【面向对象编程(OOP)在PLC中】：IEC61131-2的应用实践与案例分析


参考资源链接：[IEC 61131-2 PLC编程标准更新：软件架构与测试要求](https://wenku.csdn.net/doc/6412b705be7fbd1778d48cf2?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 面向对象编程(OOP)基础与IEC61131-3标准概述

面向对象编程（OOP）是一种编程范式，强调使用“对象”来设计软件。对象可以包含数据，以字段的形式存在，通常被称为属性；也可以包含代码，以方法的形式存在。在OOP中，程序被视为相互作用的对象的集合，每个对象都具备一组特定功能，与其他对象进行交互。

IEC61131-3是工业自动化领域中一个非常重要的标准，它为可编程逻辑控制器（PLC）的编程语言和环境提供了标准化的规则和指南。该标准定义了五种编程语言，包括结构化文本（ST），梯形图（LD），功能块图（FBD），顺序功能图（SFC）和指令列表（IL）。近年来，IEC61131-3标准开始支持面向对象编程（OOP）。

OOP在PLC编程中的应用标志着自动化技术的一个重要进步。随着工业4.0的推进，系统复杂性的增加要求PLC编程更加灵活和可扩展。通过使用OOP，开发者能够创建模块化的代码，这不仅有助于提高代码的重用性，而且能够改善项目的可维护性和可扩展性。在本章中，我们将探索OOP的基本原理，并概述IEC61131-3标准如何适应这种编程范式。

# 2. PLC中的OOP理论与编程模型

## 2.1 OOP核心概念在PLC编程中的体现

### 2.1.1 类与对象
在面向对象编程（OOP）中，"类"和"对象"是构建程序的基本单位。类可以被理解为一种蓝图或模板，它定义了对象的结构和行为。而在PLC编程中，类的概念可以被抽象化为模块化的功能块。

**对象**是类的一个实例，具有类定义的属性和方法。在PLC编程中，对象可表现为一个特定的输入/输出设备，或者是一个具有特定功能的控制器模块。

例如，在一个自动化生产线的PLC系统中，我们可以定义一个“传送带”类，这个类包含了传送带的速度、运行状态等属性，以及启动、停止等方法。每一个实际的传送带，在系统中就是这个类的一个对象。

### 2.1.2 封装、继承与多态
封装、继承和多态是OOP的三大基本特征。

- **封装**是指将数据（属性）和操作数据的代码（方法）绑定到一起的过程，即隐藏对象的内部细节，只暴露接口。在PLC中，这意味着将一个功能块的实现细节与数据保持私有，只通过端口进行输入输出。

- **继承**允许一个类（子类）继承另一个类（父类）的特性。在PLC中，这可以用于创建具有特定功能扩展的基础功能块。

- **多态**是指同一种行为具有多个不同表现形式或形态。在PLC的OOP中，这使得不同对象可以对同一消息做出不同的响应。

**示例代码：**

PROGRAM ConveyerControl
VAR
  myConveyer: ConveyerClass; // 对象声明
END_VAR

// 实例化对象
myConveyer := ConveyerClass();

// 对象的使用
myConveyer.Start(); // 启动传送带
myConveyer.Stop(); // 停止传送带

在上述代码中，`ConveyerClass`是类的定义，而`myConveyer`是这个类的一个对象。

## 2.2 IEC61131-3标准下的OOP编程

### 2.2.1 IEC61131-3标准的介绍
IEC61131-3是一个国际标准，它定义了可编程逻辑控制器（PLC）的编程语言和软件结构。它不仅包括传统的顺序功能图（SFC）、梯形图、功能块图（FBD）和结构化文本（ST），还包括了面向对象编程的特性。

### 2.2.2 PLC的数据类型与结构体
在PLC编程中，数据类型包括基础数据类型如布尔值、整型和浮点数，以及复杂数据类型如数组、结构体等。结构体是将不同类型的数据捆绑在一起，形成一个单一的数据单位。这一点与OOP中的“类”概念非常接近，允许数据和处理数据的方法封装在一起来处理复杂的数据结构。

### 2.2.3 面向对象编程的实现机制
IEC61131-3标准提供了实现OOP的机制，主要通过“功能块”来实现。功能块可以拥有自己的输入输出参数和静态变量，能够存储自身的状态，从而实现封装和数据隐藏。此外，功能块可以继承自其他功能块，实现代码的重用。

**示例代码：**

FUNCTION_BLOCK ConveyerClass
VAR_INPUT
  StartSignal: BOOL;
  StopSignal: BOOL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
  Running: BOOL;
END_VAR
VAR
  Speed: INT;
END_VAR

METHOD Start
BEGIN
  // 启动传送带的逻辑
END_METHOD

METHOD Stop
BEGIN
  // 停止传送带的逻辑
END_METHOD
END_FUNCTION_BLOCK

在这个例子中，`ConveyerClass`是一个功能块，它具有输入输出参数和内部方法。

## 2.3 OOP在PLC编程中的优势与挑战

### 2.3.1 系统维护与升级的便利性
OOP在PLC编程中的优势之一在于，当系统需要维护或升级时，由于功能的高度封装和模块化，可以有效地减少全局影响，使修改更加局部化。代码易于维护和复用。

### 2.3.2 PLC资源限制与OOP的优化
尽管OOP带来了诸多好处，但在资源有限的PLC系统中，过度使用OOP特性可能会导致效率降低。因此，开发者需要在代码优化和系统性能之间找到平衡点，确保系统资源得到高效利用。

# 3. PLC的OOP编程实践

## 3.1 结构化文本(ST)编程语言

### 3.1.1 ST语言的OOP特性

结构化文本(ST)是一种高级编程语言，它在工业自动化领域中的PLC编程应用日益广泛。ST语言的OOP特性赋予了它面向对象编程的能力，使开发者能够创建和使用类、对象、继承以及接口等概念。在ST语言中，可以定义数据类型（类）及其操作（方法），并且可以封装数据以保护其不被外部直接访问。ST语言还支持继承，允许开发者创建一个类作为另一个类的子类，这样子类就可以继承父类的属性和方法。多态性在ST语言中也可以实现，这意味着程序可以针对接口编程，而不是针对具体的实现，这为系统的扩展性和灵活性提供了强大的支持。

### 3.1.2 ST语言的OOP实践示例

假设我们需要在PLC中实现一个简单的温度控制逻辑，我们可以使用ST语言来定义一个“温控器”类。以下是一个简化的示例：

TYPE Thermometer :
STRUCT
    CurrentTemp : REAL;
    Setpoint : REAL;
    Hysteresis : REAL;
END_STRUCT
END_TYPE

METHOD PUBLIC Reset(T : Thermometer) : VOID
    T.CurrentTemp := 0.0;
    T.Setpoint := 0.0;
    T.Hyste