IEC 61131-3 第四版解析：PLC编程如何引入面向对象(OOP)思想

在工控行业深耕的工程师们，是否已经察觉到，PLC编程早已超越了简单的逻辑运算范畴？

许多工程师朋友转向了上位机开发，殊不知，最基础的PLC编程环境本身，也正在逐步融合C++等高级计算机语言的编程理念。

通过深入研读IEC 61131-3标准的第四版，这种体会尤为深刻。过去我们或许认为掌握梯形图、简单的图表式编程便已足够。但行业的发展催生了全能型人才的需求，不少工程师已经开始学习C#、C++、Python等语言并用于独立项目开发。

当前，一个明显的趋势是，PLC技术并未停滞，反而朝着AI化、虚拟化、云端化与边缘化等方向加速演进。

那么，最新的标准究竟带来了哪些具体更新？这些更新又将如何影响我们的编程思维？让我们一同探讨。

在IEC 61131-3第四版中，一个重大变化是允许使用Class（类）来实现传统的Function Block（功能块）。具体表现为：

• 传统的 FUNCTION BLOCK ... END_FUNCTION_BLOCK 关键字可以被 CLASS...END_CLASS 替代。
• 面向对象的编程技术（OOP）更加贴近通用计算机编程。诸如方法（Method）、属性（Property）、继承（Inheritance）、重载（Override）等术语，原本是IT领域的核心概念，如今正被系统地引入PLC编程语言中。
• 结构化文本（ST）语言的重要性日益凸显，因为梯形图等图形化语言难以实现下表中描述的复杂细节。

一个实际的CLASS定义示例如下所示：

CLASS CCounter
VAR
  m_iCurrentValue: INT; (* Default = 0 *)
  m_bCountUp: BOOL:= TRUE;
END_VAR

VAR PUBLIC
　m_iUpperLimit: INT:= +10000;
　m_iLowerLimit: INT:= -10000;
END_VAR

METHOD Count (* Only body *)
　IF (m_bCountUp AND m_iCurrentValue < m_iUpperLimit) THEN
　　　m_iCurrentValue:= m_iCurrentValue+1;
　END_IF;
　IF (NOT m_bCountUp AND m_iCurrentValue > m_iLowerLimit) THEN
　　　m_iCurrentValue:= m_iCurrentValue-1;
　END_IF;
END_METHOD

METHOD SetDirection
VAR_INPUT 
  bCountUp: BOOL;
END_VAR
  m_bCountUp:= bCountUp;
END_METHOD

END_CLASS

那么，这段PLC-ST代码用经典的 C++ 如何实现呢？我们可以进行一个直观的对比：

头文件 CCounter.hpp ：

// CCounter.hpp - C++头文件
#ifndef CCOUNTER_HPP
#define CCOUNTER_HPP

class CCounter {
private:
    // 私有成员变量（对应VAR区域）
    int m_iCurrentValue;
    bool m_bCountUp;

public:
    // 公共成员变量（对应VAR PUBLIC区域）
    int m_iUpperLimit;
    int m_iLowerLimit;

    // 构造函数（带默认参数）
    CCounter(int initialValue = 0, bool countUp = true, 
             int upperLimit = 10000, int lowerLimit = -10000);

    // 公共方法
    void Count();                       // 计数操作
    void SetDirection(bool bCountUp);       // 设置计数方向

    // Getter方法（提供私有成员的受控访问）
    int GetCurrentValue() const;
    bool GetDirection() const;

    // 显示当前状态
    void DisplayStatus() const;
};

#endif // CCOUNTER_HPP

实现文件 CCounter.cpp ：

// CCounter.cpp - C++实现文件
#include "CCounter.hpp"
#include <iostream>

// 构造函数实现
CCounter::CCounter(int initialValue, bool countUp, int upperLimit, int lowerLimit)
    : m_iCurrentValue(initialValue),
      m_bCountUp(countUp),
      m_iUpperLimit(upperLimit),
      m_iLowerLimit(lowerLimit) {
    std::cout << "CCounter对象已创建，初始值: " << m_iCurrentValue << std::endl;
}

// 计数方法实现
void CCounter::Count(){
    if (m_bCountUp && m_iCurrentValue < m_iUpperLimit) {
        m_iCurrentValue = m_iCurrentValue + 1;
    }
    if (!m_bCountUp && m_iCurrentValue > m_iLowerLimit) {
        m_iCurrentValue = m_iCurrentValue - 1;
    }
}

// 设置方向方法
void CCounter::SetDirection(bool bCountUp){
    m_bCountUp = bCountUp;
}

// Getter方法实现
int CCounter::GetCurrentValue() const{
    return m_iCurrentValue;
}

bool CCounter::GetDirection() const{
    return m_bCountUp;
}

// 显示状态
void CCounter::DisplayStatus() const{
    std::cout << "当前值: " << m_iCurrentValue 
              << " | 方向: " << (m_bCountUp ? "向上" : "向下")
              << " | 范围: [" << m_iLowerLimit << ", " << m_iUpperLimit << "]"
              << std::endl;
}

主程序 main.cpp ：

// main.cpp - 使用示例
#include <iostream>
#include "CCounter.hpp"

int main(){
    std::cout << "=== PLC CCounter类C++实现示例 ===" << std::endl;

    // 1. 使用默认构造函数
    std::cout << "\n1. 创建默认计数器:" << std::endl;
    CCounter counter1;
    counter1.DisplayStatus();

    // 执行计数
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        counter1.Count();
    }
    std::cout << "计数5次后: ";
    counter1.DisplayStatus();

    // 2. 使用带参数的构造函数
    std::cout << "\n2. 创建自定义计数器:" << std::endl;
    CCounter counter2(50, false, 100, 0); // 初始值50，向下计数，上限100，下限0
    counter2.DisplayStatus();

    // 3. 改变方向并计数
    std::cout << "\n3. 改变计数方向并操作:" << std::endl;
    counter2.SetDirection(true); // 改为向上计数
    counter2.Count();
    std::cout << "改变方向后计数1次: ";
    counter2.DisplayStatus();

    // 4. 直接访问公共成员（对应VAR PUBLIC）
    std::cout << "\n4. 修改公共成员变量:" << std::endl;
    std::cout << "原上限: " << counter2.m_iUpperLimit << std::endl;
    counter2.m_iUpperLimit = 80; // 直接修改公共变量
    std::cout << "新上限: " << counter2.m_iUpperLimit << std::endl;

    // 5. 通过Getter访问私有成员
    std::cout << "\n5. 通过Getter访问私有成员:" << std::endl;
    std::cout << "当前值(通过Getter): " << counter2.GetCurrentValue() << std::endl;
    std::cout << "方向(通过Getter): " << (counter2.GetDirection() ? "向上" : "向下") << std::endl;

    // 6. 测试边界条件
    std::cout << "\n6. 测试边界条件:" << std::endl;
    CCounter counter3(99, true, 100, 0);
    counter3.DisplayStatus();
    counter3.Count(); // 应该增加到100
    std::cout << "计数到上限后: ";
    counter3.DisplayStatus();
    counter3.Count(); // 应该保持100（已达上限）
    std::cout << "再次尝试计数: ";
    counter3.DisplayStatus();

    return 0;
}

对比这两份代码可以看出，PLC的ST语言实现相对更为简洁，这也符合工业控制编程所追求的简单、易读、可靠的原则。这种面向对象的编程范式，无疑是下一代PLC系统演进的重要方向，毕竟最新的IEC标准已经将其纳入规范。接下来，就看哪家PLC厂商能率先推出完全基于第四版标准的产品。

从工业控制的根本需求出发，我们始终追求的是确定性、实时性、可靠性和对物理世界的直接控制能力，这是所有控制程序设计的核心准则。

既然这是技术发展的必然趋势，我们不妨主动学习其精髓，并尝试将其逐步融入到实际项目中。特别是在人工智能时代，这种融合趋势更加显著。它将真正解放PLC编程人员，使我们不再为繁琐的基础代码耗费精力，从而能将更多时间投入到系统架构、工艺优化等更具创造性的工作中去。理解这些编程范式的演变，是构建复杂可靠系统的重要计算机基础。

对于PLC编程引入OOP等高级特性，你有何看法？欢迎在云栈社区交流你的实践经验与见解。