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ST 結構化文本教學:語法、IF/CASE/FOR,什麼時候該取代階梯圖

易歐特科技 · PLC 基本功系列 · IEC 61131-3 · 西門子 SCL / 三菱 GX Works3 / CODESYS

結構化文本(Structured Text, ST)是 IEC 61131-3 定義的文字式 PLC 語言,語法接近 Pascal。它不是要取代階梯圖——而是補上階梯圖做不好的那一半。

一、一個例子就懂為什麼需要 ST

需求:三個溫度感測器,取平均值,超過設定值就開冷卻。

用 ST:

avgTemp := (T1 + T2 + T3) / 3.0;

IF avgTemp > setPoint + 2.0 THEN
    cooling := TRUE;
ELSIF avgTemp < setPoint - 2.0 THEN
    cooling := FALSE;
END_IF;

六行,而且一眼就看懂在幹嘛(順便還做了 2 度的遲滯,避免頻繁啟停)。

用階梯圖: 要用 ADD 指令兩次、DIV 指令一次、暫存到 D 暫存器、再用比較指令 >、< 各一階……大概二十階,而且改一個數字就要重新對照一遍暫存器編號。

判斷原則很簡單:
· 開關、互鎖、時序邏輯 → 階梯圖(電氣人員好懂,現場好除錯,可以線上監看導通狀態)
· 數學運算、迴圈、陣列、狀態機 → ST(寫得快,改得快,看得懂)

實務上混用是常態,不是妥協。IEC 61131-3 定義多種語言就是這個用意。

二、基本語法

賦值與運算子

x := 10;                    // 賦值用 :=  (不是 =)
y := x + 5 * 2;             // 一般四則運算
flag := (a > b) AND NOT c;  // 布林運算

// 比較運算子
=   <>   >   <   >=   <=      // 注意「不等於」是 <> 不是 !=

// 布林運算子
AND   OR   XOR   NOT          // 用英文字,不是 && ||

三個新手必踩的坑

1. := 是賦值,= 是比較。 寫錯編譯器通常會擋,但邏輯裡混用會很痛苦。

2. 整數除法會截斷。 7 / 2 如果兩邊都是 INT,結果是 3 不是 3.5。要小數請確保至少一邊是 REAL:7.0 / 2。溫度、pH、流量這類計算最常在這裡出錯。

3. 每一句結尾都要分號 ;,END_IF; 也要。

資料型別

型別	範圍 / 用途
`BOOL`	TRUE / FALSE
`INT`	16 位元整數,-32768 ~ 32767
`DINT`	32 位元整數(計數、積算用這個)
`REAL`	32 位元浮點數(溫度、pH、流量)
`TIME`	時間,寫法 `T#5S`、`T#1M30S`
`STRING`	字串(通訊、HMI 訊息)

INT 溢位是真的會發生的事
用 INT 做累計運轉時數或流量積算,32767 之後會翻成負數。曾經有現場的累計流量跑到一半變負的,查半天才發現是型別選錯。累計類一律用 DINT 或 REAL。

三、控制流程

IF / ELSIF / ELSE

IF level < 30.0 THEN
    pump := TRUE;
ELSIF level > 80.0 THEN
    pump := FALSE;
END_IF;
// 注意:30~80 之間兩個條件都不成立 → pump 維持原值
// 這就是遲滯(hysteresis),是刻意的,不是漏寫

CASE — 寫狀態機的最佳工具

這是 ST 最有價值的用途之一。加藥程序、CIP 清洗、批次製程,用 CASE 寫會非常清楚:

CASE step OF

  0:  // 待機
      IF startCmd THEN
          step := 10;
      END_IF;

  10: // 進水
      inletValve := TRUE;
      IF levelHigh THEN
          inletValve := FALSE;
          stepTimer(IN := FALSE);   // 計時器復歸
          step := 20;
      END_IF;

  20: // 加藥並攪拌 5 分鐘
      dosingPump := TRUE;
      mixer      := TRUE;
      stepTimer(IN := TRUE, PT := T#5M);
      IF stepTimer.Q THEN
          dosingPump := FALSE;
          step := 30;
      END_IF;

  30: // 沉澱靜置 10 分鐘(攪拌停)
      mixer := FALSE;
      stepTimer(IN := TRUE, PT := T#10M);
      IF stepTimer.Q THEN
          step := 40;
      END_IF;

  40: // 排水
      drainValve := TRUE;
      IF levelLow THEN
          drainValve := FALSE;
          step := 0;                 // 回到待機,完成一批
      END_IF;

END_CASE;

// 急停:任何步驟都立即中斷
IF eStop OR fault THEN
    inletValve := FALSE;
    drainValve := FALSE;
    dosingPump := FALSE;
    mixer      := FALSE;
    step       := 0;
END_IF;

為什麼 CASE 狀態機這麼好用?
每個步驟做什麼、什麼條件才進到下一步,一眼就看得出來。要插入新步驟(例如「加藥前先確認 pH」),只要新增一個 case、改兩個跳轉編號就好。

同樣的東西用階梯圖寫,是一堆 SET/RST 的旗標互相跳來跳去,三個月後你自己都看不懂。

步驟編號建議留間隔(0, 10, 20, 30…),之後要插步驟時才不用重編號。這是現場經驗。

FOR 迴圈

// 32 個感測器找最大值
maxVal := 0.0;
FOR i := 0 TO 31 DO
    IF sensors[i] > maxVal THEN
        maxVal := sensors[i];
    END_IF;
END_FOR;

迴圈次數必須有上限,而且要小
PLC 的掃描週期有看門狗(Watchdog)限制,通常幾十到幾百毫秒。一個跑太久的迴圈會讓 PLC 直接停機報錯——這在產線上就是停產事故。

所以:絕不要用 WHILE 迴圈等待外部條件(例如「WHILE NOT 閥門到位 DO」),那會直接觸發看門狗。等待條件要用狀態機,讓每次掃描檢查一次就離開。

這是 PLC 和一般程式設計最根本的思維差異:PLC 程式必須在每次掃描內跑完,不能停在那裡等。

四、實用範例:PID 之外的簡易溫控

不是每個場合都要 PID。很多環控場景用「遲滯 + 最短運轉時間」就夠了,而且更穩定:

// 溫度控制,含遲滯與壓縮機保護
minOffTimer(IN := NOT cooling, PT := T#3M);   // 停機後至少 3 分鐘才准再啟動

IF temp > setPoint + 1.0 AND minOffTimer.Q THEN
    cooling := TRUE;
ELSIF temp < setPoint - 1.0 THEN
    cooling := FALSE;
END_IF;

那個 minOffTimer 是壓縮機的命。少了它,壓縮機會短循環,壽命大幅縮短——這在冷凍、空調、養殖水冷系統都是硬性要求。

五、廠牌差異

廠牌	名稱	備註
西門子	SCL	TIA Portal 內建,支援度最完整
三菱	ST	GX Works3 支援
CODESYS 系	ST	最貼近 IEC 標準
台達 / 歐姆龍	ST	中高階機種支援,低階機種可能不支援

各家都自稱符合 IEC 61131-3,但不能直接複製貼上
函式庫名稱、計時器實例的宣告方式、字串處理函式,各家都有差異。跨廠牌移植時,核心邏輯可以沿用,但 I/O 對應與函式呼叫一定要重寫並實機測試。

別相信任何說「一鍵轉換各廠牌」的工具——包括 AI。AI 可以幫你把邏輯翻過去(省掉八成的打字),但編譯與實機驗證這關,永遠是人的責任。

小結

ST 補的是階梯圖的短板:運算、迴圈、狀態機
:= 賦值、<> 不等於、整數除法會截斷、累計用 DINT
CASE 狀態機是寫批次/程序控制的最佳解
絕不用 WHILE 等外部條件——會觸發看門狗停機
互鎖與安全邏輯留在階梯圖:現場人員要看得懂、要能線上監看

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