第2章　S7-400编程语言及指令

2.1　S7-400的编程语言

2.1.1　PLC编程语言的国际标准

IEC（国际电工委员会）是为电子技术的所有领域制定全球标准的世界性组织。IEC 61131是PLC的国际标准，1979年成立了IEC 61131工作组，1992～1995年发布了IEC 61131标准中的1～4部分，我国在1995年11月发布了GB/T 15969-1/2/3/4（等同于IEC 61131-1/2/3/4）。

IEC 61131由以下五部分组成：

（1）通用信息　定义PLC的术语，PLC的主要功能和特点，包括典型的PLC中一般概念的定义和功能特征，例如用户程序的循环处理、输入输出过程映像，以及编程设备、PLC和人机接口的分工。

（2）设备要求与测试　具体说明对PLC电气、机械和功能的要求，以及对产品的检验方法，对下述各项指标都作了要求：温度、湿度、供电范围、接口保护，数字量信号的工作范围，以及机械应力等。

（3）编程语言　通过对词汇、句法和语义的描述和例子，定义了PLC的软件模型，编程语言的标准和5种编程语言：梯形图、功能块图、指令表、顺序功能图和结构化文本。

（4）用户指南　作为一个指南，对从事自动项目的各阶段的用户提供帮助，从系统分析开始，到具体化阶段，例如PLC的选择与应用，安全和保护，安装与维护。

（5）通信服务规范　描述了不同厂商生产的PLC之间，PLC与其他设备之间的通信，包括设备功能选择、数据交换、报警处理、访问控制与网络管理、通信模式、通信块、与ISO协议的对应关系等。

其中的第三部分（IEC 61131-3）是PLC的编程语言标准，它鼓励不同的PLC制造商提供在外观和操作上相似的指令。IEC 61131-3标准使用户在使用新的PLC时可以减少重新培训的时间；对于生产厂家，使用标准将减少产品开发的时间，可以投入更多的精力去满足用户的特殊要求。

由于IEC 61131-3自动化编程语言的诸多优点，它已成为自动化工业中拥有广泛应用基础的国际标准，已有越来越多的PLC厂家提供符合IEC 61131-3标准的产品，世界上著名的自动化设备制造商，例如西门子、罗克威尔、ABB、施耐德、GE、三菱、富士等公司都推出了不同程序与IEC 61131-3兼容的产品，不仅限于PLC，IEC 61131-3还广泛地应用于集散控制系统（DCS）和工业控制计算机、在个人计算机上运行的软件PLC软件包、数控系统、远程终端单元等产品。

IEC 61131-3包括以下内容：

①编译为标准代码的规则：定义了PLC必须满足IEC 61131标准的哪些要求。在文献中必须包含一个符合标准的声明，或者系统必须生成一个这样的声明。

②软件模型、通信模型和编程模型。

③可编程逻辑控制语言中的通用元件，例如数据类型和变量、功能和功能块、程序和任务。

④句法、语义和下述5种编程语言（见图2-1）：

a.指令表IL（Instruction List）：语言语义的定义，这里只定义了20种基本操作。

b.结构文本ST（Structured Text）：西门子称为结构化控制语言（SCL）。

c.梯形图LD（Ladder Diagram）：西门子简称为LAD。

d.功能块图FBD（Function Block Diagram）：标准中称为功能方框图语言。

e.顺序功能图SFC（Sequential Function Chart）：对应于西门子的S7 Graph。

⑤附加的语法规则和编程实例。标准中有两种图形语言——梯形图和功能块图，还有两种文字语言——指令表和结构文本，可以认为顺序功能图是一种结构块控制程序流程图。

2.1.2　STEP7中的编程语言

STEP7是S7-300/400系列PLC的编程软件。梯形图、语句表（即指令表）和功能块图是标准的STEP7软件包配备的3种基本编程语言，这3种语言可以在STEP7中相互转换，STEP7还有多种编程语言可供用户选用，但是在购买软件时对可选的部分需要附加的费用。

（1）顺序功能图（SFC）　这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。

STEP7中的S7 Graph顺序控制图形编程语言属于可选的软件包。在这种语言中，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，步中包含控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件控制，用Graph表达复杂的顺序控制过程非常清晰，用于编程及故障诊断更为有效，使PLC程序的结构更加易读，它特别适合于生产制造过程。S7 Graph具有丰富的图形、窗口和缩放功能。系统化的结构和清晰的组织显示使S7 Graph对于顺序过程的控制更加有效。

（2）梯形图（LAD）　梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适合于数字量逻辑控制，有时把梯形图称为电路或程序。

梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。

使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图，并将它下载到PLC。

触点和线圈等组成的独立电路称为网络（Network），见图2-2，编程软件自动为网络编号。

梯形图中的触点和线圈可以使用物理地址，例如I0.2、Q1.3等。如果在符号表中对某些地址定义了符号，例如令I0.0的符号为“启动”，在程序中可用符号地址“启动”来代替物理地址I0.0，使程序易于阅读和理解。

用户可以在网络号的右边加上网络的标题，在网络号的下面为网络加上注释。还可以选择在梯形图下面自动加上该网络中使用的符号的信息（Symbol Information）。

如果将两块独立电路放在同一个网络内，将会出错。本书为节约篇幅，在插图中梯形图左右两侧垂直“电源线”之间有一个左正右负的直流电源电压，当图2-2网络1中I0.0与I0.1的触点同时接通，或Q4.0与I0.1的触点同时接通时，有一个假想的“能流”（Power Flow）流过Q4.0的线圈。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图，能流只能从左向右流动。

如果没有跳转指令，在网络中，程序中的逻辑运算按从左往右的方向执行，与能流的方向一致。网络之间按从上到下的顺序执行，执行完所有的网络后，下一次循环返回最上面的网络（网络1）重新开始执行。

（3）语句表（STL）　S7系列PLC将指令表称为语句表（Statement List），它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，多条语句组成一个程序段。语句表比较适合经验丰富的程序员使用，可以实现某些不能用梯形图或功能块图表示的功能。

（4）功能块图（FBD）　功能块图（FBD）使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。一些复杂的功能（例如数学运算功能等）用指令框来表示，有数字电路基础的人很容易掌握。功能块图用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被导线连接在一起，信号自左向右流动。图2-4中的控制逻辑和图2-2的控制逻辑与图2-2和图2-3中的相同。西门子公司的“LOGO！”系列微型PLC使用功能块图编程，除此之外，国内很少有人使用功能块图语言。

（5）结构文本（ST）　结构文本（ST）是为IEC 61131-3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。

STEP7的S7 SCL（结构化控制语言）是符合IEC 61131-3标准的高级文本语言。它的语言结构与编程语言Pascal和C相似，所以特别适合于习惯使用高级编程语言的人使用。

SCL适合于复杂的公式计算和最优化算法，或管理大量的数据等。

（6）S7 HiGraph　图形编程语言S7 HiGraph属于可选软件包，它用状态图（State Graphs）来描述异步、非顺序过程的编程语言。系统被分解为几个功能单元，每个单元呈现不同的状态，各功能单元的同步信息可以在图形之间交换。需要为不同状态之间的切换定义转换条件，用类似于语句表的语言描述指定状态的动作和状态之间的转换条件。

（7）S7 CFC编程语言　可选软件包CFC（Continuous Function Chart，连续功能图）用图形方式连接程序库中的以块的形式提供的各种功能，包括从简单的逻辑操作到复杂的闭环和开环控制等领域。编程时将这些块复制到图中并用线连接起来即可。

不需要用户掌握详细的编程知识以及PLC的专门知识，只需要具有行业所必需的工艺技术方面的知识，就可以用CFC来编程。

（8）编程语言的相互转换与选用　在STEP7编程软件中，如果程序块没有错误，并且被正确地划分为网络，在梯形图、功能图和语句表之间可以转换，用语句表编写的程序不一定能转换为梯形图，不能转换的网络仍然保留语句表的形式，但是并不表示该网络有错误。

语句表可供习惯用汇编语言编程的用户使用，在运行时间和要求的存储空间方面最优。语句表的输入方便快捷，还可以在每条语句的后面加上注释，便于复杂程序的阅读和理解。在设计通信、数学运算等高级应用程序时建议使用语句表。

梯形图与继电器电路图的表达方式极为相似，适合于熟悉继电器电路的用户使用。语句表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，在设计和阅读有复杂的触点电路的程序时最好使用梯形图语言。

功能块图适合于熟悉数字电路的用户使用。

S7 SCL编程语言适合于熟悉高级编程语言（例如Pascal或C语言）的用户使用，合适于数据处理程序。

S7 Graph、HiGraph和CFC可供有技术背景，但是没有PLC用户使用。S7Graph对顺序控制过程的编程非常方便，HiGraph适合于异步非顺序过程的编程，CFC适合于连续过程控制的编程。

（9）S7-PLCSIM仿真软件　即使没有PLC的硬件，使用S7-PLCSIM仿真软件也可以在计算机上对SIMATIC S7用户程序块进行功能测试，它对于用户程序的调试和PLC编程的学习是非常有用的。

它可以用于用下列语言编写的程序的仿真：LAD、FBD、STL、S7 Graph、S7 HiGraph、S7 SCL和CFC。