plc 如何取反

在工业自动化控制领域，可编程逻辑控制器（PLC）的取反操作是实现逻辑功能转换的核心基础。本文旨在深入探讨PLC中取反操作的本质、实现方法及其在各类实际场景中的高级应用。文章将系统解析从基本的触点取反、线圈取反到复杂的字、双字数据取反，并结合主流品牌如西门子、三菱的指令进行对比说明。同时，将剖析取反操作在程序优化、故障处理与安全逻辑设计中的关键作用，为工程师提供一套从原理到实践的完整知识体系。

       在工业自动化波澜壮阔的画卷中，可编程逻辑控制器（PLC）无疑是掌控逻辑的“大脑”。而“取反”这一操作，就如同大脑中一个最基础却至关重要的思维转换开关，它将“是”变为“非”，将“通”转为“断”，是构建复杂控制逻辑的基石。对于许多初入行的工程师而言，理解取反可能仅停留在“让输出相反”的层面，但其背后的原理、多样的实现方式以及在大型项目中的精妙应用，实则蕴藏着深厚的学问。今天，我们就来深入剖析PLC中的取反世界，从最底层的逻辑到最高层的应用策略，进行一次彻底的梳理。

一、 取反的逻辑本质：从布尔代数到电气控制

       要透彻理解PLC的取反，必须回溯其理论源头——布尔代数。在布尔代数中，变量只有两种状态：真（True，常表示为1）或假（False，常表示为0）。取反运算，或称“非”运算，其功能就是改变变量的状态：若原状态为真，取反后则为假；若原状态为假，取反后则为真。这是一个单目运算，只作用于一个操作数。

       映射到电气控制领域，这个抽象的逻辑概念便有了具体的物理意义。一个常开触点，在未受激励时处于断开（假）状态，当其对应的线圈得电时，触点闭合（真）。对该触点进行取反，即使用其常闭触点，那么逻辑关系就完全颠倒过来。这种“常开”与“常闭”的对应，正是取反思想在硬件接线与软件逻辑中最直观的体现。PLC编程，实质上是将这种电气控制逻辑，通过软件指令的形式予以实现和拓展。

二、 最基础的取反：触点取反与线圈取反

       在梯形图这种最直观的PLC编程语言中，取反操作首先体现在触点和线圈上。

       触点取反：这并非一条独立的指令，而是通过选择触点的类型来实现。在编程软件的元素库中，除了代表常开触点的符号，必定存在一个与之对应的、通常用一条斜线贯穿或在触点中间显示一个圆圈的符号，那便是常闭触点。当你将一个外部输入点（例如I0.0）以常闭触点的形式放入梯形图支路时，你就对该点的物理状态进行了逻辑取反。即：当实际物理开关I0.0断开时，在程序逻辑中该触点被视为“导通”；当I0.0闭合时，该触点反而被视为“断开”。这种用法在启停控制、互锁逻辑中极为常见。

       线圈取反：线圈取反通常不是直接对输出线圈本身进行操作，而是通过逻辑组合实现“反向输出”。例如，若要求某个条件满足时输出断开，条件不满足时输出闭合，最直接的方法就是在驱动该输出线圈的支路前，加入一个常闭触点或使用取反运算结果。更直接的方式是使用“取反输出”类指令。例如在西门子（Siemens）的指令系统中，你可以使用“-(NOT)-”这样的取反线圈符号。当能流到达此线圈时，它会将能流状态取反后传递给后续逻辑或直接赋值给某个位地址。

三、 位取反指令：专业化工具的应用

       除了使用触点类型这种隐含方式，所有主流PLC品牌都提供了显式的位取反指令。这是一条专门针对布尔量（位数据）进行取反操作的功能指令。

       在西门子的语句表（STL）或梯形图（LAD）中，对应的指令是“NOT”。它检查能流输入的状态：若输入为“1”（有能流），则输出为“0”（无能流）；反之亦然。在功能块图（FBD）中，它通常以一个带有“NOT”字样或类似“1”在输入端、带圆圈“0”在输出端的符号表示。

       在三菱（Mitsubishi）的PLC中，类似的位逻辑取反指令是“INV”。这条指令没有操作数，它的作用就是将其前面运算结果（通常存储在某个逻辑堆栈或寄存器中）进行取反，并影响后续指令的执行条件。

       这些显式指令的优势在于逻辑表达清晰，特别是在复杂的逻辑组合或字操作中嵌套位取反时，能使程序结构更易读、更模块化。

四、 数据层面的扩展：字节、字与双字取反

       PLC的取反操作绝不局限于单个的开关量。在数据处理、通信校验、状态掩码操作等场景中，经常需要对整个数据块进行按位取反。这时，就需要用到针对字节、字（16位）、双字（32位）的取反指令。

       这类指令的功能是将指定数据单元中的每一个二进制位进行翻转。例如，一个字节的数据为二进制“1011 0010”，执行字节取反后，结果变为“0100 1101”。

       在西门子系统中，你可以使用“INV_I”（对整数取反，实际是16位取反后加1，属于算术取反，需注意与逻辑取反区别）进行算术取反，而纯逻辑的按位取反通常通过“字逻辑异或”指令（XOR）与全“1”的掩码（16FFFF对于字）结合实现，或者使用“求反码”相关的库指令。更直接的方式是使用“CMPL”指令（补码，即按位取反）。

       在三菱的指令系统中，则有“CML”这条专门的取反传送指令。它将源数据按位取反后，传送到目标地址中，非常直观方便。例如，执行“CML D0 D1”，就是将D0寄存器中的16位数据逐位取反，结果存入D1。

       这种数据块取反在协议转换、自定义故障码、快速切换设备工作模式集（每位代表一种模式开关）等场合应用广泛。

五、 取反在程序结构中的战略作用

       取反操作若运用得当，能极大优化程序结构，提升可读性和执行效率。

       其一，简化条件判断。有时，直接判断“故障发生”的条件非常冗长（需要多个传感器信号组合），而判断“系统正常”的条件却很简单。此时，可以先写出“系统正常”的逻辑，然后对其结果进行一次取反，即可得到“故障发生”的信号。这比直接罗列所有故障条件要简洁清晰得多。

       其二，实现逻辑复用。在一个大型项目中，可能有多处需要用到本质上相同但逻辑相反的控制。例如，甲设备的启动条件是A、B、C同时满足，而乙设备的停止条件恰恰是A、B、C同时满足。这时，可以编写一个计算A&B&C的子程序或功能块，其输出结果既可直接用于甲设备启动，取反后即可用于乙设备停止，避免了重复编写和可能的不一致。

       其三，构建状态机与模式切换。在复杂的顺序控制或模式管理中，经常需要用一位（Flag）来表示当前是否处于某种特定状态或模式。利用取反操作，可以非常优雅地实现状态的翻转。例如，每按一次“模式切换”按钮，就将模式标志位取反一次，从而在“手动模式”与“自动模式”间循环切换。

六、 结合置位与复位指令的取反逻辑

       取反逻辑与置位、复位指令的结合，能实现更稳定、更可靠的控制，尤其适用于对输出状态有保持要求的场合。

       一个经典的例子是单按钮启停控制：按一下按钮，设备启动并保持；再按一下，设备停止。实现方法之一就是利用取反操作结合一个中间标志位。第一次按下按钮时，通过上升沿检测触发，将控制输出的标志位取反（假设初值为0，取反后为1），并用此标志位去置位输出线圈。第二次按下按钮时，再次触发取反操作，标志位由1变0，此时用该标志位的下降沿或直接判断其状态为0去复位输出线圈。这种方法逻辑清晰，避免了因按钮抖动或长按导致的误动作。

       这种“取反+置位/复位”的模式，也常用于故障应答、报警确认等需要触发状态翻转的场景，确保了信号的边缘触发特性，提升了程序的抗干扰能力。

七、 上升沿与下降沿检测中的取反思想

       上升沿和下降沿检测是PLC编程中捕获信号变化的利器，其内部实现机制本身就蕴含着取反的思想。

       边缘检测的本质是比较信号当前周期（扫描周期）的状态与上一个周期的状态。以上升沿检测为例：它需要满足“当前状态为真”且“上一周期状态为假”这两个条件。在程序实现上，通常需要一个位存储器来保存上一个周期的信号状态。那么，如何判断状态发生了变化？一种高效的内部逻辑就是：将当前信号状态与存储的上一周期状态进行“异或”运算。若两者不同（即发生了从0到1或从1到0的变化），异或结果为1。要 specifically 判断是上升沿，则需要附加条件：当前状态为1。这可以看作是对“状态未变”或“下降沿”情况的逻辑取反与筛选。

       理解这一点，有助于工程师在无法直接使用系统提供的边沿指令（如某些低端PLC或自定义功能块时），自行利用取反和位存储来构建可靠的边沿检测逻辑。

八、 取反在故障安全逻辑设计中的关键角色

       在安全至上的控制系统中，尤其是涉及安全继电器、急停回路的设计时，“取反”逻辑被赋予了更深层的安全含义。这里遵循的是“故障安全”原则：即系统发生故障时，应自动导向安全状态（通常是停机）。

       一个典型应用是安全门监控。安全门开关通常使用常闭触点串联在安全回路中。在正常情况下，门关闭，常闭触点导通，安全信号为“1”（表示安全）。当门被打开，常闭触点断开，安全信号变为“0”。在PLC程序中，这个来自安全回路的物理信号，通常会经过一次取反，再作为内部“安全门已打开”的报警或停机条件。这样做的目的是：如果连接安全门的线路断线（这是一种常见故障），物理信号也会变为“0”，取反后程序会得到“1”，从而触发停机，符合故障安全原则。即，线路断裂这种故障，被等效视为“门被打开”，同样导致安全停机。

       因此，在这种场合下的取反，不仅是一个逻辑转换，更是一种主动的安全防护策略。

九、 高级功能块与自定义函数中的取反集成

       在结构化编程中，工程师会将常用的、复杂的逻辑封装成可重复调用的功能块或函数。取反操作常常作为这些高级功能块内部逻辑的重要组成部分或可配置选项。

       例如，一个自定义的“电机控制”功能块，除了启动、停止、故障复位等标准输入外，设计者可能会增加一个名为“取反控制逻辑”的布尔型输入引脚。当此引脚为“假”时，功能块按正常逻辑工作；当此引脚为“真”时，功能块内部会对所有输出逻辑（如运行指示、接触器驱动）进行整体取反。这使同一个功能块能够灵活适配“常开型”和“常闭型”两种不同的现场执行器，提高了代码的通用性。

       再比如，在数据处理函数中，可以集成一个“是否取反输出”的参数，使得函数既能进行原始计算，也能直接输出计算结果的逻辑反，供上层逻辑灵活调用，减少了外部额外的取反操作步骤。

十、 程序调试与故障排查中的取反技巧

       取反操作也是程序调试和在线故障诊断的得力工具。

       当某个输出点行为与预期不符时，有经验的工程师可能会在线临时插入一个取反指令进行测试。例如，怀疑是某个中间条件M0.0逻辑错误导致输出Q0.0不正常，可以在驱动Q0.0的支路上，临时在M0.0触点后串联一个“NOT”指令，观察输出行为是否变得符合预期。如果符合，则问题很可能出在M0.0之前的逻辑；如果仍不符合，则问题可能出在Q0.0本身或后续电路。这是一种快速定位逻辑层故障点的有效方法。

       同样，在模拟测试时，若无法模拟某个传感器的真实故障状态（例如，无法实际断开一个常闭型液位开关），可以在程序中对该传感器的输入信号进行强制取反，以模拟其故障状态，从而测试系统故障响应逻辑是否正确。

十一、 不同PLC编程语言中的取反表达差异

       取反操作在不同编程语言中的表现形式各有特色，理解这些差异有助于跨平台编程和阅读他人代码。

       在梯形图中，取反主要通过常闭触点和取反线圈（如-(NOT)-）来体现，非常图形化、电气化。

       在语句表中，它是一条明确的指令，如西门子的“NOT”或三菱的“INV”，直接对逻辑堆栈顶部的值进行操作，简洁高效。

       在结构化文本中，取反操作则使用与高级计算机语言类似的运算符“NOT”或“!”。例如，`Output := NOT Input;` 或 `Flag := !Sensor_Ok;`。这种表达方式对于有软件编程背景的工程师来说尤为亲切，也便于实现复杂的布尔代数运算。

       在功能块图中，取反通常以一个标准的功能块符号出现，有明确的输入和输出引脚，数据流清晰可见。

十二、 算术运算中的“取反”：补码与数值符号

       必须严格区分逻辑取反与算术取反（或称求补）。这是两个完全不同的概念，但容易因名称相似而产生混淆。

       如前所述，逻辑取反是逐位翻转，即“求反码”。而算术取反在计算机和PLC中，通常指的是“求补码”，即对数值（通常是有符号整数）进行符号取反。对于一个正数，其补码是将其二进制表示逐位取反（求反码）后再加1；对于一个负数，其补码操作的结果是它的绝对值。

       在西门子指令中，“INV_I”和“NEG_I”等指令实现的是算术取反（求补）。例如，对整数160005（十进制5）执行“NEG_I”后，结果为16FFFB（十进制-5）。而在三菱等系统中，也有专门的“NEG”指令实现此功能。

       混淆两者会导致数据处理结果完全错误。因此，在编程时务必根据数据手册确认指令的确切功能。

十三、 取反操作的执行效率与扫描周期考量

       在绝大多数应用场景中，单次的位取反操作对扫描周期的影响微乎其微，可以忽略不计。然而，在追求极致性能的高速控制、高频中断处理例程或庞大的循环数据处理中，仍需对取反操作的效率有所考量。

       一般而言，使用常闭触点的隐含取反，其执行效率与使用常开触点相同。使用专用的位取反指令（如NOT、INV），通常也是一条指令周期。而字节、字、双字的取反指令，由于需要处理多个位，会消耗稍多的指令周期。在编写需要频繁执行、且对实时性要求极高的代码段时，应尽量减少不必要的数据宽度取反操作，或考虑使用更高效的算法替代。

       同时，过度复杂或嵌套的取反逻辑会增加程序的理解难度，可能会在调试和维护时浪费更多时间，这种“时间成本”有时比微秒级的执行时间差异更为重要。需要在效率与可维护性之间取得平衡。

十四、 结合具体品牌的指令深入剖析

       让我们结合具体品牌的官方指令手册，深化对取反操作的理解。

       以西门子博途环境为例，位取反指令“NOT”直接对逻辑运算结果取反。而其“取反码”指令，在指令树中可能归类于“字逻辑运算”下，它对整个输入参数（可以是字节、字、双字）进行按位取反。根据其官方文档，该操作不影响状态字（状态寄存器）中的溢出位，但会影响零标志位（当结果为0时置位）。

       以三菱的GX Works2为例，位取反指令“INV”没有操作数，它取反的是其前面LD、LDI、AND、OR等指令组合后的逻辑运算结果。而其“CML”取反传送指令，则有明确的源和目标操作数，功能强大且直观。三菱的编程手册会详细说明这些指令对标志位的影响，这是编程时判断程序流的重要依据。

       深入阅读官方手册，是掌握指令细微差别、避免潜在错误的不二法门。

十五、 从取反看PLC编程的哲学：严谨与灵活

       一个小小的取反操作，折射出PLC编程的核心理念：在严谨中寻求灵活。严谨，体现在对信号物理状态与逻辑状态映射关系的准确把握，对“0”和“1”的绝对忠诚，以及对安全原则的恪守。任何逻辑上的含混都可能在实际生产中酿成事故。

       灵活，则体现在实现同一逻辑目标可以有多种路径。你可以用常闭触点，也可以用常开触点加取反指令；可以在本地取反，也可以在功能块内部集成取反；可以对位取反，也可以对数据块取反。选择哪一种，取决于程序结构的清晰度、维护的便利性、执行效率的要求以及团队约定的编程规范。

       优秀的PLC程序员，不仅要知道如何实现取反，更要懂得在何时、何地、以何种方式使用取反，才能让程序既正确可靠，又优雅高效。这需要理论的支撑，更需要大量实践的锤炼。

       总而言之，PLC中的取反远非一个简单的“相反”按钮。它是一条贯穿从底层位逻辑到高层系统设计的线索。从最基本的电气原理映射，到专业指令的灵活运用；从单个信号的处理，到复杂数据块的变换；从普通的逻辑构建，到关键的安全设计，取反操作无处不在，其深度和广度超乎许多人的初步想象。掌握好取反，就如同掌握了一把打开更复杂、更精妙控制逻辑之门的钥匙。希望本文的系统梳理，能帮助各位工程师朋友深化对这一基础而核心概念的理解，在未来的项目中更加游刃有余，编写出既稳定可靠又充满智慧的自动化程序。