BS EN 61131——可编程序控制器（PLC）标准系列

⚙️ BS EN 61131 是英国采用 IEC 61131 系列的标准，专门规定可编程序控制器（Programmable Logic Controller, PLC）的通用信息、设备要求与试验、编程语言以及通信相关要求。PLC 是现代工业自动化的核心控制设备，广泛应用于过程控制、机械自动化、楼宇自控与运动控制等领域。BS EN 61131 通过统一术语、性能要求、试验方法与编程语言，为 PLC 的选型、设计、编程、测试与维护提供了系统化的规范依据。

💡 BS EN 61131-3（编程语言）是全球 PLC 编程事实上的标准：它定义了梯形图、功能块图、结构化文本、指令表与顺序功能图五种标准语言，使不同厂商 PLC 的程序结构具有统一的基础，显著提升了程序的可移植性与可维护性。

一、标准系列构成与适用范围 📌

BS EN 61131 系列由多个部分组成，各部分围绕 PLC 的总体要求、设备与编程展开：

第1部分：总体信息（General information）——规定 PLC 的术语、功能定义、体系结构概念与一般要求，是理解整个系列的基础。
第2部分：设备要求与试验（Equipment requirements and tests）——规定 PLC 及外围设备的机械、电气、环境、电磁兼容与安全要求，并给出相应的试验方法。
第3部分：编程语言（Programming languages）——定义五种标准编程语言的语法、语义与编程元素，是程序设计与可移植性的核心。
第5部分：通信（Communications）——规定 PLC 与外部设备通信的要求与消息规范。
第6部分：功能安全（Functional safety）——针对安全相关 PLC 应用的安全要求。
第7部分：模糊控制编程（Fuzzy control programming）——规定模糊逻辑控制编程的扩展。
第9部分：传感器与执行器通信接口（SDCI）——规定 PLC 与现场设备之间的通信接口要求。

⚠️ BS EN 61131 是 PLC 的基础标准，但通常不替代具体行业或应用的安全标准。在安全相关场合，需结合功能安全标准（如 IEC 61508/61511 或 ISO 13849）对安全回路进行设计；在过程工业中还需考虑现场总线与防爆要求。

二、总体信息与体系结构 🔧

BS EN 61131 第1部分把 PLC 系统描述为一个可执行控制与相关功能的电子设备系统。典型的 PLC 系统由中央处理单元（CPU）、输入/输出（I/O）模块、电源、编程与调试工具以及通信接口组成，并可扩展为多机架、多 CPU 的分布式结构。

标准从”设备”与”系统”两个层面定义 PLC：设备层指单个可编程控制单元，系统层指由多个单元通过网络或总线互连、协同完成控制任务的整体。标准强调 PLC 应具有足够的处理能力、存储容量与 I/O 通道，并能在规定环境条件下可靠运行。

✅ 体系结构理解是选型的基础：明确 CPU 扫描周期、I/O 响应时间、程序存储容量、通信端口数量与冗余方式，才能为具体应用匹配合适的 PLC 硬件配置。

三、设备要求与试验 🔥

BS EN 61131 第2部分规定了 PLC 及其外围设备在机械、电气、气候与电磁兼容方面的要求，并给出相应的型式试验方法。主要试验包括：

机械试验：振动、冲击、自由跌落等，考核结构强度与连接可靠性。
气候试验：高温、低温、湿热、温度循环等，考核环境适应性。
电气试验：供电电压波动、频率波动、短时中断与过压，考核电源与电气性能。
电磁兼容试验：静电放电、辐射抗扰、传导抗扰、电快速瞬变脉冲群、浪涌与谐波等。
安全试验：绝缘电阻、耐压、接地与保护性连接，考核电气安全性能。

设备要求还涉及安装与接线、端子标识、外壳防护等级（IP 等级）以及抗污染与抗腐蚀能力。试验结果应在规定的环境条件下重复测量，以验证设备的可重复性与稳定性。

⚠️ 试验条件与实际工况必须对应：PLC 若安装在环境恶劣或强干扰场所，应选择相应等级的型号并采取隔离、滤波、屏蔽等附加措施，否则即使设备符合标准，现场仍可能出现误动作或死机。

四、编程语言（第3部分）📏

BS EN 61131-3 定义了五种标准编程语言，分为文本语言与图形语言两大类：

梯形图（Ladder Diagram, LD）：最常用的图形语言，以继电器逻辑的触点与线圈表示控制回路，直观、易学，适合离散逻辑控制。
功能块图（Function Block Diagram, FBD）：以功能块与连线表示信号处理逻辑，适合模拟量处理与算法实现。
结构化文本（Structured Text, ST）：类似 Pascal 的高级文本语言，支持赋值、条件、循环与函数调用，适合复杂算法与数据处理。
指令表（Instruction List, IL）：类似汇编的文本语言，面向底层操作，执行效率高，但可读性相对较弱。
顺序功能图（Sequential Function Chart, SFC）：以步与转换表示顺序控制流程，适合批量与顺序控制，结构清晰、便于状态管理。

标准还定义了统一的数据类型（布尔、整型、实型、时间、字符串、数组与结构体）、变量声明、程序组织单元（POU）以及面向对象的编程扩展，使程序结构规范化，便于复用与维护。

语言	类别	典型应用	可读性
梯形图（LD）	图形	离散逻辑、启停联锁	高
功能块图（FBD）	图形	模拟量处理、算法	高
结构化文本（ST）	文本	复杂算法、数据处理	中高
指令表（IL）	文本	底层操作、性能优化	低
顺序功能图（SFC）	图形	顺序与批量控制	高

五、通信与现场总线 🛠️

BS EN 61131 第5部分规定 PLC 与外部设备（如 HMI、上位机、驱动、传感器与执行器）之间的通信要求，包括通信模型、消息服务与数据交换规范。PLC 通信通常采用主从或令牌方式，支持点对点与多站网络。

在现代自动化中，PLC 常通过现场总线（如 PROFIBUS、DeviceNet、CANopen 等）或工业以太网（如 PROFINET、EtherCAT、Modbus TCP 等）与现场设备通信。BS EN 61131 第9部分（SDCI）进一步规定传感器与执行器与 PLC 之间的单点通信接口，简化现场接线并支持智能设备的即插即用。

🚨 通信是 PLC 系统的薄弱环节之一：通信故障会导致 I/O 数据缺失或控制指令延迟，进而引起误动作。设计时应考虑通信冗余、超时处理与故障安全策略，并实测网络负载与周期抖动。

六、工程应用要点 🔩

🔍 选型匹配任务：根据 I/O 点数、控制复杂度、扫描周期与通信需求选择 CPU 与扩展模块，预留适当余量。
🔧 编程规范：遵循标准语言与统一命名，合理划分程序组织单元，采用结构化编程提高可读性与可维护性。
📊 可靠性设计：对关键回路采用冗余 CPU、冗余电源与冗余网络，并配置看门狗与故障安全输出。
📋 环境与EMC：合理布置柜内器件，采取屏蔽、接地、滤波与隔离措施，抑制干扰并满足设备等级要求。

七、常见问题解答 ❓

❓ 问：BS EN 61131-3 的编程语言适用于所有品牌的 PLC 吗？
答：标准定义了语言与数据类型的通用语法，大多数主流 PLC 支持这些语言，但各厂商的实现细节与扩展存在差异。标准语言保证结构统一与移植基础，仍需针对目标平台调试。

❓ 问：为什么梯形图是应用最广的 PLC 语言？
答：梯形图以继电器逻辑表达，电气工程师容易理解，且与原有继电器控制柜改造场景高度契合，故在离散控制中应用最广。

❓ 问：PLC 的扫描周期对控制有何影响？
答：扫描周期决定了 PLC 对输入变化的响应速度。对高速或精确控制（如运动控制），需选择足够短的扫描周期或采用中断与高速计数功能，否则控制精度与实时性无法保证。

🔍 问：如何理解”故障安全”在 PLC 中的应用？
答：故障安全指系统在失电、通信中断或程序异常时输出到安全状态（如停止、泄压）。设计时应使安全输出在故障时自动进入安全状态，而非保持上一状态。

🔍 问：BS EN 61131 与功能安全标准（IEC 61508）如何配合？
答：BS EN 61131 规定 PLC 的一般性能与编程要求，IEC 61508 规定安全相关系统的安全完整性。对安全 PLC，应依据 IEC 61508 确定安全完整性等级，并满足相应的诊断覆盖率与故障安全要求。

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