这是使用PLC的另一个重要问题。因为PLC程序只能由用户编制，厂商不提供。而PLC若没有程序，则什么事情也不能干。以下分别对程序设计步骤及程序设计方法分别予以介绍。

（1）程序设计步骤

仅就单机系统而言，程序设计的步骤大体是：

1）弄清工艺。系统配置要弄清工艺，按工艺要求进行。程序设计则更应如此。弄清工艺，首先要弄清使用PLC的目的，要用到PLC的哪些功能。其次，要弄清两方面情况：一为输入、输出部件的特性与分布，即系统的空间情况；另一为系统工艺过程，即系统的进程情况。

（a）空间情况。弄清各输入部件性能的性能、特点，并分配相应的输入点与其连接。分配时，既要考虑布线简单，还要避免信号受外界干扰；弄清各输出部件的性能、特点，分配相应的输出点与其接线；如可能，接输出部件的模块最好能与输入部件的模块能适当隔开，以避免输出信号对输入的干扰；此外，还要考虑在编程时，地址使用的方便。弄清了这些，才便于合理地对其分配I/O地址。

（b）进程情况。弄清被控对象的工作要求、工艺过程及各种关系；弄清其工艺过程，看它是怎么开始的？怎么展开的？怎么终止的？弄清输出与输入的对应关系；如果存在时序关系时，两者的时序是怎么对应的？弄清要采集、存储、传送哪些数据？弄清有哪些互锁、联锁关系？有哪些特殊要求？……弄清这些问题才能着手设计算法，也才能进一步进行程序设计。

2）配置与设定硬件。为了PLC能按要求工作，在使用PLC之前，要对PLC的硬件作必要的配置与设定。如配置什么CPU及其他模块。设定特殊模块的机号、PLC上电时工作模式（是运行、监控还是编程）等。有的厂商的PLC还可对PLC的内部器件（如要使用多少定时器、计数器等）进行分配或指定。

PLC出厂时，厂商多有其默认设定。但对较复杂的系统，用户必须有合乎自己情况的设定。一般说，硬件设定在开始编程之前是必须进行的。

3）分配I/O。分配I/O指的是，给每一I/O模块、每一输入、输出点，分配地址。这是编程所绝对必需的。

PLC I/O点在模块上或在箱体的地址是固定的，在模块或箱体上都有相应的地址标记。而模块与箱体的地址（通道号）是按一定规律分配的。只是不同厂商、不同型号的PLC，有不同的规律。常见的规律有固定分配、定位分配、顺序分配及设定分配。

固定分配是固定地分配地址。如欧姆龙公司的小型机就是固定分配，其主机的I/O地址与主机的点数有关。扩展箱体的I/O地址依远离CPU箱体，升幂依次递增。

定位分配是按模块所在的机架及其在机架上的位置分配其I/O地址。模块位置确定了，其I/O地址也就确定了。

顺序分配是按模块在PLC中位置顺序，依次升幂分配I/O地址。依模块点数的不同，有的占1个字（点数不足1个通道的，按1个字计算），有的占2个字，甚至更多。如欧姆龙公司的大型机就是这么编号的，如欧姆龙公司的CQM1机也是这么编号，只是它把I与O分开，分别按其顺序进行排列。

设定分配是，在指定的范围内，通过硬件或软件设定，分配模块I/O地址。如欧姆龙公司的特殊模块，其所用的通道地址就是靠指定机号后设定的。其CJ1机可设定机架地址。

由于当今编程软件的进步，一般都可用符号地址编程。这就有可能先用符号地址编程，编好后，再编辑符号与实际地址的对应关联。这么做时，编写程序可先做，而硬件设定、I/O分配后进行。但程序下载、调试前，这些工作都必须做好。

4）设计程序。首先是考虑程序的组织，可按功能，把程序先划分成若干模块（程序块）。分模块编程，然后再予以合成。按模块编程便于移植一些已用过的程序，而且也便于调试。

其次，分块设计算法。算法确定后，其思路可用框图或一些自然语言表达。算法对工艺进程的分析中形成，是编写程序的基础与准备。

最后，按模块选择编程语言，逐一编写指令。要一条条指令的编，若为梯形图编程，则应一个图形符号一个图形符号的画，最终要形成一个指令集，或完整的梯形图。

5）调试程序。编写PLC程序是很细致的工作，差错总是难免的。而任何一点差错，即使是一小点，都可能导致PLC工作出现故障。所以，编写程序后，还要进行调试，纠正种种差错。

调试程序可通过计算机仿真进行。多数公司现都有相应的仿真软件，可运行在这软件平台上对所编的程序进行仿真调试。

多数的程序调试是把程序送入PLC，在PLC试运行（输入、输出不接传感器及执行机构）时作调试。这也叫在线调试。

在线调试可使用简易编程器，先把程序送入PLC，然后分模块或分指令一步步调。不过这种调试现在已不多见。

在线调试也可使用计算机，由相应软件协助进行：先把在计算机用编程软件编程，再下载到PLC；然后使PLC运行，通过计算机画面或监控的数据，了解PLC运行情况，观察其是否与设计意图符合；不符合，则找出原因；再修改程序，剔除毛病；再试、再看、再找、再改。一直到合乎设计意图为止。

经在线调试的程序，还要在现场联机调试。只有经联机调试合乎要求的程序，才是合格的、可交付用户使用的程序。

6）存储程序。把程序录入计算机后，就要作存储。甚至开始编程时，编一部分就要存储一部分。随着程序调试通过及试运行过程的不断完善，还要不时地作存储。存储时，一般只留下后来的，删去过去的。程序不仅存于PLC的RAM中，也可存入磁盘或磁带中。

经试行后的程序有的可作定型。办法是把它固化，写入ROM存储器。

7）程序保护。可以用硬件，也可软件保护。

硬件：有的PLC用硬件开关设置程序保护。读写DIP开关ON保护，否则，不保护。

软件：有的用软件设定保护，如欧姆龙CPM机是DM6602字的0位，设为1，保护，0不保护。

8）程序加密。程序保护可保证程序不被删除或修改。但其他人可读它，重用它。为了保护知识产权，可对程序加密。

PLC程序加密的方法有：用指令加密；用编程软件加密。可全程序加密，也可局部加密。

9）程序加锁。除了程序保护、加密，还对程序可加锁。可做到，即使PLC程序正常运行，但不产生控制输出。加锁可用置位PLC的输出禁止位实现，也可自编一段小程序，使相应的输出禁止。

提示：程序保护，程序加密，程序加锁是不同概念，各有各的目的。可按要求全用或用其中的一种。

这里，只是对PLC单机系统编程步骤作一最简略的说明。至于详细的介绍将是本书的主要任务。以下各个章节，将对PLC编程的方方面面问题，逐一进行详细讨论。而网络系统编程也将在本书第6章有所讨论。

（2）程序设计方法

PLC编程方法很多。但归纳地讲，主要是经验编程与算法编程。

1）经验编程。是运用自己的或别人的经验进行编程。多数是设计前先选“样机”，并结合自己的情况，对“样机”逐一修改，直至适合自己的情况。“样机”多为与自己情况类似的一个或若干个成功的程序，也可为具有一些典型功能的标准程序。我们在工作过程中，可收集与积累这些“样机”，从而不断丰富自己的经验。

PLC编程，从“不懂”到“懂”，从“懂”到“会”，从“会”到“熟”，最后做到“熟能生巧”，关键还在于从实践积累经验。没有实践，没有经验的积累，怎么能进入“熟能生巧”的境地！

经验有别人的，也有自己的，都很重要。前者要靠细心学习，后者要靠用心积累。都要花一定的时间与必要的精力。

别人的经验有上了书的或登载在杂志上的。本书介绍的例子程序，有的是我细心学别人的，但多数是我自己的经验。所有的例子都经我测试过，都经实践证明是可行的。我想，别的书本或杂志上介绍的经验也会是这样的。所以，学习这样成功的经验是必要的。

别人的经验还有没有上书的或没有登载在杂志上的，或许还是你同事的经验，也很值得学习。这种经验离你很“近”，很易借鉴。

自己的经验则是最重要的。要在自己的实践中，积累自己的经验。同时，最好在学别人的经验时，也能亲自做些测试，能使自己也有类似的经历，进而把这些经验变成自己的。这也是自己经验的重要积累。

还有一些失败的经验，这往往是不会公开的，但这些经验也是要学习，也要积累。“失败是成功之母”嘛。

经验的积累要用自己的脑记，更要用电脑记。最好进行分类，建立一个自用的程序“库”，以便于随时引用。

经验还有待升华。升华有三个层次：

最低的层次如上述，可建立一些典型程序集（库），供今后再用。若程序较复杂，还可建一些功能块或子程序，以便今后引用。

其次，要总结出有效算法。得出一些规律性的处理问题的方法。

最高层次的升华是，把经验上升到理论的高度，为丰富PLC编程理论做贡献。我想，随着PLC使用的普及与提高，是会有越来越多、从经验中升华出来的、而又能用以指导实践的PLC的编程理论的。

经验积累、经验升华都是为应用。经验应用有三方面：

用作工程设计模板：设计新系统时，选用一个或几个与现有工程类似的、已取得成功的工程，作样板进行设计。这既可减轻设计的工作量，又增加设计的成功率。这也是信息可重用的一大好处。

用作编程参考：在无成功的工程可作样板时，在新设计的逻辑中，仍有相当一部分控制逻辑，可采用或借用已有典型逻辑，这也可减少设计的工作量，增加设计的成功率。(www.daowen.com)

用作算法设计参考：在既无样板可参照，又无典型可采用时，还可运用过去的一些成功的算法。

经验是宝贵的，但是，经验，特别是个人经验，总是有限的。所以，经验的应用也还要与编程理论相结合。而本书所做的就是，结合个人积累的编程经验，做些编程理论及相关算法研究，为与读者经验的结合提供参考。

2）算法编程。是针对问题先设计解决问题的算法，再根据所设计的算法编程。如果说经验编程用的主要是感性知识，那算法编程主要用的则是理性知识。要弄通相关的编程理论。否则这个算法也不好设计。

（a）算法（Algorithm）概念。它原是数学计算的名词。在公元前200多年，欧几里德根据自然数的理论，在他的《几何原本》（Euclid′s Elements，第Ⅶ卷，命题i和ii）一书中，提出了求解两个自然数最大公因数的“辗转相除算法”，使得这个最大公因数的求解变得很容易了。这也说明算法对于解决问题的重要。

欧几里德的这个算法（Euclid′s Algorithm），如用表达式表达，则是

算法还可用框图表达。对上述算法如图0-20所示。该图中方块表示“运算”，菱形表示“判断”，连线及其箭头表示“联系与去向”。

算法也可用图表表达。表0-1所示为上述算法图表。该表列了5个步骤：第1步为求解开始，进行求“余数计算”。第2步为“判断”，根据判断结果分成2个走向，或求解结束，或继续求解。显然这个图表也可清晰地反映上述求解过程。

算法也可用文字表达。上例可做如下表达：当求解开始后，先是求yy被xx整除，并把余数存于zz中。然后判断zz是否为0？如等于0，则xx即为公因数，运算结束；如不等于0，则xx赋值给yy，zz赋值给xx，并重复开始的步骤。

显然，文字表达是不够精炼的，特别是求解的问题较复杂时，更难以让人理解。但也可使用比文字简单的一些文字符号，也称为伪代码表达。则也很简练。

图0-20 求解公因数欧氏算法框图

表0-1 求公因数算法图表

当然，求这个最大公因数还可想出很多其他算法。但是无论如何，如果没有算法，这个公因数是无法求得的。

那什么是算法？从上可知，算法是指解题的步骤。什么是好算法？就是步骤少，每一步的含义明确、运算简单。运用它能够从已知数求得未知的结果。

更一般地讲，一个有效的、好的数学算法，一般有5个特征，即要有输入（已知数）、输出（未知数），同时还要满足有穷性、确切性、可行性。

PLC主要用于控制，还可用于运算。当然，为了控制也要运算。所以，PLC的运算是很多的。特别是逻辑运算更多。PLC编程就是编写好的控制与运算程序，让PLC一步步去执行，以实现所要求的控制与运算。

显然，这里的程序也有输入、输出，也要有穷性、确切性、可行性。具有算法的五大特征。

为了让PLC进行上述求两个正整数的最大公因数计算，如果用算法编程，那就要用程序去实现欧几里德算法。

在本书一开头，就讲到，“入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点”。所以，在本质上讲，PLC只是输入到输出变换的工具。而输入到输出的变换是靠运行PLC程序实现的。所以，从广义上讲，PLC程序也可说成，用PLC指令表达的PLC输入到输出变换的步骤。

简而言之，对照数学算法，PLC的算法，则是用文字、公式、图形表达的、实现输入输出变换的、有限的、明确的及可实现的步骤。

可知，PLC算法与PLC程序之间所差的只是表达方法的不同。算法可以说成是程序的原型、雏形、思路、提纲，而程序则是算法的成型、具体化及实现。

所以，一般讲，设计程序前，要先设计算法。这正与写文章一样，在写之前，一般要写提纲、打腹稿，或构想思路。

图0-21所示为一个问题通过算法运用“computer”实现输入到输出的求解（转换）示意。当然，对PLC这里的“computer”即为“PLC”了。

可知，算法指的就是告诉“computer”或“PLC”的“一系列解决问题的清晰指令”，这些“指令”“能够对符合一定规范的输入，在有限的时间内获得所要求的输出”。据讲，在计算机出现前，这“computer”是泛指从事数学计算的人。现在计算机出现了，这里“computer”自然主要是计算机，而对本书讲就是PLC了。

图0-21 计算机算法应用示意

对于PLC，算法编程可分为两个步骤：设计算法及实现算法。前者是为了探求解决问题的思路、方法或步骤；后者是为了运用PLC资源，编写PLC程序。

（b）算法设计。数学算法设计有各种策略，常用的有穷举搜索法、递归法、回溯法、贪心法、分治法等。PLC的算法设计与PLC要实现的功能有关，其策略不完全与数学算法相同。可使用的策略有：

从输入推算到输出：演绎法

从输出反推到输入：归纳法

化整为零：规模化大为小

动态规划：步骤从多到少

模块化设计：从顶到底，由上至下

……

对PLC算法则与PLC的应用有关。用于顺序控制则有顺序控制算法，用于模拟量控制，则有模拟量控制算法等。

算法设计是为了解决问题。解决问题是对问题的综合，不像问题的分析，一个问题一般只有一个答案，而它可能有很多解决方案。

所以，算法设计除了寻找可能解决问题算法，还有个算法优化问题。即怎样用最少的步骤，最简的操作，最好的效果去实现算法要达到的目的。

为此，需要对算法进行分析或评价。其主要依据是，算法的时间复杂度，空间复杂度。前者，主要看步骤多少及执行各步骤的时间。后者，主要看算法预计要使用的硬件资源。显然，所用的步骤越少，时间越短，使用的硬件资源越少，这个算法就越好。

PLC的算法必须针对实际，解决实际问题。因此，设计算法，必须了解实际情况（所谓有关工艺）以及有关处理实际问题的理论，否则算法设计也无从入手。试设想，上述求公因数的算法，如算术都不懂，何以有此算法？

本书以后各章的内容，主要也就是研究实际应用的种种算法，并且还要探讨怎样用目前国内最常用的PLC去实现这些算法。

（c）算法实现。对PLC编程，有了算法，还要编成PLC的程序，PLC才能执行这个算法。这也就是算法实现。它涉及问题有，指令选用及资源利用。

a）指令选用。这与PLC编程语言的选择、编程软件或编程工具的使用及具体用什么厂商的PLC，以及什么样的PLC密切相关。

至于具体选用什么指令，应做到先用、多用高效率、执行时间短的指令。多用子程序、跳转、步进指令等。以使所编的程序具备比较简练，运行时间短，程序的可读性好等优点。

b）资源利用。涉及I/O分配及内部器件，如定时器、计数器、存储器的运用。I/O分配除了考虑实现算法的方便，还要考虑硬件接线，及防止输入信号受干扰。

一般讲，PLC的内部器件是足够多的，但也要运用得当，要有规律性，便于理解、便于查找、便于更换等。

提示：算法的实现也是问题的综合。同样的算法，实现它的程序可以很多。所以，对程序评价，除了评价它的算法，还要评价算法实现。