本文介绍了梯形图代码，允许Arduino Opta在状态LED上显示输入和输出（I/O），如视频1所示。该技术将减少通常与可编程逻辑控制器（PLC）相关的故障排除时间。识别损坏或未对准的传感器等任务变得简单。
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本文假设读者对梯形图逻辑（LL）有一定了解。还假设读者之前已经使用梯形图程序配置和编程了Opta。例如，假设读者可以编程经典的3线电机启动器代码，包括启动和停止按钮以及锁存器。如果您是工业自动化的新手，建议您查看此简短术语表。
术语表
Arduino Opta
Arduino Opta：Opta是Arduino家族的最新成员之一。它是一种可编程逻辑控制器（PLC），专为帮助学生过渡到工业自动化而设计。它可以从传统的Arduino IDE或新的PLC专用IDE编程，支持IEC 61131-3语言，包括梯形图逻辑、功能块、结构化文本、指令列表和顺序功能图。
全局变量
PLC代码通常被分解为较小的POU（程序组织单元）。全局变量通常用于在这些程序之间进行通信。这与您在编程Arduino时学到的内存范围概念类似。
加固
该术语意味着PLC可以在恶劣的工业环境中运行。PLC预计可以在高温下运行数十年。还具备一定的抗意外电气连接的能力，包括短路线或错误电压施加到输入端子。
匈牙利命名法
匈牙利命名法：这种变量命名方案鼓励程序员在变量名称中包含数据类型和范围。这种风格仍有争议。然而，根据作者的经验，初学者程序员会从提醒中受益。它可以节省大量代码故障排除的时间，尤其是在遇到用户自定义功能块等高级主题时。
输入 / 输出 (I/O)
参见螺丝端子。
梯形图
梯形图是 IEC 61131-3 语言之一。它是一种图形语言，其符号与物理继电器有共同之处。
映射
此技术用于将一个内存位置的内容传输到另一个内存位置。通常，程序员不受 PLC 可用内存量的限制；程序清晰度优先于大小。映射是一种稳健的方法，可以增加清晰度并减少故障排除时间。例如，程序员可以对物理 I/O 进行单一引用。这可以防止在修改程序时出现错误，而不是繁琐地查找和更改对该 I/O 的所有引用。如果 PLC 触点损坏，这将特别有利，因为技术人员可以更改单行代码并移动到仍然可用的触点。
螺丝端子
PLC 的物理连接。它们通常分为输入块和输出块。一个相关术语是“现场设备”。这些传感器和执行器连接到 PLC 的螺丝端子。
自文档化代码
PLC 的生命周期以十年为单位。通常，它们不会像手机那样每隔几年升级一次。在理想情况下，程序将使用清晰的名称来编写，以描述 PLC 执行的物理操作。例如，梯形图的一行可以读作“在夹紧传感器激活后 2 秒启动钻机电机”。
自复位
关于本文，该术语指的是定时器和计数器。例如，可以编写一个定时器来产生规则的脉冲。可以编程一个计数器以计数到特定数字，然后重置自身。当结合使用时，可以构建一个类似时钟的结构；一个从0到59计数，每次迭代延迟一秒的结构。
状态机
PLC设计用于控制物理机器或其他工业过程。通常，机器的操作依赖于一系列物理步骤，因为工作材料进入机器，被操作，然后从机器中排出。术语“状态机”指的是跟踪和控制这些步骤的PLC代码。一般来说，该术语可用于描述包含独特步骤的任何代码结构。
视频 1 ： Opta 的输入和输出状态显示在状态LED中，绿色表示第一个输入半字节，红色表示第二个输入半字节，蓝色表示输出半字节。
介绍
我们中的许多人在教育环境中接触到了Arduino。我们都学会了如何搭建电路板并编程微控制器以执行各种聪明、有趣和有趣的功能。当我们从电路板过渡到工业环境时，我们需要考虑不同的参考框架。
Arduino Opta是一种可编程逻辑控制器（PLC）。这是一种坚固的工业计算机。这里的“坚固”意味着Opta设计用于在恶劣的工业环境中生存。敏感的输入经过调节，允许微控制器脆弱的3.3 V I/O引脚接受24 VDC，并承受一定程度的滥用。Opta的基本单元具有四个基于继电器的输出，能够直接驱动各种中等功率负载，包括带有120 VAC线圈的电机启动器。
保持所有熟悉的Arduino想法和习惯是一种自然的本能。然而，这可能会让我们陷入麻烦。例如，假设你设计了一台配备Opta的小型机器。你成功地编程了Opta，在那个值得庆祝的日子，机器被调试并开始在工厂车间进行生产工作。有些人会将这次调试视为辛勤工作的成功结果。
经验丰富的工程师知道这仅仅是个开始。
那台机器现在是工厂基础设施的重要组成部分。它需要可靠地工作。当它出现故障时，而不是如果，技术人员必须能够迅速恢复机器的运行。这是至关重要的，因为一台坏掉的机器在失去生产和闲置人员方面非常昂贵。
理想情况下，技术人员可以在不使用任何测试设备的情况下恢复设备，当然也不需要找到一台电脑打开并与之交互的IDE。事实上，技术人员无法访问PLC中的知识产权并不罕见。鉴于当今艰难的工作环境，技术人员可能是公司的新手，对相关的PLC没有任何经验。
一个有用的方法是编程Opta以在Opta的LED上回显I/O状态。
在这篇文章中，我们将探讨一个完成此任务的梯形逻辑解决方案。红色、绿色和蓝色指示灯LED的状态LED将允许技术人员快速确定每个螺丝端子输入和输出（I/O）的状态。例如，如果接近传感器损坏或未对准，技术人员可以在没有测试设备或电脑的情况下进行维修。结果是快速故障排除，从而最大限度地减少设备停机时间。
状态 LED
图1展示了Arduino Opta的图片。请注意，它有4个状态LED。在RESET针孔上方还有一个绿色/红色LED，在USER按钮上方有一个蓝色LED。这些LED将一起用于通知技术人员所有I/O的状态。
图 1 ： Arduino Opta是一款小型PLC，非常适合过渡到工业环境的学习者。
在本次讨论中，我们将假设所有输入都是数字的。总共有12个I/O：8个数字输入和4个数字（继电器）输出。鉴于有4个状态LED和3个指示灯LED，如果我们以轮询方式显示所有I/O的状态，我们有足够的资源。
图2展示了实现这一点的一种方法。请注意，每个半字节（4个二进制值的集合）都是颜色编码的。当绿色LED（在复位针孔上方）被激活时，输入I1到I4的值会回显到四个状态LED上。经过两秒的延迟后，代码将切换到红色LED，并且I5到I8的值将显示在状态LED上。最后，再经过两秒的延迟，蓝色LED将点亮，并且PLC输出的值将回显到状态LED上。
图 2 ： Opta I/O与状态LED的颜色关联。例如，当Opta的红色LED点亮时，I5到I8的值会显示在状态LED上。
梯形图逻辑
有几种不同的方法可以编程Opta来执行此功能。在本文中，我们专注于梯形图逻辑，因为这是PLC的传统语言，并且有充分的理由使用这种IEC 61131-3语言，正如技术提示中所描述的那样。
技术提示 ：关于梯形图逻辑（LL）存在一些争议。有人认为LL是一种应该被现代编程语言取代的旧技术。也许吧，但它仍然被广泛使用，并且可能会在未来几十年内继续如此。即使我们今天从所有PLC编程中废除LL，我们也可以预期现有机器在其自然生命周期（2到3十年）内继续使用LL。与此相关的是，LL与继电器及其与真实世界设备的物理连接非常相似。所有PLC程序员和技术人员都需要掌握这些信息，以便在他们的工作中有效。
代码的概述如图3所示。这个设计的复杂性在于prgStatusDisplay需要编写一次，然后在多个项目中重复使用。这需要仔细命名变量，这解释了映射操作中明显的冗余。
图 3 ：显示I/O状态的程序位于自文档代码之外。
让我们从图的中心开始，逐步向外展开。PLC编程的核心被识别为自文档化程序。在这里，我们找到了输入映射程序（prgInMap）、控制程序（prgCtrl）和输出映射程序（prgOutMap）。请注意，我们使用的是匈牙利命名法。
对于我们的目的，我们将“自文档化”定义为包含与物理世界相关的描述性名称的代码。例如，物理控制面板可能包含一个选择开关、一个启动按钮和一个停止按钮。在内部，这些可以分别命名为gxEnable、gxStart和gxStop。其中字母g表示全局内存位置，x表示布尔类型，后面跟着一个描述性名称。梯形图逻辑表示如图4所示，我们看到gxMotor通过启动/停止锁存器激活，前提是启用开关被激活。
技术提示 ：使用一致的风格进行编程对于任何语言都是必不可少的，即使是像LL这样“简单”的语言。您的工作场所可能已经建立了风格指南。如果没有，可以从PLCopen提供的编码指南文档开始。这份开放文档解释了使用前缀（如prg）和匈牙利表示法（如gxPBStart）背后的原理。
图 4 ：电机启动电路的梯形图锁存器
技术提示 ：熟悉梯形图逻辑的人可能已经注意到与gxStop相关的常闭触点。这可能会引起担忧，因为物理停止开关应具有常闭触点。换句话说，停止机器的设备必须包含常闭触点，作为对断线或松线的故障保护。为了防止混淆，prgCtrl中使用了正逻辑思维。由于prgInMap翻转了停止开关的极性，因此无需同时考虑开关类型及其在电路中的安装方式。相反，我们可以简单地说，“如果没有停止。”
映射挑战
PLC编程中的一个重大挑战是将这些自文档化名称映射到物理的“螺丝端子”I/O。在图3中，我们看到prgInMap和prgOutMap位于prgCtrl的两侧。我们还在Arduino Opta代码空间中看到了输入和输出映射，并特别参考了系统资源。
通常情况下，prgInMap和prgOutMap是不需要的。例如，我们可以将连接到螺丝端子I1的物理启动开关与Arduino Opta输入映射块中的gxStart关联（图3中左侧第二个）。
prgInMap和prgOutMap存在的原因是为了允许prgISStatusDisplay的干净且永不改变的实例化。我们的目标是编写一次状态显示程序并且永不更改它。如果我们在Arduino Opta资源部分内执行映射操作，这是无法实现的。
映射如图5所示。请注意，所有变量都是全局范围且为布尔类型。虽然这可能会激怒纯粹的程序员，但这是梯形图编程中必要且正常的操作。全局变量用于在图3所示的程序块之间进行通信。例如，在图4的中间，我们可以看到Opta的I_O_mapping-ProgInp部分。我们可以隐式地看到，八个螺丝端子输入已映射到gxI1到gxI8。同样，I_O_mapping_RelayOut的输出已映射到gxO1到gxO4。
图 5 ：在Opta资源部分中执行的映射操作
映射摘要
如图3所示的IOStatusDisplay程序接收变量gxI1到gxI8以及gxO1到gxO4。该程序有七个输出；四个驱动状态LED，三个驱动绿色、红色和蓝色指示灯LED，如图2所示。我们再次希望编写一次prgIOStatusDisplay代码，并且不再修改它。这需要图4中描述的严格映射操作。
在图5所示的Opta资源中，我们将始终使用I_O_mappings_ProgInp、I_O_mappings_ProgOut和I_O_mapping_LEDOut中的给定变量名称。因此，我们使用用户定义的prgOInMap和prgOutMap将固定资源名称映射到通常与PLC编程相关的自文档化名称。例如，连接到I1的物理启动开关变为gxI1，然后作为gxSWStart呈现给prgCtrl。
显示 I/O 状态程序
prgIOStatusDisplay的实际梯形逻辑代码相对简单。如本文末尾的图6所示。它由6行代码组成。前两行充当粗略的状态机。自复位定时器TON_1每两秒提供一次脉冲。自复位计数器CTU_1提供从0到2的计数。请注意，它确实在一次程序扫描中提供了3的计数。然而，这对于此应用程序来说无关紧要。
第0002行包含一系列比较器。这些将根据CTU_1中的状态激活红色、绿色和蓝色指示灯LED。
第0003行清除四个状态LED。然后，根据机器的状态，在0004到0006行中设置状态LED。例如，如果I1和I3为真，当gxLEDGreen轮到时，状态LED gxLED1和gxLED3将被设置。
结论
本文中描述的技术将使技术人员能够快速排查PLC故障。他们无需借助测试设备或花费时间连接笔记本电脑来查看PLC代码即可完成此操作。程序本身相对简单，但在变量映射方面需要相当多的纪律性。
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图 6 ： prgIO StatusDisplay的梯形图逻辑实现