聊聊身边的嵌入式，工控大脑PLC

哪里用到 PLC？

大家逛商场、坐地铁经常会乘坐自动扶梯。通常情况下，没人乘梯的时候，扶梯会以一个低速节能方式运行。有人乘梯时，会自动平稳过渡到正常速度运行。我有个同学在世界第一大自动扶梯生产商迅达，听他说里面用的控制器就是 PLC。

PLC 广泛应用于钢铁、石油、化工、电力等工控领域，主要有以下原因：

• 高可靠性。工控领域环境相对较恶劣，同时还需要稳定可靠的长时间运行，不能出错，毕竟很多时候一旦出错，那可是会造成重大损失的，不像消费电子领域，出了问题大不了重启一下。容易编程。对工程师的编程水平不需要那么高的要求，工程师可以专注在应用领域，节约开发周期。易于维护。模块化的设计，出了问题相对容易维护。

PLC 和单片机关系

PLC 其实是电气工程师手中的 MCU，当然大部分的中小型的 PLC 本身就是由 MCU 来实现的。讲到这里，会有很多小伙伴问，这俩家伙到底有什么区别？从研发的角度看，PLC 是把 MCU 有限的资源根据一定的规范设计出来的，具体的讲，MCU 的 IO 资源对应了 PLC 的输入输出，Core 对应了计算能力，RAM 对应了数据空间，FLASH 对应了程序空间。从用户角度看，由于不同的 PLC 厂商都遵循了相同的规范，同时它的功能往往是其实现 MCU 的子集，所以学习起来比 MCU 更加容易。下图中间黄色部分就是 MCU，PLC 是在其基础上增加了输入模块、输出模块、电源模块、编程器。

PLC 的软件实现

下面更多的会从软件方案角度出发来探究 PLC，主要还是针对嵌入式工程师，大家感兴趣也可以自己上手去实现一个简单的 PLC。

3.1 IEC61131-3

讲到 PLC 的软件实现，那就不得不提 IEC61131-3，它是 IEEE 制定的用于 PLC 的编程系统标准，定义了以下五种编程语言：

指令表(ILD)

梯形图(LD)

功能块(FBD)

结构化文字(STL)

顺序功能流程图(SFC)

小型 PLC 由于功能简单，而且步长受限，往往最常用的是指令表和梯形图。STL 类似 C 语言，经常用于编写功能块，FBD/SFC 更加直观，经常用于复杂逻辑的顶层设计。

3.2 PLC 的软件构成

用过 PLC 的朋友都知道，通用的 PLC 都会提供一个 PC 端的软件用来编辑用户逻辑，比较常见的有西门子的 STEP7，3S 的 Codesys，KW 的 MULTIPROG，rockwell 的 ISaGRAF。所以，一般情况下，PLC 的软件由两部分组成：

(1) PC 端的编程软件，给用户提供编程调试环境

                                                 (截图代码源于和利时 G3 小型 PLC)

(2) 设备端的软件，而设备端的软件又分为 runtime system(后称 RTS)和用户程序(后称 POU)两部分内容。RTS 是 PLC 设备端的核心，主要有以下几个作用：

• 实现通讯接口：包括与 PC 端软件通讯，与 IO 扩展模块的通讯存储并执行 PC 端生成的 POU 执行 IO 的输入输出

当然，也有一些微型 PLC 自带屏幕，无需 PC 软件，可以直接在屏幕上编程，比如西门子的 Logo 系列。

图片源自西门子官网

3.3  POU 的分类

PLC 的 RTS 从实现角度讲，分为两类：解释型和编译型，有点像学校里学习 VB 和 VC 的区别。编译型 PLC 生成的 POU 是可以执行的二进制代码，解释型 PLC 生成的 POU 是一个中间文件。

编译型 PLC

编译型 PLC 支持的 IEC61131-3 编程软件会根据用户的编程语言生成 PLC 可以执行的二进制机器代码，其有以下几个特点：

• 执行效率高， 平均有效指令仅是解释型 PLC 的 1 /10 开发难度大，PC 端开发环境除了需要解析 IEC61131-3 相关语法，还需要涉及编译器、链接器、反编译、Mempry 地址分配等内容基于 MCU 开发 PLC 跨平台难度大，受限于 CPU 指令集影响，不同厂商 CPU Memory 地址分配不同，开发环境很难做到适配所有不同 CPU 的编译器反编译难度大

解释型 PLC

解释型 PLC 支持的 IEC61131-3 编程软件会根据用户的编程语言生成中间文件，CPU 会作为解析器来解析该中间文件，其有以下几个特点：

• 开发容易， PC 端开发环境仅需要解析 IEC61131-3 相关语法并生成中间文件即可产品容易跨平台，由于开发环境生成的中间文件并不直接在 CPU 上运行，也很容易做到地址无关，所以很容易在不同内核的 CPU 上运行由于容易做到地址无关，更容易做到无扰下装容易实现反编译功能

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