作为得捷电子的应用工程师，我有幸接触各种各样的硬件和软件。我的任务包括在此技术论坛上直接回复客户咨询，以及主动撰写得捷电子客户未来感兴趣的主题文章。偶尔，我会遇到令人惊讶的结果，例如 Arduino Opta 与Schneider Electric Modicon M171 和 M172 可编程逻辑控制器（PLC）之间的兼容性。
本工程简报探讨了用于 Opta 的 Arduino PLC IDE 与用于 Modicon M171 和 172 的Schneider Electric EcoStructure Machine Expert – HVAC 之间的软件共性。我们将看到，这些集成开发环境（IDE）具有共同的结构，允许在不同平台间共享符合 IEC 61131-3 标准的程序组织单元（POU）。这种协同效应使程序员能够轻松地在不同设备之间切换，例如图 1 所示的 Opta WiFi 设备和 Modicon TM172PDG28RI 设备。
本文是DigiKey工业自动化工厂指南的一部分
位置 ：教学指导 → PLCs
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最后更新 ：2026 年 3 月 06 日
图 1 ：Arduino Opta WiFi 和带集成显示屏的Schneider Modicon M172 的照片。相应的集成开发环境（IDE）具有共同的结构，允许跨系列共享程序组织单元（POU，即软件组件）。
什么是 IEC 61131-3 程序组织单元（ POU ）？
IEC 61131-3 标准定义了通用的 PLC 编程语言，包括梯形图（LD）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）、指令表（IL）和顺序功能图（SFC）。该标准还描述了程序的组织和结构方式。这些程序组织单元（POU）是构建 PLC 项目的基本模块。它们由程序、功能块和用户自定义功能块（UDFB）组成。
技术提示 ：在 IEC 61131-3 标准的语境下，“程序”一词需要进一步解释。在一种情况下，我们指的是安装在 PLC 上的全部软件。这通常由许多独立的程序组织单元（POU）组成。在另一种情况下，我们指的是特定类型的程序组织单元（POU）。通过观察上下文线索，相对容易区分这两种含义。例如，图 2 中的所有组件都用于创建 PLC 的程序。该程序由独立的程序组织单元（POU）组成，例如程序 prgCtrl 和 prgComms。
图 2 ：展示 IEC 61131-3 软件命名空间的框图。右侧显示了三种类型的程序组织单元（POU），包括程序、函数和用户自定义功能块。
内置函数与用户提供的函数
所有现代 PLC 开发工具都包含预定义函数。我们可以预期找到适用于梯形图（LD）和功能块图（FBD）的各种图形化块，以及为偏好使用结构化文本（ST）编程的程序员提供的相应文本形式。示例包括定时器、计数器和三角函数。
PLC 程序员通过使用这些内置函数以及自行设计的程序组织单元（POU），将各个部分组合成完整的 PLC 应用程序。在图 2 中，我们可以看到用户编写了两个程序，包括 prgCtrl 和 prgComms。作为分层设计过程的一部分，这些程序随后实例化了各种用户编写的功能块和函数。图 2 中总共有七个程序组织单元（POU）。
技术提示 ：用户定义功能块（UDFB）与用户函数是密切相关的程序组织单元（POU）。区别在于，UDFB 包含内存，其返回值会根据状态（过去的交互）而变化；而函数对于给定的一组输入始终返回相同的值。
用户编写的函数和功能块的目的是什么？
每家 PLC 制造商都提供了坚实的基础内置函数，适用于各种各样的 PLC 应用。然而，针对特定应用编写程序组织单元（POU）的工作需由用户完成。例如，程序员可以构建一个函数，根据给定的储罐直径和液位高度计算总加仑数。程序员还可以构建一个用户定义功能块（UDFB），以封装三相电机启动器/接触器的操作。需要带有相关内存的用户定义功能块（UDFB）来跟踪物理机构的状态。
在所有情况下，函数和用户定义功能块（UDFB）均属于程序员的知识产权。当编写得当时，它们会形成一个库，用于解决常见的控制问题。这使得经验丰富的 PLC 程序员能够通过利用经过良好编写和测试的程序组织单元（POU）集合，快速组装应用程序。
技术提示 ：PLC 程序员可以从面向对象编程（OOP）所使用的语言中受益。虽然 IEC 61131-3 标准并未包含面向对象编程（OOP）功能，但 PLC 程序员可以采用面向对象编程（OOP）原则。例如，三相电机启动器是一种可由 PLC 控制和监控的物理设备。通过精心的软件设计，程序员可以将电机启动器的功能封装到单个用户定义功能块（UDFB）中。该对象随后充当现实世界的抽象表示。PLC 程序员将这些对象收集到一个库中，从而加快编程过程，同时提供通用结构，便于技术人员进行故障排除并支持未来的快速修改。
哪些软件组件可以在 Opta 和 Modicon 之间共享？
现在我们已经对 IEC 61131-3 程序组织单元（POU）有了扎实的理解，就可以确定哪些内容可以在 Arduino Opta 和Schneider M171/172 之间共享，哪些不能。简而言之，用户编写的程序组织单元（POU）可以共享，包括程序、函数和用户定义功能块（UDFB）。如图 2 所示，我们必须对全局变量使用一致的命名方案。这一点至关重要，因为全局变量是连接图 2 左侧硬件依赖部分与右侧硬件独立部分的桥梁。
请注意，尚未针对所有类型和情况进行全面的兼容性测试。然而，如下文将演示的那样，我们有充分理由相信大多数程序组织单元（POU）可以移植。一个重要的线索是 Opta 与 M171/M172 内置函数之间的重叠。TON 就是一个在两套系统中都常见的内置程序组织单元（POU）示例。因此，包含定时器的用户程序或用户功能数据块（UFDB）预计是可移植的。
技术提示 ：Schneider Electric术语"Modicon"指代一大类可编程逻辑控制器（PLC），范围从 Pico TM221C16R 到高性能型号 TM262M35MESS8T。该名称还涵盖专为商用机器设计的一系列控制器，即 Modicon M171/M172 系列。这种与 Arduino Opta 的共性仅限于 M171/172 系列。
为什么全局变量对于可移植程序至关重要？
计算机科学专业的学生被教导要避免使用全局变量。这是一条极好的建议，因为全局变量会使程序复杂化。此外，全局变量以难以排查故障而著称，尤其是当程序跨越多个页面，或分散在多个 .h 和 .cpp 文件中时。
在 IEC 61131-3 环境中，全局变量是不可避免的。即使是最简单的 Opta 或 171/172 程序，仅用一个按钮控制单个输出引脚，也需要两个全局变量。确实如此，因为螺丝端子输入/输出（I/O）被映射到全局变量，这些变量随后可由 PLC 代码结构中的任何程序（小型程序组织单元）访问。
回顾图 2，我们可以认识到，一个较大的 PLC 程序由硬件相关的配置（左侧）和一组硬件无关的程序组织单元（右侧）组成，后者包括内置程序组织单元以及用户编写的程序组织单元。如图 2 所示，PLC 程序的两侧通过这些全局变量进行通信。
这是一个将硬件映射到特定变量名称的问题。Opta 和 M171/M172 使用图 3 所示的机制来执行此操作。例如，我们看到 Opta 的输入 I1 和 I2 分别映射到 gxPB1 和 gxPB2。同样，我们看到 M172 的 DIL1 和 DIL2 输入也映射到 gxPB1 和 gxPB2。
这是一个需要反复强调的关键考虑因素。我们可以拥有不同的硬件，但使用相同的全局变量名称。这些通用名称对于可移植的程序组织单元（如 prgCtrl 或 prgComms）至关重要。该策略构成一个抽象层，为图 2 右侧的程序组织单元提供统一的接口。
技术提示 ：在基于标签的 PLC 编程环境（如本工程技术简报所述）中，强烈建议使用匈牙利命名法。使用此表示法时，我们在每个变量前加上数据类型前缀，例如用"x"表示布尔型。我们还添加"g"前缀，以指示该变量具有全局作用域。作为一名教育工作者，我的经验是，这些细节能节省大量的开发和故障排除时间，因为 PLC 程序员必须明确考虑每个变量的作用域和类型。很容易发现不属于此处的内容。请参阅 PLCopen 编码指南，获取更多 PLC 编程建议。
图 3 ：Arduino（上）和Schneider（下）的 gxPB1 与 gxPB2 全局变量的硬件特定映射。
POU 如何在不同平台之间传输？
让我们从构建一个简单的 POU 开始，例如图 4 所示的 prgCtrl。这是一个非常简单的程序，用于监控两个按钮。当按下 gxPB2 且 gxPB1 已激活至少 1 秒时，面板灯将点亮。在本示例中，我们将 1 秒延时硬编码到 TON 定时器中。请注意，Opta 的定时器以 1 毫秒为节拍运行。当设定的时间（PT）值为 1000 时，即对应 1 秒的延时。
一旦该程序构建并测试完成，即可将其导出为库。为此，请右键单击该 POU 并选择“导出到库”。这将在您指定的位置创建一个 *.plclib 文件。请注意，许多 POU（包括程序、函数和函数块）都可以放入同一个 *.plclib 文件中。这一点非常理想，因为您的 POU 具有高度的可移植性。
创建库文件后，您可以在下一个 Opta 项目中使用它。要导入 POU，请选择“导入对象”，然后从库中选择所需的 POU。这是一个非常简便的过程，可识别 POU 版本，并支持在项目树中添加或覆盖现有 POU。
图 4 ：共享 prgCtrl POU 在 Arduino Opta 上的实现。
Opta 与 Modicon 的跨平台功能
Opta 与 M171/M172 似乎基于同一平台构建。例如，仔细查看图 4（Arduino）和图 5（Schneider）可以发现它们具有相同的程序树结构。我们也在 prgCtrl POU 中看到了相同的元素。
这些实际上是同一个 POU ！ 库流程在特定环境内部与跨平台流程是相同的。
在此示例中，prgCtrl 是在 Arduino PLC IDE 中编写的，随后被传递到库中，并导入到Schneider Electric EcoStruxure Machine Expert – HVAC 中。欢迎您亲自尝试，此处可下载所展示的 POU（库）：
POUDemo.plclib（2.1 KB）
图 5 ：共享 prgCtrl POU 在 Modicon M172 上的实现。
跨平台兼容性会带来哪些影响？
就我个人而言，我认为这是一种令人欣喜的协同效应。声称某款 PLC 可以使用所有 IEC 61131-3 语言进行编程是一回事。而当各个 POU 能够完整无损地在多个平台之间转移时，情况则完全不同。社区具有巨大潜力来构建并共享一个 POU 库。大量相关设备为社区参与提供了激励，因为它不再局限于特定硬件。在某种程度上，这类似于使用 C 语言进行编程，因为我们现在拥有了一个有效的抽象层，提供了备受青睐的硬件独立性。
从教育角度来看，这是有益的。正如我之前所论证的，Arduino 在近二十年来一直为微控制器开发树立标准。Arduino 在高等教育领域广为人知，受到技术人员、技术专家以及工程师的认可，并广泛吸纳了电气和机械方向的学生。
请记住，Opta 独特地具备利用现有微控制器用户群的优势，因为它既可通过传统的 Arduino IDE 进行编程，也可通过新的 Arduino PLC IDE 并使用所有 IEC 61131-3 语言进行编程。从教育角度来看，这种灵活性为 PLC 编程提供了多种入门途径。它还促进了并行编码任务的开展，使学生能够在传统 Arduino IDE 之外，探索各种 IEC 61131-3 语言的优势与挑战。
凭借这种新发现的互操作性，所有这些教育益处和良好声誉将立即转移到Schneider Modicon M171 和 M172 产品上。
回归到基本的 POU 构建模块，我设想由教育工作者和其他利益相关伙伴组成的社区，将为特定应用构建并维护 POU 库。如前所述，其中许多可以以面向对象编程（OOP）对象的形式存在，用于接口连接和控制 PLC Connect 硬件。我们有巨大潜力降低入门门槛，从而将 PLC 编程扩展到更广泛的程序员群体。
欢迎分享您关于 PLC 编程和教育的评论、问题与关切。此外，可能还存在其他尚未被识别的、共享此通用接口的 PLC。提前感谢您扩充该列表。
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