自动化编程语言的未来

未来的自动化操作可能使用多种编程语言，对于程序员来说，了解哪些语言是可用的、适合于哪些领域，以及如何用其创建可读、有资源支持的代码将至关重要。

梯形图逻辑，是可编程逻辑控制器(PLC)的主要编程语言之一。它简单易用，并以图形方式表示继电器触点和线圈。不过，问题是：与其它编程语言相比，梯形图逻辑能在多大程度上满足当前和未来复杂的自动化需求？答案可能比继电器和线圈要复杂的多。

梯形图逻辑的起源

自动化的出现要早于PLC，那时使用继电器网络来充当应用的“大脑”。没有编程人员的角色：只有工程师负责设计电路、电工负责组装。当将逻辑绘制到图纸上时，电路被记录在有点类似梯子的标准结构中，因此被命名为“梯形图”( 见图1)。



图 1: 一个简单的梯形图逻辑示例。本文图片来源: Breen 机器自动化服务

当PLC 刚出现时，宣称它们会为自动化带来很多好处，但没有人知道如何对其进行编程。然后有人想到用梯形图对PLC 进行编程，这样工业领域就可以利用现有的编程技能。工程师和电工也可以阅读和理解程序。在很大程度上，自动化设计可以遵循与继电器相同的模式。

在PLC 之前，继电器控制需要占用机柜的物理空间，而这些机柜需要花钱购买，接线也需要时间。它们只能实现开/ 关功能——在继电器逻辑中，无法实现模拟、数学工具或数据收集功能( 除了特殊继电器中的一些定时和计数功能)。即使是最大、最复杂的自动化系统，也受到继电器物理特性的限制，因此梯形图逻辑语言并不需要做太多。

如今，PLC 所用的处理器芯片，所占用的空间、资金和时间成本比继电器更少，但能实现的功能更多。另外，PLC 中使用的编程语言也在不断扩展，以实现不断增加的功能。现在，梯形图逻辑可以实现的功能比过去更多。PLC 通常用于模拟控制，至于跟踪部件数据( 条形码、测试结果、校准)、控制运动和其它更多任务，梯形图逻辑仍然是主要语言。

随着编程语言的发展，自动化变得更加复杂。对PLC 进行编程已成为一种更专业化的职业。对电工来讲，阅读和维护梯形图逻辑并不十分方便，而且在即将到来的新一代劳动力中，梯形图逻辑也不是普遍掌握的技能。

“封装使程序在不同的细节层次上更容易理解，

并使代码可以复用。”

其它PLC 编程语言

国际电工委员会的工业控制编程标准IEC61131-3，以及个人计算机（PC) 编程也对工业编程产生了重要的影响。这些语言通常被视为梯形图逻辑的补充，而不是对立面。

由于PLC 逐渐开始流行，工业界发现需要新的标准来指导编程。IEC 委员会通过IEC61131 标准（主要是第三部分(IEC 61131-3)中的语言）来解决这一需求。标准中所定义的可以互换的4种编程语言——梯形图、功能块图、结构化文本和指令列表，还有一种被称之为顺序功能图的程序组织语言。

每种语言都有自己的优点和缺点，它们可以在某个程序中一起使用，以便更好地支持不同的程序功能。对于哪种语言最适合哪种任务，要根据不同的应用情况进行讨论( 见图 2)。通常情况下，过程或以离散方式运行、或以连续方式运行。自动化也倾向于直接依靠数字量或模拟量输入输出(I/O)。



图 2:IEC 61131-3 语言概述以及它们最适合编写出可读性程序的领域。

从PC 世界中蜕变而出的自动化语言，往往被用于特殊程序或外设的应用程序。这可能包括与数据库的接口或为自动化外围设备的编程，如摄像机和机器人。结构化文本 ( 在 IEC61131 中的定义) 与Pascal 语言非常相似。

IEC 61131 编程标准面世时，Pascal 语言是常用的PC 编程语言。此后，虽然Pascal 语言不再流行，但这是自动化行业向PC 行业借鉴的一个很好的例子。现在，在自动化中行业中，也有些正在应用的PC语言，例如C++、Java和C#。这些语言虽然功能强大，但在自动化领域还没有得到广泛的应用。

考虑编程语言的关键因素

在将梯形图逻辑与其它潜在选项进行比较之前，了解程序真正需要做什么，这一点非常重要。

程序必须能够使自动化运行，虽然几乎任何语言都能做到，但现实也对其提出了其它要求。这在很大程度上归结于可读性。

应该仔细考虑有关编程语言的3个关键问题：

A. 程序员或维护技术人员，能否查看代码并了解其功能？

B. 能否快速发现问题，最大限度地减少机器停机时间？

C. 当需要新功能时，是否易于扩展程序？不同语言的特性会影响程序员编写可读程序的能力。

以下9 个方面可能会影响编程语言的选择。

1. 基本知识

梯形图逻辑应用广泛，很容易就能找一个能阅读理解程序的人。虽然某些行业对其它IEC 61131 语言表现出一定的偏好，但并没有被普遍采用或理解。自动化中使用的PC语言往往非常流行，并且有大量的支持资源，但这些资源并不总能应用到工业领域，这就降低了可能的潜在收益。

2. 内部文档

每种语言都有一种方法，可以让程序员用简单的语言来解释程序的意图。在梯形图逻辑中，这主要是用回路注释和标签( 变量)注释来完成的，它们适用于简单的回路，但对较大的回路或数学函数的帮助则较小。其它IEC 61131 语言各不相同，但通常很适合记录它们擅长的内容。例如，结构化文本在数学计算和循环结构文档方面表现良好。PC 语言往往有更多的功能，可用于内部文档，有时甚至会自动从源代码生成文档，为程序员或技术人员创建手册，以参考和快速了解整体结构。

3. 决策结构和循环

简单来讲，编程归结为“如果发生这种情况，就那样去做”。这是一个名为“如果，那么”的决策结构。在本文讨论的所有语言中，此结构都易于使用和理解。但是，如果程序员想重复做同一件事情，梯形图逻辑对这些结构支持的并不是特别好，通常会导致代码的可读性较差。而结构化文本和PC 语言往往更擅长常见的决策和循环结构。

4. 数学

加、减法很容易，在任何语言中都能处理的很好，但当涉及复杂的数学功能时，那又会怎样呢？梯形图逻辑支持算术和一些基本函数，如绝对值或平方根，但如果计算涉及的内容更多，它们的可读性往往较低。从视觉效果上，注释与它们记录的内容是分开的，而且重复执行数学运算并不是特别好，因为循环功能并不完美。结构化文本和PC 语言功能往往更强大，因为它具有更强大的数学功能。PC 语言提供的高级数学函数，几乎可以用于任何目的，还可打包，以方便使用。

5. 可视性

阅读一个不熟悉的程序，就像通过纸管阅读一本探险小说，不得不在书的不同部分之间来回切换，因此一次只能看到页面的一部分。适合屏幕显示的代码量，可能会影响程序员判断程序功能的执行和方法。通常情况下，屏幕上只能同时显示1 到5 行的梯形逻辑。它的图形性质使其信息密度很小，程序员难以“看到”整个程序。而顺序功能图，虽然也是图形化的，由于具有较高级的属性，因此可以在一定程度上避免这个问题，就像一本带有目录的短篇小说。基于文本的语言( 结构化文本和PC 语言)信息量往往更密集，在屏幕上一次可以显示30-50 行代码。

6. 封装、代码复用

有什么措施可以应对不断增加的复杂性？开车时，司机并不需要考虑点火时间、牵引力控制或发动机冷却策略。所有其它无关的东西都被抽象掉，自成一体、自我管理。在编程中，这被称为“封装”。封装的好处，不仅仅是让程序在不同的细节层次上更容易理解；而且这也意味着代码可以复用。

如果根据程序设计，用机器来计算一天中每个小时的整体设备效率，则可以对其进行编程：计算一次整体设备效率，然后每小时复用一次。梯形图逻辑和其它IEC 61131 语言，都可以很好地做到这一点。PC 语言增加了面向对象功能，这使其变得更强大。IEC 61131 提供了面向对象的规定，但PLC 制造商并不总是执行这些规定，这意味着程序员可能无法使用它们。

7. 库文件

库文件允许用户通过将经封装、测试的代码添加到程序中，使代码复用提升到一个新的水平。仍然用汽车作例子，虽然用户不知道引擎盖下有什么部件，但仍然可以驾驶它。梯形图逻辑和IEC 语言对类似功能的支持有限。PC 语言有很多库文件支持，而且通常是免费的。并不是为了与梯形图逻辑一较高下，但它们确实是经常适用于梯形图逻辑不太适用的领域，如数学、视觉检查和数据处理。

8. 模拟与数字

在许多方面， 模拟与数字参数有点类似于数学参数。梯形图逻辑在数字信号和信息方面做得非常好， 但在模拟方面却不太擅长。功能块是另外一种 IEC61131 语言，它在模拟信号方面做得非常好，但在数字信号方面却不太擅长。结构化文本和PC语言，能很好地处理这些，但由于它们更灵活，因此程序员需要更好地组织代码以提高可读性。

9. 确定性

在自动化应用中，按照循环周期( 例如，每15 毫秒) 读取输入、执行程序和写入输出，对控制器(PLC、PC) 很重要。这就是所谓的确定性。梯形图逻辑和所有 IEC 61131 语言都是确定性的。PC 语言各不相同。例如，C++ 可以是确定性的，但像 Java和 C# 这样的高级语言，通常不具有确定性。

最好的选择是什么

那么梯形图逻辑与其它逻辑是如何匹配的呢？它仍然受到离散自动化行业的青睐，在这些行业中，数字输入和输出是常态。另一方面，在模拟输入和输出占主导地位的过程工业，则更多的使用功能块语言，来处理这部分代码。

当然，行业偏好只由上述因素之一，技术支持也很重要。现有的技术支持，在很大程度上是历史上适用规范的体现，因为最近的历史决定了当今的劳动力经验。由于梯形图逻辑长期以来被广泛采用，所以使用不同的编程语言可能看起来像是一个未卜的前景。

大量新毕业的大学生有基于文本的语言经验，但并没有梯形图逻辑的经验。随着劳动力的更新换代，并且随着更多支持文件的出现，行业偏好可能会倾向于基于文本的语言。未来，自动化操作很可能会包括多种语言。只用一种语言思考问题，可能会对实现这些目标产生不利影响。

PLC 将使用一种或多种语言，众多外围设备也是如此。对于程序员来说，了解哪些语言是可用的、哪种语言适合于哪些领域，以及如何用其创建可读、有资源支持的代码将至关重要。

本文关键概念：

■梯形图逻辑更多受到离散厂商的青睐。

■对于更复杂的应用程序，IEC 61131-3和PC编程语言可能更适用。

■任何应用程序都可能涉及多种编程语言，因此尽可能多了解几种语言大有裨益。

思考一下：

在梯形图逻辑和其它编程语言中做选择时，哪些因素对您的实施最重要？​



-完-

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2019年01-02月刊《封面故事》栏目，原标题为：自动化编程语言的未来



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