PLC Control with ST，V3版本学习笔记13—特殊的函数和程序结构（含代码）！

本章将阐述多种特殊函数、常用程序结构以及更复杂的程序范例。

我们在前面12章基本把语法、语句及数据类型等介绍完了，那么这期重点给出一些直接可以用的特殊函数、常用结构及程序案例供大家参考。

队列queue

简单队列

本示例描述了队列的最简实现方式。队列的典型应用场景包括：当大量包裹在传送带上等待大型工厂设备处理时，这些包裹通常需要记录重量、收件人、尺寸或内容等信息。以重量信息为例，此类数据必须存入队列，才能确保信息随包裹在工厂内流转。若包裹携带可读条码，则无需实现队列结构，因为包裹信息可直接从共享数据库（即企业生产控制系统，通常称为：

• 制造执行系统(Manufacturing Execution Systems，MES)
• 制造信息系统(Manufacturing Information Systems ，MIS) 或
• 仓储控制系统(Warehouse Control System，WCS)）中获取。

实现队列时，队列中的对象原则上不应改变其位置。但当包裹携带条码或其他ID标识时，则允许其在队列中的位置发生变动。

构建队列需创建一个预估最大长度的ARRAY。若ARRAY长度设置过大，将导致内存浪费并增加程序执行时间。

以下给出基础示例：

创建一个包含6个INT数据类型位置的ARRAY。首先将所有数组位置初始化为-1，该值可用于检测位置是否为空：

数据填充过程 当前 ARRAY 已存入三个值（23、35、71）。数据按从左到右的顺序插入：

• 首个插入值 23 位于最左侧（位置 0）
• 最后插入值 71 位于最右侧（位置 2）

队列移位机制

取出数据时的操作 当最旧值 23 被取出后，所有剩余值需向左移动一位，此时 35 成为新的首元素。

FOR 循环移位实现 通过左移避免数据覆盖，循环次数为 数组长度减1（6位数组需移动5次）：

数组移位机制

该数组包含6个存储位，数值需进行5次移位操作。因此，FOR循环将执行5次，具体过程如下：

1. 第1轮循环：Que[0] := Que[1] // 将位置1的值前移至位置0
2. 第2轮循环：Que[1] := Que[2] // 将位置2的值前移至位置1
3. 第3轮循环：Que[2] := Que[3] // 将位置3的值前移至位置2
4. 第4轮循环：Que[3] := Que[4] // 将位置4的值前移至位置3
5. 第5轮循环：Que[4] := Que[5] // 将位置5的值前移至位置4

指针控制系统

为准确追踪下一个插入位置，需要使用索引变量（通常称为index或pointer）：

• 初始状态：指针指向位置0（表示空队列）
• 插入操作：每新增一个值，指针右移一位
• 移除操作：每取出一个值，指针左移一位

传统队列的局限性

这种简单队列结构存在显著效率问题：每次取出数据时，都需要对整个队列执行耗时的移位操作（即"移动/推送"所有剩余元素）。

优化解决方案：循环缓冲区

采用循环缓冲区技术可有效解决该问题：

• 核心原理：通过移动指针替代实际数据迁移
• 操作优势：在插入/取出操作时仅调整指针位置，无需物理移动存储数据
• 性能提升：显著减少操作时间复杂度，从O(n)优化至O(1)

所以，我们针对这种情况，有种常见的处理方式：FIFO（First IN First OUT）

高效FIFO队列实现（循环缓冲区）

结构优化原理

前一章节所述的简单队列在每次取出数据时需移动所有元素，本章将介绍通过双指针实现的静态队列，其核心特征在于：

• 数据物理位置固定
• 通过指针逻辑移动实现队列操作
• 时间复杂度从O(n)优化至O(1)

核心组件

高效FIFO队列由两大要素构成：

1. 存储数组：固定容量的数据容器
2. 双指针系统：
   • pOut指针：指向待取出元素（队首）
   • pIn指针：指向下一个可插入位置（队尾后一位）

指针运作机制

随机数生成（RND, Randomize）

本节介绍如何使用少量代码生成随机数，这些随机数可用于PLC程序的测试场景。例如模拟需要装箱的零件重量或尺寸等参数，使开发者能在办公室环境中通过多样化的数值对程序进行全面测试，这种测试方式非常接近实际生产环境的验证效果。

核心应用价值

1. 生产环境模拟 当无法获取真实生产零件进行测试时，通过如下所示的随机数生成器模拟零件参数，可在项目调试前完成大量PLC代码的办公室验证。
2. 早期缺陷发现 在开发初期阶段通过随机输入测试PLC代码，能有效发现并修正潜在的程序错误和漏洞。这些问题若遗留到后期，排查和修复成本将显著增加。

典型应用场景

• 包装产线的重量波动测试
• 尺寸分拣程序的边界值验证
• 生产节拍压力测试
• 质量控制算法验证

技术优势

（注：随机数测试可在保证85%以上代码覆盖率的同时，节省90%的早期测试成本）

实施建议

1. 为关键参数设置合理的随机范围（如重量值区间）
2. 建立异常值注入机制（测试程序鲁棒性）
3. 记录测试用例序列便于问题复现
4. 与实际传感器数据进行对比验证

示例代码

图片

低通滤波器（LP-Filter）

本节详细说明数字低通滤波器的实现原理。该滤波器基于由电子线圈与电容串联构成的模拟RC低通滤波器，其核心功能是允许低频信号通过同时抑制高频噪声。

在模拟量输入模块中，通常内置了低通滤波器，可用于消除传感器及测量设备信号中的噪声和异常波动。然而，模拟量输入模块的滤波频率通常无法在线调整。对于某些工业设备和机械系统，需要实时调整滤波频率，这就必须通过在PLC程序中实现数字滤波器来完成。

下文示例展示的是一阶数字滤波器，也称为指数滤波器。通过傅里叶变换（一种高等数学方法）可将模拟滤波器转换为数字滤波器。

目前市场上有多种用于数字信号处理（DSP）的滤波器类型，其中FIR（有限脉冲响应）滤波器是最知名的之一。与“移动平均”等基于数据平均的滤波方法相比，数字滤波器的优势在于：“移动平均”需要包含所有历史数据并通过长数组存储，而数字滤波器能够自动剔除异常值，且PLC处理速度更快。本实现采用函数块形式，因为滤波器需要使用上一个程序扫描周期的值，该值保存在变量ValueOld中。

其中，k的值可以调整滤波的效果。

典型工业应用场景

1. 压力传感器信号处理
   • 消除液压系统的高频脉动噪声
   • 推荐k=0.05~0.2（根据采样频率调整）
2. 温度控制回路
   • 平滑热电偶测量值跳变
   • 典型配置k=0.1~0.3
3. 振动监测系统
   • 提取设备低频振动特征
   • 配合FIR滤波器实现多级滤波

4.对于快速变化信号（如转速检测），可采用自适应k值策略：

k := ABS(ValueNew - ValueOld) * 0.5 + 0.01; 

程序框架

程序示例1：输送带

例程框架：

基本保护我们之前所说的：利用子程序、函数功能块FB以及ACTION等将代码分层分段，并且注释清晰。

程序代码：

程序示例2：基于EN60848顺序控制标准的程序结构优化

在设计顺序控制器的程序结构时，理解控制方案的工作原理至关重要。在本控制方案中，储罐内的液位是最关键的因素。液位变化会触发浮球开关，从而决定泵的运行逻辑：

浮球开关决定了程序的状态变化，其状态转换关系如下图所示：

当储罐液位触发LS1时，程序状态从0切换至10。在状态10下，两台泵均停止运行。

当程序处于状态10且液位触发LS2时，状态将切换至20，此时两台泵中必须有一台投入运行。

原文代码这样写，非常难读，所以建议用好空格，该缩进就缩进。并且，当程序行数比较多的时候，建议使用ACTION分块进行编写，最终的代码：

例程框架：

程序代码：

整个框架简洁，总共就两行。

如果是有手动和自动流程的，可以使用这种框架：

程序示例3：计算罐体的容积

本章展示了大型储罐的容积计算方法实现方案。该储罐由圆柱体与底部半球体组合构成。

主要的计算放在FC里面，方便调用：

程序示例4：六泵排水站PLC控制系统实施方案

系统概述

本示例展示了一个六泵排水站的程序控制结构。系统运行泵的数量取决于集水井内的液位高度：当液位达到满量程时，所有六台水泵必须同时运行，以确保最大排水能力。

轮换运行模式说明

1. 启动原则 当液位上升需要增加排水能力时，自动启动累计运行时间最短的水泵
2. 停止原则 当液位下降需要减少排水能力时，优先停止累计运行时间最长的水泵
3. 定期轮换 系统会定时切换运行状态，停止运行时间最长的水泵，同时启动运行时间最短的水泵

系统配置

• 液位检测：采用安装在井底的压力变送器（模拟量信号）
• 特殊操作：水泵可通过报警触发或手动进入维护模式停止运行（本示例未包含相关逻辑）

轮换运行优势

• 均衡各泵运行时间，延长设备使用寿命
• 统一维护周期，减少总体停机时间
• 提高系统整体可靠性

应用扩展

本控制方案同样适用于：

• 压缩机组控制系统
• 制冷设备群控
• 发电厂辅助设备调度
• 缓冲罐压力调节系统

程序设计规范

采用面向对象编程（OOP）原则和ISA-S88标准：

• 将水泵控制逻辑封装为可重用结构
• 符合设备模块化编程规范
• 便于系统扩展和维护

具体实施框架：

结构体：

FC函数代码：

其他的函数代码可以参考原文，这里不做表述。

主程序代码：

程序示例5：双向切换开关功能块

本示例展示了一个可配置为双向切换开关的功能块（FC Toggle Switch）。该开关在每次触发时改变输出状态，适用于电机、风机或照明设备等电气元件的启停控制。

核心优势

• 单开关控制：仅需一个物理开关即可实现启停功能，替代传统的独立启动/停止按钮
• 脉冲处理：内置CLK_OLD变量作为单次触发(OneShot)检测，确保每次开关动作只产生一次状态切换

程序代码：

主程序：

程序示例6：立体车库内车辆存取流程的PLC控制系统

本案例展示用于管理立体车库内车辆存取流程的PLC控制系统。系统通过工业机器人实现全自动车辆搬运，主要包含两大核心功能：

1. 存车流程：机器人接收车辆后，自动扫描空闲车位并规划存放路径
2. 取车流程：根据车主请求精确定位车辆位置，引导机器人完成取车操作

主要核心代码：

应用主程序代码：

程序示例7：可配置式洗车控制系统

本案例展示了一种可通过人机界面（HMI）自主配置洗涤程序的洗车机PLC控制方案。该系统允许洗车场业主根据季节变化自行调整洗涤程序，无需依赖PLC编程人员修改代码。

首先把整体的动作流程规划如下：

更多洗涤序列可以轻松添加，并且可以执行 同一洗涤程序重复使用，或将其用于其他洗涤程序。 在设计程序时，有几种方法可以确保良好的程序结构。

以下融合了我们所说的各种解决方案：

其中包含Program子程序+ Fuction函数 + FuctionBlock功能块 + ACTION动作 + STRUCT等等。

原文里面的代码经过验证，还缺一部分才能模拟，例如所有的ACTION：

我这里加上后：

下载运行后：

测试成功！好了，这是我们第13章节的内容，欢迎分享、收藏和讨论！