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简介：ST语言，即结构化文本，是IEC 61131-3标准下的工业自动化编程语言，适用于PLC编程。本手册为读者提供ST语言的全面指南，内容涵盖基本语法、数据类型、控制结构、函数、错误处理、模块化编程、与PLC硬件交互、编程实例、调试测试以及标准库的使用。无论是初学者还是资深工程师，该手册都能帮助提升在工业自动化领域的编程技能。

1. ST语言基础与优势

ST（结构化文本）语言是一种高级编程语言，广泛用于工业自动化领域，特别是在可编程逻辑控制器（PLC）编程中。作为一种IEC 61131-3标准定义的语言，ST语言具备与传统高级编程语言如C或Pascal相似的语法特性，但它专为实时控制任务而设计，使得程序员能够开发出结构化、模块化的程序。

1.1 ST语言的优势

ST语言的主要优势之一是其平台无关性，这意味着编写的代码可以在任何符合IEC标准的PLC平台上运行，提高了代码的可移植性和可复用性。除此之外，ST语言还具有以下优势：

• 高级语言特性 ：ST支持复杂数据类型、函数和函数块、递归和广泛的错误处理机制，这使得程序员能够编写更加复杂和强大的程序。
• 易学易用 ：对于有传统编程背景的开发者来说，ST语言的结构化和面向对象的特性使其学习曲线相对平缓。
• 代码可读性和维护性 ：结构化的代码组织和模块化编程有助于提高代码的可读性和可维护性，这对于长期维护和升级工业控制系统至关重要。

1.2 ST语言的应用场景

由于ST语言的上述优势，它在工业自动化领域有着广泛的应用。它特别适用于：

• 复杂控制逻辑的实现 ：在需要高度控制逻辑和算法的系统中，如制造执行系统（MES）和机器人控制系统。
• 系统集成 ：与SCADA系统、HMI和其他企业系统集成，以实现完整的信息流和控制流。
• 跨平台应用 ：由于其可移植性，ST语言特别适合需要在不同PLC供应商设备之间迁移的场景。

在接下来的章节中，我们将深入了解ST语言的基本语法，数据类型，控制结构，函数与函数块的应用，错误处理机制，模块化编程技术，以及如何与PLC硬件交互。这将为我们打下坚实的理论基础，并在实际工作中提升我们的编程技能和效率。

2. 基本语法介绍

2.1 ST语言的语法规则

2.1.1 基本的编程结构

ST（结构化文本）语言是一种高级编程语言，遵循IEC 61131-3标准，广泛应用于工业自动化领域。在ST语言中，编写程序的基本结构通常包含程序（PROGRAM）、函数（FUNCTION）、函数块（FUNCTION_BLOCK）和变量（VAR）等元素。这些元素组织在一起形成一个完整的程序结构。

让我们来看一个简单的例子：

PROGRAM Example
VAR
    counter : INT; // 定义了一个整型变量counter
    inputSignal : BOOL; // 定义了一个布尔型变量inputSignal
END_VAR

counter := 0; // 初始化counter变量
IF inputSignal THEN
    counter := counter + 1; // 如果inputSignal为真，则counter自增
END_IF;

上面的程序段展示了ST语言的基本结构和语法规则。程序开始于 PROGRAM 关键字，后跟程序名。变量声明（VAR）部分用于定义在程序中使用的变量， END_VAR 标记变量声明块的结束。主执行块在 BEGIN 和 END_PROGRAM 之间。

2.1.2 关键字和保留字

ST语言有固定的关键词和保留字集合，例如 PROGRAM 、 FUNCTION 、 FUNCTION_BLOCK 、 VAR 、 IF 、 THEN 、 ELSE 、 END_IF 等。这些关键字在语言中具有特殊含义，不能用作标识符。例如，不能声明一个变量名为 IF ，因为 IF 是ST语言的一个关键词。

2.2 ST语言的编辑环境

2.2.1 开发工具的选择

为了编写ST语言程序，开发人员需要一个支持IEC 61131-3标准的编程环境。目前市场上有多种PLC编程工具支持ST语言，例如Siemens TIA Portal、Rockwell Automation Studio 5000、Schneider Electric EcoStruxure Control Expert等。选择合适的开发环境取决于项目的具体需求、预算以及工程师的熟悉度。

2.2.2 环境配置与工程建立

一旦选择了合适的开发环境，接下来就需要配置环境和建立一个工程。在这个过程中，需要设置项目的基本参数，比如PLC型号、硬件配置和网络设置。还需要定义项目文件夹结构、源文件和资源，以及进行版本控制和项目文档的创建。这些步骤有助于维护代码的清晰性和项目的可管理性。

2.3 ST语言的代码编写

2.3.1 源代码的组织和模块化

在ST语言中，源代码的组织非常重要。一个好的编程实践是将相关的代码组织到不同的模块中，例如将处理特定功能的代码组织到函数或函数块中。这样的模块化有助于代码的重用、维护和测试。模块化组织代码还可以提高代码的可读性和可维护性。

FUNCTION_BLOCK FB抽烟机控制
VAR_INPUT
    StartButton : BOOL; // 开始按钮
    StopButton : BOOL;  // 停止按钮
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Motor : BOOL;       // 控制电机
END_VAR
VAR
    State : STRING;     // 抽烟机的状态
END_VAR

IF StartButton AND NOT StopButton THEN
    Motor := TRUE;      // 启动电机
    State := 'Running';
ELSIF StopButton THEN
    Motor := FALSE;     // 停止电机
    State := 'Stopped';
END_IF;

2.3.2 编码规范和代码风格

编码规范和风格在软件开发中至关重要。ST语言的开发者应当遵循统一的编码规范，例如命名规则、缩进规则和注释风格。这有助于保持代码的一致性，使得其他工程师更容易理解和维护代码。此外，良好的注释能够提供代码逻辑的清晰描述，为将来的代码审查和维护打下良好基础。

(*
   这是一个用于控制抽烟机的函数块FB抽烟机控制
   它根据StartButton和StopButton输入信号控制Motor输出信号
*)
FUNCTION_BLOCK FB抽烟机控制
END_FUNCTION_BLOCK

通过代码块的示例和代码规范的简单讨论，可以看出ST语言在编写和组织代码方面的灵活性和表达力。在接下来的章节中，我们将深入探讨ST语言的更多高级特性和最佳实践。

3. 数据类型和结构

数据类型和结构是编程语言的基础，它们定义了数据在内存中的存储方式以及数据的集合和管理方式。在ST语言中，理解数据类型和结构对于编写高效、可读性强和易于维护的程序至关重要。

3.1 基本数据类型

3.1.1 数字类型

ST语言支持多种数字类型，包括整数、实数（浮点数）和复数。整数类型又分为有符号和无符号，可以根据需要处理的数值范围选择适当的类型。

VAR
    a: INT := 10;      // 有符号整数
    b: UINT := 15;     // 无符号整数
    c: REAL := 15.23;  // 浮点数
    d: LINT := 100000; // 长整数
END_VAR

在上面的代码块中，变量 a 和 b 使用了两种基本的整数类型， c 表示一个浮点数，而 d 是一个长整型。数字类型的选择会影响程序的内存使用和性能。

3.1.2 字符串类型

字符串类型用于处理文本数据，ST语言中使用 STRING 关键字定义字符串变量。字符串的长度可以通过定义时指定或者在运行时动态指定。

VAR
    myStr1: STRING[20] := 'Hello';  // 长度为20的字符串
    myStr2: STRING := 'World!';     // 长度由内容决定
END_VAR

这里 myStr1 是一个长度固定的字符串，而 myStr2 长度由初始化的字符串内容决定。

3.1.3 布尔类型

布尔类型在ST语言中使用 BOOL 关键字定义，其值为 TRUE 或 FALSE ，常用于逻辑判断和条件语句中。

VAR
    isOn: BOOL := TRUE;
END_VAR

上述代码定义了一个布尔变量 isOn ，其值为真。

3.2 复合数据类型

3.2.1 数组类型

数组是相同数据类型的集合，通过数组类型在ST语言中可以定义固定大小的数组，也可以动态分配数组空间。

VAR
    myArray: ARRAY[0..9] OF INT;  // 固定大小的数组
END_VAR

上述代码块定义了一个整数数组 myArray ，大小为10个整数。

3.2.2 记录类型

记录类型（也称作结构体）是将多个相关联的数据打包成一个单独的数据类型。这样，数据可以作为整体进行操作。

TYPE
    myRecord: STRUCT
        x: INT;
        y: REAL;
    END_STRUCT
END_TYPE

VAR
    myData: myRecord;
END_VAR

myData.x := 10;
myData.y := 3.14;

在这段代码中，首先定义了一个记录类型 myRecord ，然后创建了一个这个类型的变量 myData ，并为其成员赋予了值。

3.2.3 枚举类型

枚举类型是一种自定义数据类型，允许用户定义一组命名的常量。枚举类型可以简化程序设计，使代码更加清晰。

TYPE
    myEnum: (RED, GREEN, BLUE);
END_TYPE

VAR
    myColor: myEnum := GREEN;
END_VAR

这里定义了一个名为 myEnum 的枚举类型，有三个可能的值： RED 、 GREEN 和 BLUE 。变量 myColor 被设置为枚举值 GREEN 。

3.3 类型转换与类型检查

3.3.1 类型转换规则

ST语言允许在不同的数据类型之间进行显式转换，但自动转换则受到严格规则的限制。转换必须是逻辑上合理且不会导致信息丢失的。

VAR
    anInt: INT := 10;
    aReal: REAL;
END_VAR

aReal := REAL(anInt);  // 正确的类型转换

在这段代码中，整数 anInt 被显式转换成了实数类型 aReal 。

3.3.2 类型安全检查机制

类型安全是编程语言的一个重要特性，它确保操作只适用于预期的数据类型。ST语言内置了类型安全检查机制，用于在编译时期或运行时捕捉类型不匹配错误。

VAR
    aBool: BOOL := TRUE;
    notABool: INT;
END_VAR

notABool := aBool;  // 编译错误，因为类型不匹配

在上述示例中，尝试将布尔类型的变量赋值给整数类型的变量会导致编译时错误。

以上章节通过实例和解释深入探讨了ST语言中的数据类型和结构。在掌握这些基础知识后，程序员能够更加高效地进行数据操作、组织和优化程序。在接下来的章节中，我们将继续深入探讨ST语言的控制结构、函数与函数块的高级应用以及错误处理策略，从而全面提高程序的质量和稳定性。

4. 控制结构详解

4.1 顺序控制

4.1.1 语句的执行顺序

在ST语言编程中，语句的执行顺序默认是按照它们在代码中的排列顺序进行的。每个语句通常以分号（;）结束，而代码块则由关键字 BEGIN 和 END 包围。理解语句执行顺序对于控制程序的逻辑流至关重要，尤其是在嵌入式系统或者实时控制系统编程中。

PROGRAM SequentialControlExample
VAR
  a, b, c : INT;
END_VAR

a := 10;
b := 20;
c := a + b;

以上示例中， a 被赋值为 10，随后 b 被赋值为 20，最后 c 被赋值为 a 和 b 的和。

4.1.2 程序块和分隔符

程序块是控制结构的基础，它允许我们组织代码以执行特定的任务。分隔符用于明确代码块的边界。ST语言中使用 BEGIN 和 END 关键字来标记程序块的开始和结束。

PROGRAM BlockSeparatorExample
VAR
  x : INT;
END_VAR

BEGIN
  x := 0;
END

在上述代码块中，变量 x 被初始化为 0。程序块可以嵌套使用，以实现复杂的控制逻辑。

4.2 分支控制

4.2.1 IF语句的使用

IF 语句是条件分支的基石，它允许程序根据一个或多个条件来执行不同的代码段。 IF 语句的语法结构如下：

IF Condition THEN
  // 条件为真的执行代码
ELSE
  // 条件为假的执行代码（可选）
END_IF;

PROGRAM IfStatementExample
VAR
  value : INT;
END_VAR

value := 50;

IF value < 100 THEN
  // 如果value小于100，则执行以下代码
  value := value + 5;
ELSE
  // 如果value不小于100，则执行以下代码
  value := value - 5;
END_IF;

在该示例中， value 被判断是否小于100，根据判断结果， value 可能会增加5或者减少5。

4.2.2 CASE语句的实现

CASE 语句为多分支条件判断提供了一种简洁的方式，它根据一个表达式的值选择执行不同的代码块。 CASE 语句的基本语法结构如下：

CASE Expression OF
  Value1: // 当表达式等于Value1时执行的代码
  Value2: // 当表达式等于Value2时执行的代码
  // 可以有任意数量的分支
  ELSE
    // 当没有匹配的分支时执行的代码（可选）
END_CASE;

PROGRAM CaseStatementExample
VAR
  select : INT;
END_VAR

select := 2;

CASE select OF
  1: // 当select等于1时
    // 执行特定的操作
  2: // 当select等于2时
    // 执行另一组操作
  ELSE
    // 当select的值不是1或2时
    // 执行默认操作
END_CASE;

在这个例子中，根据 select 变量的值，程序选择执行对应的代码块。如果 select 的值既不是1也不是2，则执行 ELSE 部分的代码。

4.3 循环控制

4.3.1 WHILE循环

WHILE 循环是一种预检查循环，即在循环体执行之前先检查循环条件。循环会一直执行，直到条件不再满足。

PROGRAM WhileLoopExample
VAR
  i : INT := 1;
END_VAR

WHILE i <= 10 DO
  i := i + 1; // 每次循环将i增加1
END_WHILE;

在上述代码中， i 的值从 1 开始递增，当 i 达到 11 时，循环停止。

4.3.2 REPEAT循环

REPEAT 循环是一种后检查循环，它至少执行一次循环体，然后检查条件。如果条件为真，继续循环，否则退出循环。

PROGRAM RepeatLoopExample
VAR
  j : INT := 1;
END_VAR

REPEAT
  j := j + 1;
UNTIL j > 10;

在这个例子中， j 将从 1 开始递增， REPEAT 循环会持续执行，直到 j 大于 10 时停止。

4.3.3 FOR循环及其变体

FOR 循环提供了一种简单的方法来重复执行一系列语句特定次数。ST语言中的 FOR 循环还可以使用步长控制。

PROGRAM ForLoopExample
VAR
  k : INT;
END_VAR

FOR k := 1 TO 10 BY 1 DO
  // 这里可以添加代码块，k会从1循环到10，每次循环递增1
END_FOR;

此例中， k 将从 1 开始，逐步增加到 10，每次增加 1。 FOR 循环的步长可以通过 BY 关键字进行调整，比如递减循环可以这样实现：

FOR k := 10 DOWNTO 1 BY -1 DO
  // 这里可以添加代码块，k会从10递减到1
END_FOR;

在递减循环中， k 将从 10 开始递减到 1，每次循环减少 1。

5. 函数与函数块应用

在第五章中，我们将深入了解ST（结构化文本）语言中函数和函数块的应用。函数和函数块是ST语言构建复杂应用程序的关键元素，它们能够提供代码重用性、模块化和封装性，是实现高级逻辑和控制策略的基础。本章将围绕函数和函数块的定义、构建、使用以及高级应用展开详尽的讨论，旨在帮助读者更深入地掌握ST语言的应用。

5.1 函数的基本概念

5.1.1 函数定义和调用

函数是ST语言中用于执行特定任务的代码块，它接受输入参数，执行一系列语句，并可返回一个或多个结果。函数的定义包含了返回类型、函数名以及参数列表。函数调用涉及到使用函数名和传递参数。

FUNCTION MyFunction : INT
VAR_INPUT
    a : INT;
    b : INT;
END_VAR
    MyFunction := a + b;
END_FUNCTION

在上述代码段中，我们定义了一个名为 MyFunction 的函数，该函数返回类型为 INT ，接收两个输入参数 a 和 b 。函数体内部实现了一个简单的加法运算，并将结果赋值给函数名作为返回值。

调用函数时，只需在程序中使用函数名并提供必要的参数即可。例如：

VAR
    result : INT;
    num1 : INT := 10;
    num2 : INT := 20;
END_VAR

result := MyFunction(num1, num2);

在这段代码中， result 将存储 num1 和 num2 的和，即 30。

5.1.2 函数的参数和返回值

函数的参数可以是值参数或引用参数。值参数传递的是变量的副本，而引用参数则传递变量的地址，允许函数修改原始数据。返回值允许函数将结果传递回调用者。

FUNCTION AddTwoNumbers : INT
VAR_INPUT BY_REF
    x : INT;
    y : INT;
END_VAR
    x := x + y;
END_FUNCTION

上述代码展示了一个引用参数的例子。 AddTwoNumbers 函数通过引用参数 x 修改了调用它的原始数据。

5.2 函数块的构建与使用

5.2.1 函数块的结构

函数块（Function Block）是ST语言中能够存储内部状态的特殊函数类型。与函数不同的是，函数块可以包含静态变量，保持它们的状态在函数调用之间，而函数则每次调用时都从头开始执行。

函数块通常由输入、输出、静态变量和方法组成。输入和输出参数允许函数块与外部环境交互，静态变量用于维护内部状态，而方法则是函数块内执行操作的具体函数。

FUNCTION_BLOCK MyFunctionBlock
VAR_INPUT
    input1 : INT;
    input2 : INT;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    output : INT;
END_VAR
VAR
    internalState : INT := 0;
END_VAR

METHOD MyMethod : INT
    MyMethod := input1 + input2 + internalState;
END_METHOD

METHOD UpdateState
    internalState := internalState + 1;
END_METHOD
END_FUNCTION_BLOCK

在上述函数块示例中， MyFunctionBlock 包含了两个输入参数、一个输出参数、一个静态变量以及两个方法。 MyMethod 方法返回输入和内部状态的和，而 UpdateState 方法用于更新内部状态。

5.2.2 函数块实例的创建

创建函数块实例意味着分配内存空间，并为该实例的静态变量和方法进行初始化。实例化函数块后，可以像调用普通对象的方法一样调用函数块中的方法。

VAR
    fbInstance : MyFunctionBlock;
END_VAR

fbInstance.input1 := 10;
fbInstance.input2 := 20;
fbInstance.UpdateState();
fbInstance.output := fbInstance.MyMethod();

在这段代码中，我们创建了 MyFunctionBlock 的实例 fbInstance ，并对其输入参数进行了赋值。通过调用 UpdateState 方法更新内部状态后，我们调用 MyMethod 方法并获取其返回值存储在输出变量中。

5.3 函数与函数块的高级应用

5.3.1 递归函数的实现

递归函数是一种调用自身的函数，通常用于解决需要分解为更小子问题的问题。在实现递归函数时，必须确保有明确的递归终止条件，以避免无限递归和栈溢出。

FUNCTION RecursiveFunction : INT
VAR_INPUT
    n : INT;
END_VAR
    IF n <= 1 THEN
        RecursiveFunction := n;
    ELSE
        RecursiveFunction := n * RecursiveFunction(n - 1);
    END_IF
END_FUNCTION

上述代码展示了计算阶乘的递归函数。当 n 小于或等于1时，阶乘为 n 本身，否则为 n 乘以 n-1 的阶乘。

5.3.2 函数块的静态和动态调用

函数块既可以静态调用，也可以动态调用。静态调用意味着在编译时就已确定好要调用的函数块实例，而动态调用则是在运行时通过指针操作来实现。

VAR
    fbInstance : MyFunctionBlock;
    fbPointer : POINTER TO MyFunctionBlock;
END_VAR

fbInstance.input1 := 10;
fbInstance.input2 := 20;
fbInstance.UpdateState();

fbPointer := ADR(fbInstance);
fbPointer^.output := fbPointer^.MyMethod();

在这段代码中，我们通过指针 fbPointer 动态调用了 fbInstance 的方法。使用 ADR 函数获取 fbInstance 的地址，并通过指针访问和调用方法。

本章我们学习了ST语言中函数和函数块的基础概念、结构以及如何构建和使用它们。下一章将深入探讨错误处理机制，包括错误处理策略的实现和优化，这些都是在编写稳定和可靠的ST程序中不可或缺的要素。

6. 错误处理机制

错误处理是任何编程语言中不可或缺的一部分，尤其在工业自动化领域，良好的错误处理机制能够保障设备的稳定运行和安全。ST语言（结构化文本）作为IEC 61131-3标准中的一部分，自然也提供了强大的错误处理能力。

6.1 错误处理的策略

6.1.1 异常处理的基本原则

在编写工业自动化软件时，异常处理机制应遵循以下基本原则： - 及时性 ：异常应尽早被捕获和处理，以防止错误扩散到更广泛的系统部分。 - 精确性 ：捕获异常时应尽量精确，避免捕获过多不必要的异常，从而提高程序的性能和可维护性。 - 最小化影响 ：错误处理代码应设计成使系统其它部分尽可能少受异常影响。

6.1.2 错误和异常的分类

ST语言中的错误和异常可以大致分为以下几类： - 编译时错误 ：语法错误或类型不匹配等在编译阶段可以检测到的问题。 - 运行时错误 ：程序运行时发生的，如除以零、数组越界、设备未就绪等。 - 逻辑错误 ：程序运行正常，但输出结果不符合预期的错误。

6.2 错误处理的实现

6.2.1 错误代码的设计

在设计错误代码时，通常会采用具有层次的错误码，比如： - 系统错误码 ：表示程序或系统级别的错误，通常由软件开发团队维护。 - 应用错误码 ：特定于应用程序的错误码，反映具体业务逻辑的问题。

每种错误类型都应有明确的错误描述和处理建议，这通常在文档或程序注释中体现。

6.2.2 错误处理块的编写

ST语言提供 TRY...CATCH 结构来处理运行时异常，其基本结构如下：

TRY
  // 尝试执行的代码块
  ...
CATCH
  // 异常处理代码块
  ...
END_TRY

在 TRY 块中，代码正常执行；一旦发生异常，则转到 CATCH 块处理。这种方式可以将正常逻辑和异常逻辑分离，保持代码的清晰性。

6.3 错误处理的优化

6.3.1 错误日志记录与追踪

记录错误日志是错误处理的一个重要环节，应记录关键信息，如错误类型、发生时间、调用堆栈等。在ST语言中，可以利用内置函数或自定义函数来记录日志。

6.3.2 故障恢复策略

对于某些可恢复的异常情况，应实现故障恢复策略。ST语言中可以通过设置重试次数、延迟重试、切换到备用系统等措施实现。

TRY
  // 尝试执行的代码块
  ...
CATCH
  // 如果是可恢复错误，尝试恢复
  IF ErrorType = " RecoverableError" THEN
    // 实现恢复策略
    ...
  ELSE
    // 对于非可恢复错误，记录日志
    ...
  END_IF
END_TRY

以上代码片段展示了一个基本的异常处理，其中 ErrorType 是假设的变量，用于区分错误类型。

错误处理机制是工业自动化软件稳定运行的关键。通过合理的错误分类、使用 TRY...CATCH 结构编写错误处理块，以及实现有效的日志记录和故障恢复策略，可以显著提高系统的健壮性和可靠性。在实际的工业应用中，错误处理策略应结合具体业务场景和系统要求进行详细设计。

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