# Structured text 結構化編程

:::warning
此筆記是使用根據三菱電機**GX Works**及**FX-3U**所製作，其它種類的PLC不一定適用。
:::

[TOC]

## 概論

ST全稱Structured text(結構化編程)，此語言主要是使用在PLC上的開發，相比於階梯圖這門語言也更接近如C、Pascal，所使用的是指令式程式設計，因此在數學與邏輯上也會更為容易的表達，但也因此學習成本與難度也相較於其它方式較高。

由於ST為編譯式語言，因此在燒錄時需要先進行編譯。

使用時只需要在PLC所對應的平台上選擇**結構化編程**，即可看到**ST**語言。

一份檔案包含兩的部份，分別為**程式區**與**變數表**，主要的程式都是在程式區編輯，有一個不同於其它程式語言的地方，ST的變數需要在變數表內先宣告，這也代表變數的作用範圍是全域的。

## 變數型態

ST的資料型態和其它語言大致相同，但需注意要事先在變數表宣告。

::: warning
* 賦值使用 := 而不是 =，因為在ST裡面 = 為關係運算
:::

舉例：

a := 50;
b := TRUE;
Y0 := TRUE;
Y1 := X0;

> Bit

如其本身的名稱，這個型態只會用到一個bit，也就是說可以表達TRUE或FALSE ，用於儲存布林值。

> Word\[Signed\]

word佔用16的bit，可以表達 $-2^{16}$ ~ $2^{16-1}-1$ 個有號數，是常用的變數型態。

> Double Word\[Signed\]

兩倍的word也就是說有 $-2^{32}$ ~ $2^{32-1}$ \- 1 個有號數。

> Time

專門用於表達時間，常用與TON配合。
時間符號使用**T#並可以搭配d、h、m、s、ms：**

| 符號 | 現實單位 |
| --- | --- |
| d | 天 |
| h | 小時 |
| m | 分鐘 |
| s | 秒 |
| ms | 毫秒 |

### 特殊物件

在ST有兩個最常用的功能被封裝成物件。

> TON

ton1(IN := <條件式>, PT := <Time>);

只有在 IN 為 TRUE 的時候才會開始計時，如果在計時到一半的時候變為 FALSE 會中斷計時。

因為這個特性，可以使用下列的用法重複使用同樣的計時器：

:::danger
若在 **同一時刻** 多方存取 **同一個** 計時器將會導致不可預期的後果！
:::

ton1(IN := NOT ton1.Q, PT := <Time>);

PT 需要輸入Time，如：T#5s、T#50ms，或宣告一個Time在進行輸入也可以。

在讀取TON的狀態需要使用：

ton1.Q

> R_TRIG

rt1(_CLK := <條件式>);

在階梯圖的上緣觸發在ST裡被封裝成物件，因此使用的時候需要先進行宣告。

如果要讀取狀態需要使用：

rt1.Q

---

## 運算子

ST的運算子雖然沒有不同，但在使用上還是有一些與其它語言的不同之處。

### 算術運算

$令 \\ a = 17 \\ b = 5$

| 運算子 | 動作 | 動作 |
| --- | --- | --- |
| + | 回傳 **左邊的數值** 加上 **右邊的數值** | $a + b = 17 + 5 = 22$ |
| - | 回傳 **左邊的數值** 減掉 **右邊的數值** | $a - b = 17 - 5 = 12$ |
| * | 回傳 **左邊的數值** 減掉 **右邊的數值** | $a * b = 17 * 5 = 85$ |
| / | 回傳 **左邊的數值** 除於 **右邊的數值** | $a / b = 17 / 5 = 3$ |
| MOD | 回傳 **左邊的數值** 除於 **右邊的數值** 的餘數 | $a \ MOD \ b = 17 \ MOD \ 5 = 2$ |

### 關係運算

$令 \\ a = 20 \\ b = 20 \\ c = 15$

| 運算子 | 動作 | 舉例 |
| :-: | :-- | :-: |
| > | 回傳 **左邊的數值** 是否大於 **右邊的數值** | $a > b = false \\ a > c = true \\ c > a = false$ |
| < | 回傳 **左邊的數值** 是否小於 **右邊的數值** | $a < b = false \\ c < a = true \\ a < c = false$ |
| >= | 回傳 **左邊的數值** 是否大於或等於 **右邊的數值** | $a >= b = true \\ a >= c = true \\ c >= a = false$ |
| <= | 回傳 **左邊的數值** 是否小於或等於 **右邊的數值** | $a <= b = true \\ c <= a = true \\ a <= c = false$ |
| = | 回傳 **左邊的數值** 是否等於 **右邊的數值** | $(a = b) = true \\ (a = c) = false$ |
| <> | 回傳 **左邊的數值** 是否不等於 **右邊的數值** | $a <> b = false \\ a <> c = true$ |

### 邏輯運算

$令 \\ a = true \ \ b = true \\ c = false \ \ d = false$

| 運算子 | 動作 | 舉例 |
| --- | --- | --- |
| NOT | 回傳 **右邊** 的布林值取**反** | $NOT \ a = false$ |
| AND | 回傳 **左右兩邊** 的布林值是否皆為 **true** | $a \ AND \ b = true \\ a \ AND\ c = false$ |
| OR | 回傳 **左右兩邊** 的布林值是否有其中一者為 **true** | $a \ OR \ b = true \\ a \ OR \ c = true \\ c \ OR \ d = false$ |
| XOR | 回傳 **左右兩邊** 的布林值為 true 的數量是否為 **奇數** | $a \ XOR \ b = false \\ a \ XOR \ c = true \\ c \ XOR \ d = false$ |

### 優先順序

| 運算子 | 順序 |
| --- | --- |
| () | 1 |
| 函式 | 2 |
| NOT、負號 | 3 |
| ＊、/、MOD | 4 |
| +、- | 5 |
| >、<、>=、<= | 6 |
| =、<> | 7 |
| AND | 8 |
| XOR | 9 |
| OR | 10 |

---

## 流程控制
常用的迴圈在ST裡面都有，但語法不盡相同。

:::warning
在PLC內如果使用過多的迴圈會導致看門狗被觸發，若發生此狀況可能要改變算法或更改看門狗的觸發時間。
:::

> IF 條件判斷

IF <條件式> THEN
	
END_IF;

IF <條件式> THEN

ELSIF <條件式2> THEN

ELSE

END_IF;

> CASE 多重選擇

CASE <變數> OF
  <狀態>:
	
  <狀態2>:
	
  <狀態3>:
ELSE
  <其它狀態>
END_CASE;

> FOR 變數迴圈

:::warning
使用前在要先於變數表內宣告要使用的變數
:::

FOR <變數> := <初始值> TO <目標值> BY <遞增值> DO
	
END_FOR;

> WHILE 條件迴圈

WHILE <條件式> DO

END_WHILE;

> EXIT、RETURN 中斷與回傳

當迴圈需要在執行時中斷就可使用EXIT
舉例：

Y0 := FALSE;

cnt := 0;
WHILE TRUE DO
  cnt := cnt + 1;

  IF cnt = 50 THEN
    EXIT;
  END_IF;
END_WHILE;

Y0 := TRUE; (*Y0會在cnt計數到50的時候被執行*)

當使用RETURN時，程式會無條件跳轉到程式的最後一行。
舉例：

Y0 := FALSE;

cnt := 0;
WHILE TRUE DO
  cnt := cnt + 1;

  IF cnt = 50 THEN
    RETURN;
  END_IF;
END_WHILE;

Y0 := TRUE; (*Y0不會被執行到*)

---

## 進階

ST可以使用一些在階梯圖難以實現的用法，且在ST有些用法也與階梯圖不同。

### 陣列
陣列常用於大量的變數控制，在階梯圖這是比較難實現的，並常與FOR搭配使用。陣列也可以用在實作一些較難的資料結構。

在變數表宣告時使用 [1..?]，問號內填入要的格數。

::: info
如果將ST編譯後在反編譯成階梯圖，會發現變數都是由D、M等來構成的，只是在ST內我們不需在特別去使用，也可以取成有意義的命名。
:::

### 索引暫存器
因為FOR迴圈的特性非常適合用來控制大量的IO，但因為我們沒有辨法直接使用變數做為後綴，因此才有了索引暫存器。

索引暫存器可以使用Z跟V，兩者在用法上是完全相同的。

使用時先將要使用的索引暫存器指定為要讀取的編號，在將索引暫存器做為IO的後綴。

舉例：

IF M8013 THEN
  FOR ii := 0 TO 7 BY 1 DO
    Z0 := ii;
    Y0Z0 := TRUE;
  END_FOR;
ELSE
  FOR ii := 0 TO 7 BY 1 DO
    Z0 := ii;
    Y0Z0 := FALSE;
  END_FOR;
END_IF;

### 狀態機
在階梯圖有一個經典的用法就是狀態機，在階梯圖在使用S來表達步驟，但在ST裡我們使用一個變數來當作步數，並使用CASE來作掃描。

:::danger
在每次程式的開頭要使用M8002進行歸零，因為在PLC從 STOP 到 RUN 的過程中，變數表並不會被歸零，這樣將導致狀態殘留！
:::

舉例：

IF M8002 THEN
  wstep := 0;
END_IF;

CASE wstep OF
  0:
    Y1 := FALSE;
    Y0 := TRUE;
    IF X0 THEN
      wstep := 20;
    END_IF;

  20:
    Y0 := FALSE;
    Y1 := TRUE;
    IF X1 THEN
      wstep := 0;
    END_IF;
END_CASE;

### 函式
在程式設計的時候有一個準則是**事不過三**，因為如果同樣的事不停的重複的話，一但遇到要俢改就會變得相當的麻煩。

函式在使用上有一個要注意的點的是，函式的回傳值並**不是用RETURN**，是將函式的名稱當成變數，直接改變就行了。

有些時候可能會用到遞迴的設計模式，但在ST裡並不支援這樣的設計，因此在設計上應使用迭代來取代。

### 物件
一般程式設計在使用上在較短的程式上可能沒有問題，一旦程式大了起來，就會發現有很多的問題在處理上變得麻煩，因此這個時候就需要使用物件導向的設計模式，簡化主程式並可以讓擴充性與可讀性提升。

物件在使用是只需要在變數表內宣即可直接使用，在使用之前也可以設定初始化並進行歸零。

有一點需要注意的是，ST不能使用繼承，也不能在物件內宣告函式，但在一般的PLC程式設計上這樣也足夠了。

### 看門狗計時器
英文稱watchdog，其功能就像其名子一樣，會不斷的檢測PLC是否沒有回應，但有時候程式並沒有卡住，而是計算量過大，這個時候我們就需要調整看門狗計時器，在FX-3U這顆PLC中的看門狗變數為D8000，單位為毫秒。

D8000 := 1000; (*設為一秒*)

:::warning
若程式本身的算法效率不高，這並不是正確的處理方法，因此在俢改之請先檢視程式是否有辨法達到更高的效率。
:::

{%hackmd 8jKiAYScS9mHgWyDe_SNNA %}