第5章 S7-1200用户程序结构
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第4章 S7-1200的用户程序结构.pptx - 辅导书：
S7-1200 PLC编程及应用 第3版，目录中对应第4章“S7-1200的用户程序结构”。
1. 本章脉络
S7-1200用户程序结构
├─ 4.1 功能与功能块
│ ├─ 生成功能FC
│ ├─ FC局部数据
│ ├─ OB1中调用FC
│ ├─ 功能块FB特点
│ ├─ FB背景数据块
│ ├─ FC与FB区别
│ └─ FB多重背景数据块
├─ 4.2 数据类型与间接寻址
│ ├─ 基本/复杂/参数/系统/硬件数据类型
│ └─ 隐式转换与显式转换
└─ 4.3 中断事件与中断指令
├─ 启动组织块的事件
├─ 不会启动OB的事件
├─ 优先级与中断队列
├─ 程序循环OB、启动OB、循环中断OB、硬件中断OB
└─ 中断连接/分离、延时中断
2. 功能FC与功能块FB
2.1 功能和功能块共同点
功能(Function, FC)和功能块(Function Block, FB)都是用户编写的子程序，用于完成特定任务。它们都可以有输入、输出参数，执行完成后将结果返回给调用它的代码块。
工程意义：把重复出现的控制逻辑封装起来，提高程序可读性、可维护性和复用性。
2.2 生成功能FC
PPT例子以压力变送器量程换算为FC应用场景：
设压力变送器下限为0 MPa，上限为High MPa，A/D转换后数字量为0~27648，若当前数字值为N，则压力P为：
[ P=\frac{High\cdot N}{27648} ]
| 符号 | 含义 | 单位 | 备注 |
|---|---|---|---|
| (P) | 计算得到的压力 | MPa | FC输出 |
| (High) | 量程上限 | MPa | FC输入参数 |
| (N) | A/D转换数字量 | 无 | FC输入参数，0~27648 |
| 27648 | S7模拟量标准满量程值 | 无 | 对应100%正常量程 |
适用条件：变送器输出与物理量线性对应，模拟量模块正常满量程为0~27648。
工程意义：把原始数字量转换为工程量，便于HMI显示、报警判断和控制运算。
常见变形：
若下限不是0，通用式为：
[ P=P_{min}+\frac{N-N_{min}}{N_{max}-N_{min}}(P_{max}-P_{min}) ]
易错点：整数运算时应先乘后除，必要时转为Real。
3. FC局部数据
FC界面区中的局部变量只能在该块内部使用，STEP 7 Basic会自动在局部变量名前加#。
| 类型 | 含义 | 数据是否保持 |
|---|---|---|
| Input | 输入参数，由调用块提供 | 不保持 |
| Output | 输出参数，返回执行结果 | 不保持 |
| InOut | 输入/输出参数，调用前传入，执行后返回 | 由实参决定 |
| Temp | 临时数据，保存在局部堆栈 | 执行结束后不保持 |
| Ret_Val | 返回值，属于输出参数 | 根据类型返回 |
Ret_Val默认类型为Void，表示不保存返回值。如果设置为非Void类型，则调用FC时会在方框右侧显示返回值。
4. 形参与实参
在FC界面区定义的参数叫形式参数，简称形参；调用FC时实际连接的变量或常数叫实际参数，简称实参。
规则：实参与形参数据类型应一致。
例子：
FC内部形参：#N、#High、#P
OB1调用实参：IW64、10.0、MD20
工程意义：同一个FC可被多处调用，只要传入不同实参即可处理不同对象。
5. 块的专有技术保护
STEP 7 Basic可以对FC/FB启用专有技术保护。启用后，其他人打开块时能看到接口变量，但看不到程序区逻辑。
适用场景：保护企业标准功能块、设备厂商专用算法或项目核心工艺逻辑。
注意：保护不能代替备份和版本管理，忘记密码会影响维护。
6. 功能块FB
6.1 FB特点
FB是有自己存储区的用户子程序。每次调用FB时，都需要指定一个背景数据块。背景数据块随FB调用而打开，调用结束时自动关闭。
FB典型应用：执行不能在一个扫描周期结束的操作，例如电机状态控制、阀门控制、定时器、计数器、PID对象等。
6.2 背景数据块
背景DB保存FB的输入、输出和静态变量，FB执行后这些数据不会丢失。
| 数据类型 | 是否存入背景DB | 是否保持到下次调用 |
|---|---|---|
| Input | 是 | 是，可有初值 |
| Output | 是 | 是 |
| InOut | 与实参相关 | 由实参决定 |
| Static | 是 | 是 |
| Temp | 否 | 否 |
工程意义：同一个FB可用不同背景DB控制不同设备。例如同一个“电机FB”分别用Motor1_DB和Motor2_DB控制两台电机。
6.3 调用错误处理
如果FB接口发生变化，例如新增输入参数，原来OB1中的FB调用会变红，表示接口不一致。应使用“更新不一致的块调用”功能同步新旧接口。
7. FC与FB区别
| 项目 | FC | FB |
|---|---|---|
| 是否有背景DB | 没有 | 有 |
| 是否有静态变量 | 没有 | 有Static |
| 数据保持 | Temp不保持，需用全局DB/M区保持 | Input/Output/Static保存在背景DB |
| 调用时参数 | 应给所有形参指定实参 | 未赋值参数可使用背景DB初值 |
| 可移植性 | 好，但状态保持需外部变量 | 适合对象化封装 |
| 典型用途 | 计算、转换、无状态逻辑 | 电机、阀门、定时计数、对象控制 |
考试重点：有无背景数据块是FC和FB最核心区别。
8. FB多重背景数据块
IEC定时器和计数器本质上是功能块，普通调用时每个定时器/计数器都需要一个背景DB。如果数量很多，会产生大量数据块。
多重背景数据块的思路：在一个用户FB中，把IEC_Timer或IEC_Counter定义为Static变量，这样多个定时器/计数器的背景数据被包含在该FB的背景DB中，不必为每个定时器单独生成DB。
优点：
- 减少DB碎片；
- 结构更清晰；
- 减少数据处理开销；
- 方便把设备控制封装成一个对象。
注意：PPT说明STEP 7 Basic库中包含的功能块可用多重背景方式调用，用户创建的功能块有相关限制，实际使用应按软件版本检查。
9. 数据类型与间接寻址
9.1 数据类型分类
除了基本数据类型和复杂数据类型外，还有：
| 类型 | 含义 |
|---|---|
| 参数类型 | 用于传递给被调用块形参，如Void |
| 系统数据类型 | 系统预定义结构，不能随意更改 |
| 硬件数据类型 | 用于识别硬件元件、事件、中断OB等对象 |
9.2 数据类型转换
| 转换方式 | 含义 | 例子 |
|---|---|---|
| 隐式转换 | 指令执行时自动转换 | 小范围整数转大范围整数 |
| 显式转换 | 使用转换指令手动转换 | Int转Real后进行小数计算 |
易错点：不要依赖隐式转换处理所有情况，尤其是模拟量计算、整数除法和有符号/无符号混用。
10. 中断事件与中断指令
10.1 中断基本思想
正常情况下CPU循环执行OB1。当某个中断事件发生时，CPU在当前指令执行完后暂停原程序，转去执行对应中断OB，执行完后再返回原程序断点继续执行。
工程意义：中断用于快速响应特殊事件，避免等待完整扫描周期。
10.2 启动组织块的事件
常见事件包括：
| 事件类型 | 典型OB | 触发条件 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 程序循环 | OB1或≥200 | 启动或上一循环结束 | 主程序循环 |
| 启动 | OB100或≥200 | STOP切换RUN | 初始化 |
| 时间延迟 | ≥200 | 延迟时间到 | 延时事件处理 |
| 循环中断 | ≥200 | 固定周期到 | 固定周期采样/控制 |
| 硬件中断 | ≥200 | 硬件事件发生 | 快速响应输入边沿等 |
| 时间错误 | OB80 | 扫描超时等 | 错误处理 |
| 诊断错误 | OB82 | 诊断事件 | 设备诊断处理 |
10.3 不会启动OB的事件
有些系统事件只写入诊断缓冲区或状态信息，不一定触发用户OB。复习时重点掌握：不是所有事件都会打断OB1；只有配置了相应中断OB或系统支持的事件才会触发OB。
10.4 优先级与中断队列
中断事件有优先级和队列深度。高优先级事件可优先处理；若同类事件短时间大量出现，超过队列深度可能丢失事件或报警。
工程意义：高速、关键事件应合理配置中断优先级，避免过多中断造成扫描不稳定。
10.5 常见中断OB
程序循环OB
OB1是默认主程序，循环执行。可以有多个程序循环OB，但OB1是最常用入口。
启动OB
CPU从STOP到RUN时执行一次，用于初始化变量、复位状态、检查安全条件。
循环中断OB
按固定周期执行，适合周期采样、固定周期控制算法、定时记录。
硬件中断OB
由输入点上升沿、下降沿或硬件事件触发，适合高速响应、报警、计数辅助等。
延时中断OB
通过SRT_DINT等指令设置延迟时间，时间到后触发对应OB。
11. 图表索引
| 图表 | 来源位置 | 作用 |
|---|---|---|
| FC生成与调用界面 | 第4章PPT 4.1前半部分 | 理解FC形参、实参和Ret_Val |
| FB界面区与背景数据块图 | 第4章PPT 4.1中部 | 理解FB数据保持 |
| FB多重背景数据块图 | 第4章PPT 4.1后半部分 | 理解定时器/计数器嵌入背景DB |
| 中断事件表 | 第4章PPT 4.3前部 | 掌握OB类型、触发事件、优先级 |
| 硬件中断组态图 | 第4章PPT 4.3中部 | 理解输入边沿触发OB |
| 延时中断指令图 | 第4章PPT 4.3后部 | 理解SRT_DINT触发延时OB |
12. 易错点
- FC没有背景数据块，FB有背景数据块。
- Temp变量只在块执行期间有效，不能用于保存跨周期状态。
- FB的Static变量保存在背景DB中，适合保存状态。
- 形参与实参数据类型要一致。
- 修改FB接口后，原调用处必须更新接口。
- 多重背景不是“多个DB”，而是把多个被调用FB的数据嵌入一个背景DB。
- 中断OB不是普通子程序，不能由用户调用指令直接调用。
- 中断过多会影响扫描周期稳定性。
13. 考前补充：块调用与中断判断题
13.1 OB、FC、FB、DB一句话区分
| 块 | 谁调用 | 是否含程序 | 是否保存状态 | 高频考点 |
|---|---|---|---|---|
| OB | 操作系统调用 | 是 | 取决于访问的数据区 | 用户程序入口、中断入口 |
| FC | 其他代码块调用 | 是 | 无专用背景DB | 适合无状态计算 |
| FB | 其他代码块调用 | 是 | 有背景DB | 适合设备对象、定时计数 |
| DB | 被程序访问 | 否 | 保存数据 | 全局DB与背景DB区别 |
13.2 什么时候选FC，什么时候选FB
- 只做一次计算，结果完全由输入决定：优先FC，如模拟量线性换算。
- 需要保存运行状态、故障状态、定时器状态：优先FB，如泵、阀、电机控制。
- 同一逻辑控制多台相同设备：用一个FB，多次调用，每次配不同背景DB。
- 在一个大FB内部调用多个定时器/计数器：可用多重背景，减少独立DB数量。
13.3 中断OB的考试口径
中断不是“扫描更快的OB1”，而是由特定事件触发的程序入口。答题时抓住三点：
- 触发源：时间、硬件边沿、诊断、延时等事件。
- 响应方式：CPU暂停当前低优先级任务，执行对应中断OB，结束后返回断点。
- 使用限制：不能滥用，过多中断会增加系统负担，影响扫描周期稳定性。
14. 本章预测题与答案
题1：FC和FB共同点是什么？
答案：FC和FB都是用户编写的子程序，都用于完成特定任务，都可以通过输入、输出参数与调用块交换数据，执行完成后返回调用它的代码块。
题2：FC和FB最核心区别是什么？
答案：FB有背景数据块，能保存输入、输出和静态变量；FC没有背景数据块，执行结束后临时变量不保持。是否有背景数据块是二者最核心区别。
题3：Input、Output、InOut、Temp分别是什么意思？
答案：Input是输入参数，由调用块提供；Output是输出参数，返回执行结果；InOut是输入输出参数，调用前传入初值，执行后返回结果；Temp是临时变量，只在块执行期间有效，执行后不保存。
题4：什么是形参和实参？
答案：在FC或FB接口中定义的参数称为形参；调用该块时连接到形参上的实际变量、常数或地址称为实参。实参与形参应具有相同或兼容的数据类型。
题5：为什么FB适合控制电机、阀门等设备对象？
答案：电机、阀门控制通常需要保存运行状态、故障状态、定时状态等跨扫描周期数据。FB有背景DB和Static变量，能保存这些状态，因此适合设备对象化封装。
题6：什么是多重背景数据块？有什么优点？
答案：多重背景数据块是把被调用功能块如IEC定时器、计数器的背景数据作为外层FB背景DB的一部分保存。优点是减少大量独立DB碎片，使程序结构清晰，节省数据处理时间和存储空间。
题7：模拟量压力换算公式是什么？
答案：若0~High MPa对应0~27648，数字值为N，则 (P=High\cdot N/27648)。该公式用于把A/D数字量转换为真实压力值。
题8：启动OB和程序循环OB有什么区别？
答案：启动OB在CPU从STOP切换到RUN时执行一次，常用于初始化；程序循环OB如OB1在RUN模式下反复循环执行，是主程序入口。
题9：硬件中断OB适合什么场合？
答案：硬件中断OB适合对外部硬件事件快速响应，如输入信号上升沿/下降沿、报警信号、定位触发等，避免等待完整扫描周期。
题10：隐式转换和显式转换有什么区别？
答案：隐式转换由系统在执行指令时自动完成；显式转换由用户使用转换指令主动完成。对于模拟量计算、整数和浮点混合运算，应优先使用显式转换保证结果正确。