算術(shù)和一些基本函數，如絕對值或平方根，但如果計算涉及的內容更多，它們的可讀性往往較低。從視覺(jué)效果上，注釋與它們記錄的內容是分開(kāi)的，而且重復執行數學(xué)運算并不是特別好，因為循環(huán)功能并不完美。結構化文本和PC 語(yǔ)言功能往往更強大，因為它具有更強大的數學(xué)功能。PC 語(yǔ)言提供的高級數學(xué)函數，幾乎可以用于任何目的，還可打包，以方便使用。
5. 可視性
閱讀一個(gè)不熟悉的程序，就像通過(guò)紙管閱讀一本探險小說(shuō)，不得不在書(shū)的不同部分之間來(lái)回切換，因此一次只能看到頁(yè)面的一部分。適合屏幕顯示的代碼量，可能會(huì )影響程序員判斷程序功能的執行和方法。通常情況下，屏幕上只能同時(shí)顯示1 到5 行的梯形邏輯。它的圖形性質(zhì)使其信息密度很小，程序員難以“看到”整個(gè)程序。而順序功能圖，雖然也是圖形化的，由于具有較高級的屬性，因此可以在一定程度上避免這個(gè)問(wèn)題，就像一本帶有目錄的短篇小說(shuō)?；谖谋镜恼Z(yǔ)言( 結構化文本和PC 語(yǔ)言)信息量往往更密集，在屏幕上一次可以顯示30-50 行代碼。
6. 封裝、代碼復用
有什么措施可以應對不斷增加的復雜性？開(kāi)車(chē)時(shí)，司機并不需要考慮點(diǎn)火時(shí)間、牽引力控制或發(fā)動(dòng)機冷卻策略。所有其它無(wú)關(guān)的東西都被抽象掉，自成一體、自我管理。在編程中，這被稱(chēng)為“封裝”。封裝的好處，不僅僅是讓程序在不同的細節層次上更容易理解；而且這也意味著(zhù)代碼可以復用。
如果根據程序設計，用機器來(lái)計算一天中每個(gè)小時(shí)的整體設備效率，則可以對其進(jìn)行編程：計算一次整體設備效率，然后每小時(shí)復用一次。梯形圖邏輯和其它IEC 61131 語(yǔ)言，都可以很好地做到這一點(diǎn)。PC 語(yǔ)言增加了面向對象功能，這使其變得更強大。IEC 61131 提供了面向對象的規定，但PLC 制造商并不總是執行這些規定，這意味著(zhù)程序員可能無(wú)法使用它們。
7. 庫文件
庫文件允許用戶(hù)通過(guò)將經(jīng)封裝、測試的代碼添加到程序中，使代碼復用提升到一個(gè)新的水平。仍然用汽車(chē)作例子，雖然用戶(hù)不知道引擎蓋下有什么部件，但仍然可以駕駛它。梯形圖邏輯和IEC 語(yǔ)言對類(lèi)似功能的支持有限。PC 語(yǔ)言有很多庫文件支持，而且通常是免費的。并不是為了與梯形圖邏輯一較高下，但它們確實(shí)是經(jīng)常適用于梯形圖邏輯不太適用的領(lǐng)域，如數學(xué)、視覺(jué)檢查和數據處理。
8. 模擬與數字
在許多方面， 模擬與數字參數有點(diǎn)類(lèi)似于數學(xué)參數。梯形圖邏輯在數字信號和信息方面做得非常好， 但在模擬方面卻不太擅長(cháng)。功能塊是另外一種 IEC61131 語(yǔ)言，它在模擬信號方面做得非常好，但在數字信號方面卻不太擅長(cháng)。結構化文本和PC語(yǔ)言，能很好地處理這些，但由于它們更靈活，因此程序員需要更好地組織代碼以提高可讀性。
9. 確定性
在自動(dòng)化應用中，按照循環(huán)周期( 例如，每15 毫秒) 讀取輸入、執行程序和寫(xiě)入輸出，對控制器(PLC、PC) 很重要。這就是所謂的確定性。梯形圖邏輯和所有 IEC 61131 語(yǔ)言都是確定性的。PC 語(yǔ)言各不相同。例如，C++ 可以是確定性的，但像 Java和 C# 這樣的高級語(yǔ)言，通常不具有確定性。
最好的選擇是什么
那么梯形圖邏輯與其它邏輯是如何匹配的呢？它仍然受到離散自動(dòng)化行業(yè)的青睞，在這些行業(yè)中，數字輸入和輸出是常態(tài)。另一方面，在模擬輸入和輸出占主導地位的過(guò)程工業(yè)，則更多的使用功能塊語(yǔ)言，來(lái)處理這部分代碼。
當然，行業(yè)偏好只由上述因素之一，技術(shù)支持也很重要?，F有的技術(shù)支持，在很大程度上是歷史上適用規范的體現，因為最近的歷史決定了當今的勞動(dòng)力經(jīng)驗。由于梯形圖邏輯長(cháng)期以來(lái)被廣泛采用，所以使用不同的編程語(yǔ)言可能看起來(lái)像是一個(gè)未卜的前景。
大量新畢業(yè)的大學(xué)生有基于文本的語(yǔ)言經(jīng)驗，但并沒(méi)有梯形圖邏輯的經(jīng)驗。隨著(zhù)勞動(dòng)力的更新?lián)Q代，并且隨著(zhù)更多支持文件的出現，行業(yè)偏好可能會(huì )傾向于基于文本的語(yǔ)言。未來(lái)，自動(dòng)化操作很可能會(huì )包括多種語(yǔ)言。只用一種語(yǔ)言思考問(wèn)題，可能會(huì )對實(shí)現這些目標產(chǎn)生不利影響。
PLC 將使用一種或多種語(yǔ)言，眾多外圍設備也是如此。對于程序員來(lái)說(shuō)，了解哪些語(yǔ)言是可用的、哪種語(yǔ)言適合于哪些領(lǐng)域，以及如何用其創(chuàng )建可讀、有資源支持的代碼將至關(guān)重要。
本文關(guān)鍵概念：
■梯形圖邏輯更多受到離散廠(chǎng)商的青睞。
■對于更復雜的應用程序，IEC 61131-3和PC編程語(yǔ)言可能更適用。
■任何應用程序都可能涉及多種編程語(yǔ)言，因此盡可能多了解幾種語(yǔ)言大有裨益。
思考一下：
在梯形圖邏輯和其它編程語(yǔ)言中做選擇時(shí)，哪些因素對您的實(shí)施最重要？?
-完-
本文來(lái)自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2019年01-02月刊《封面故事》欄目，原標題為：自動(dòng)化編程語(yǔ)言的未來(lái)
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