未來的自動化操作可能使用多種程式語言，對於程式設計師來說，了解哪些語言是可用的、適合於哪些領域，以及如何用其創建可讀、有資源支持的代碼將至關重要。
梯形圖邏輯，是可編程邏輯控制器(PLC)的主要程式語言之一。它簡單易用，並以圖形方式表示繼電器觸點和線圈。不過，問題是：與其它程式語言相比，梯形圖邏輯能在多大程度上滿足當前和未來複雜的自動化需求？答案可能比繼電器和線圈要複雜的多。
梯形圖邏輯的起源
自動化的出現要早於PLC，那時使用繼電器網絡來充當應用的「大腦」。沒有編程人員的角色：只有工程師負責設計電路、電工負責組裝。當將邏輯繪製到圖紙上時，電路被記錄在有點類似梯子的標準結構中，因此被命名為「梯形圖」( 見圖1)。
圖 1: 一個簡單的梯形圖邏輯示例。本文圖片來源: Breen 機器自動化服務
當PLC 剛出現時，宣稱它們會為自動化帶來很多好處，但沒有人知道如何對其進行編程。然後有人想到用梯形圖對PLC 進行編程，這樣工業領域就可以利用現有的編程技能。工程師和電工也可以閱讀和理解程序。在很大程度上，自動化設計可以遵循與繼電器相同的模式。
在PLC 之前，繼電器控制需要佔用機櫃的物理空間，而這些機櫃需要花錢購買，接線也需要時間。它們只能實現開/ 關功能——在繼電器邏輯中，無法實現模擬、數學工具或數據收集功能( 除了特殊繼電器中的一些定時和計數功能)。即使是最大、最複雜的自動化系統，也受到繼電器物理特性的限制，因此梯形圖邏輯語言並不需要做太多。
如今，PLC 所用的處理器晶片，所佔用的空間、資金和時間成本比繼電器更少，但能實現的功能更多。另外，PLC 中使用的程式語言也在不斷擴展，以實現不斷增加的功能。現在，梯形圖邏輯可以實現的功能比過去更多。PLC 通常用於模擬控制，至於跟蹤部件數據( 條形碼、測試結果、校準)、控制運動和其它更多任務，梯形圖邏輯仍然是主要語言。
隨著程式語言的發展，自動化變得更加複雜。對PLC 進行編程已成為一種更專業化的職業。對電工來講，閱讀和維護梯形圖邏輯並不十分方便，而且在即將到來的新一代勞動力中，梯形圖邏輯也不是普遍掌握的技能。
「封裝使程序在不同的細節層次上更容易理解，
並使代碼可以復用。」
其它PLC 程式語言
國際電工委員會的工業控制編程標準IEC61131-3，以及個人計算機（PC) 編程也對工業編程產生了重要的影響。這些語言通常被視為梯形圖邏輯的補充，而不是對立面。
由於PLC 逐漸開始流行，工業界發現需要新的標準來指導編程。IEC 委員會通過IEC61131 標準（主要是第三部分(IEC 61131-3)中的語言）來解決這一需求。標準中所定義的可以互換的4種程式語言——梯形圖、功能塊圖、結構化文本和指令列表，還有一種被稱之為順序功能圖的程序組織語言。
每種語言都有自己的優點和缺點，它們可以在某個程序中一起使用，以便更好地支持不同的程序功能。對於哪種語言最適合哪種任務，要根據不同的應用情況進行討論( 見圖 2)。通常情況下，過程或以離散方式運行、或以連續方式運行。自動化也傾向於直接依靠數字量或模擬量輸入輸出(I/O)。
圖 2:IEC 61131-3 語言概述以及它們最適合編寫出可讀性程序的領域。
從PC 世界中蛻變而出的自動化語言，往往被用於特殊程序或外設的應用程式。這可能包括與資料庫的接口或為自動化外圍設備的編程，如攝像機和機器人。結構化文本 ( 在 IEC61131 中的定義) 與Pascal 語言非常相似。
IEC 61131 編程標準面世時，Pascal 語言是常用的PC 程式語言。此後，雖然Pascal 語言不再流行，但這是自動化行業向PC 行業借鑑的一個很好的例子。現在，在自動化中行業中，也有些正在應用的PC語言，例如C++、Java和C#。這些語言雖然功能強大，但在自動化領域還沒有得到廣泛的應用。
考慮程式語言的關鍵因素
在將梯形圖邏輯與其它潛在選項進行比較之前，了解程序真正需要做什麼，這一點非常重要。
程序必須能夠使自動化運行，雖然幾乎任何語言都能做到，但現實也對其提出了其它要求。這在很大程度上歸結於可讀性。
應該仔細考慮有關程式語言的3個關鍵問題：
A. 程式設計師或維護技術人員，能否查看代碼並了解其功能？
B. 能否快速發現問題，最大限度地減少機器停機時間？
C. 當需要新功能時，是否易於擴展程序？不同語言的特性會影響程式設計師編寫可讀程序的能力。
以下9 個方面可能會影響程式語言的選擇。
1. 基本知識
梯形圖邏輯應用廣泛，很容易就能找一個能閱讀理解程序的人。雖然某些行業對其它IEC 61131 語言表現出一定的偏好，但並沒有被普遍採用或理解。自動化中使用的PC語言往往非常流行，並且有大量的支持資源，但這些資源並不總能應用到工業領域，這就降低了可能的潛在收益。
2. 內部文檔
每種語言都有一種方法，可以讓程式設計師用簡單的語言來解釋程序的意圖。在梯形圖邏輯中，這主要是用迴路注釋和標籤( 變量)注釋來完成的，它們適用於簡單的迴路，但對較大的迴路或數學函數的幫助則較小。其它IEC 61131 語言各不相同，但通常很適合記錄它們擅長的內容。例如，結構化文本在數學計算和循環結構文檔方面表現良好。PC 語言往往有更多的功能，可用於內部文檔，有時甚至會自動從原始碼生成文檔，為程式設計師或技術人員創建手冊，以參考和快速了解整體結構。
3. 決策結構和循環
簡單來講，編程歸結為「如果發生這種情況，就那樣去做」。這是一個名為「如果，那麼」的決策結構。在本文討論的所有語言中，此結構都易於使用和理解。但是，如果程式設計師想重複做同一件事情，梯形圖邏輯對這些結構支持的並不是特別好，通常會導致代碼的可讀性較差。而結構化文本和PC 語言往往更擅長常見的決策和循環結構。
4. 數學
加、減法很容易，在任何語言中都能處理的很好，但當涉及複雜的數學功能時，那又會怎樣呢？梯形圖邏輯支持算術和一些基本函數，如絕對值或平方根，但如果計算涉及的內容更多，它們的可讀性往往較低。從視覺效果上，注釋與它們記錄的內容是分開的，而且重複執行數學運算並不是特別好，因為循環功能並不完美。結構化文本和PC 語言功能往往更強大，因為它具有更強大的數學功能。PC 語言提供的高級數學函數，幾乎可以用於任何目的，還可打包，以方便使用。
5. 可視性
閱讀一個不熟悉的程序，就像通過紙管閱讀一本探險小說，不得不在書的不同部分之間來回切換，因此一次只能看到頁面的一部分。適合屏幕顯示的代碼量，可能會影響程式設計師判斷程序功能的執行和方法。通常情況下，屏幕上只能同時顯示1 到5 行的梯形邏輯。它的圖形性質使其信息密度很小，程式設計師難以「看到」整個程序。而順序功能圖，雖然也是圖形化的，由於具有較高級的屬性，因此可以在一定程度上避免這個問題，就像一本帶有目錄的短篇小說。基於文本的語言( 結構化文本和PC 語言)信息量往往更密集，在屏幕上一次可以顯示30-50 行代碼。
6. 封裝、代碼復用
有什麼措施可以應對不斷增加的複雜性？開車時，司機並不需要考慮點火時間、牽引力控制或發動機冷卻策略。所有其它無關的東西都被抽象掉，自成一體、自我管理。在編程中，這被稱為「封裝」。封裝的好處，不僅僅是讓程序在不同的細節層次上更容易理解；而且這也意味著代碼可以復用。
如果根據程序設計，用機器來計算一天中每個小時的整體設備效率，則可以對其進行編程：計算一次整體設備效率，然後每小時復用一次。梯形圖邏輯和其它IEC 61131 語言，都可以很好地做到這一點。PC 語言增加了面向對象功能，這使其變得更強大。IEC 61131 提供了面向對象的規定，但PLC 製造商並不總是執行這些規定，這意味著程式設計師可能無法使用它們。
7. 庫文件
庫文件允許用戶通過將經封裝、測試的代碼添加到程序中，使代碼復用提升到一個新的水平。仍然用汽車作例子，雖然用戶不知道引擎蓋下有什麼部件，但仍然可以駕駛它。梯形圖邏輯和IEC 語言對類似功能的支持有限。PC 語言有很多庫文件支持，而且通常是免費的。並不是為了與梯形圖邏輯一較高下，但它們確實是經常適用於梯形圖邏輯不太適用的領域，如數學、視覺檢查和數據處理。
8. 模擬與數字
在許多方面， 模擬與數字參數有點類似於數學參數。梯形圖邏輯在數位訊號和信息方面做得非常好， 但在模擬方面卻不太擅長。功能塊是另外一種 IEC61131 語言，它在模擬信號方面做得非常好，但在數位訊號方面卻不太擅長。結構化文本和PC語言，能很好地處理這些，但由於它們更靈活，因此程式設計師需要更好地組織代碼以提高可讀性。
9. 確定性
在自動化應用中，按照循環周期( 例如，每15 毫秒) 讀取輸入、執行程序和寫入輸出，對控制器(PLC、PC) 很重要。這就是所謂的確定性。梯形圖邏輯和所有 IEC 61131 語言都是確定性的。PC 語言各不相同。例如，C++ 可以是確定性的，但像 Java和 C# 這樣的高級語言，通常不具有確定性。
最好的選擇是什麼
那麼梯形圖邏輯與其它邏輯是如何匹配的呢？它仍然受到離散自動化行業的青睞，在這些行業中，數字輸入和輸出是常態。另一方面，在模擬輸入和輸出佔主導地位的過程工業，則更多的使用功能塊語言，來處理這部分代碼。
當然，行業偏好只由上述因素之一，技術支持也很重要。現有的技術支持，在很大程度上是歷史上適用規範的體現，因為最近的歷史決定了當今的勞動力經驗。由於梯形圖邏輯長期以來被廣泛採用，所以使用不同的程式語言可能看起來像是一個未卜的前景。
大量新畢業的大學生有基於文本的語言經驗，但並沒有梯形圖邏輯的經驗。隨著勞動力的更新換代，並且隨著更多支持文件的出現，行業偏好可能會傾向於基於文本的語言。未來，自動化操作很可能會包括多種語言。只用一種語言思考問題，可能會對實現這些目標產生不利影響。
PLC 將使用一種或多種語言，眾多外圍設備也是如此。對於程式設計師來說，了解哪些語言是可用的、哪種語言適合於哪些領域，以及如何用其創建可讀、有資源支持的代碼將至關重要。
本文關鍵概念：
■梯形圖邏輯更多受到離散廠商的青睞。
■對於更複雜的應用程式，IEC 61131-3和PC程式語言可能更適用。
■任何應用程式都可能涉及多種程式語言，因此儘可能多了解幾種語言大有裨益。
思考一下：
在梯形圖邏輯和其它程式語言中做選擇時，哪些因素對您的實施最重要？
-完-
本文來自於《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2019年01-02月刊《封面故事》欄目，原標題為：自動化程式語言的未來
本期雜誌封面
想要免費閱讀每期雜誌內容，請查閱《控制工程中文版》微信訂閱號自定義菜單。