一、 核心原理：循环扫描与信号流
西门子PLC的数据运算并非像通用计算机那样“随时响应”，而是建立在循环扫描（Scan Cycle） 的严格逻辑之上。这是理解其一切运算行为的基石。
工作原理简述：
1. 输入采样阶段：PLC在扫描周期的起点，一次性、同步地读取所有物理输入模块的状态（如按钮、传感器信号），并将其锁存到内存中一个特定的区域——过程映像输入区（PII）。在此周期内，即使外部输入信号变化，PII内的数据也保持不变，保证了本周期运算基础的一致性。
2. 程序执行阶段：这是数据运算的核心阶段。CPU从用户程序的第一条指令开始，至上而下、从左至右逐条执行。程序指令（如触点、线圈、数学指令）的运算，其读取的输入数据来源于PII，产生的输出和中间结果则写入到过程映像输出区（PIQ）或内部存储区（M、DB等）。运算严格按照程序顺序执行，形成确定的信号流。
3. 输出刷新阶段：当所有用户程序执行完毕后，CPU将过程映像输出区（PIQ） 中的数据一次性、同步地传送至物理输出模块，驱动继电器、指示灯、阀门等实际设备。
关键点：这种“批处理”模式隔离了外部信号的不稳定波动，确保了程序逻辑执行的确定性和稳定性。所有数据运算都发生在这个受控的、循环的软件环境中。
二、 数据存储方式：地址与类型化存储
西门子PLC采用绝对地址与符号地址结合，以及强类型化的存储管理方式。
1. 存储区分类：
· 过程映像区（I/Q）：
· 输入映像区（I）：对应物理输入。在程序中使用I0.0（位）、IW2（字）、ID4（双字）等地址访问。运算时主要从此区读取外部信号状态。
· 输出映像区（Q）：对应物理输出。使用Q0.0、QW10等地址访问。运算的最终结果写入此区，等待输出刷新。
· 位存储区（M）：内部标志位存储器，相当于中间继电器。用于存储程序运算中的中间状态、标志位。地址如M0.0， MB10。
· 数据块（DB）：最重要的数据存储区域。分为全局数据块（所有逻辑块可访问）和背景数据块（关联特定功能块FB）。
· 结构化存储：在数据块中，可以预先定义变量，包括变量名（符号）、数据类型（如Bool, Int, Real, Array, Struct等）、初始值和注释。例如，在DB1中定义一个名为Setpoint_Temperature的Real型变量。
· 访问方式：DB1.DBX0.0（绝对地址访问位）， DB1.Setpoint_Temperature（符号名访问，推荐），或使用指针/间接寻址进行动态访问。
· 临时存储区（L）：存在于局部数据堆栈（L Stack）中，仅在所属的逻辑块（FC, FB, OB）执行期间有效，用于存储块内运算的中间临时变量。块执行结束后，其内容可能被覆盖。
· 外设地址（P）与位存储区（P）：允许直接访问物理I/O模块，绕过过程映像区，用于高速或立即读写，但一般编程中较少直接使用。
2. 数据类型化存储：
每个存储单元都关联着特定的数据类型（Data Type）。这是运算正确性的关键。
· 基本数据类型：位（Bool）、字节（Byte）、字（Word）、双字（DWord）、整数（Int，16位）、双整数（DInt，32位）、实数（Real，32位浮点数）等。不同的数据类型占用不同长度（如一个Real占4个字节）和具有不同的值域。
· 复合数据类型：数组（Array）、结构（Struct）、字符串（String）等，用于组织复杂数据。
· 重要性：运算指令对操作数的数据类型有严格规定。例如，整数加法指令（ADD_I）要求两个输入和一个输出都是Int类型。若将Word类型数据直接送入，虽然位模式相同，但解释规则不同（无符号 vs 有符号），可能导致不一样的运算结果。因此，数据类型转换（如Word_to_Int）是编程中的常见操作。
三、 数据运算方法：指令与程序执行
运算通过用户程序中的指令实现，这些指令在扫描周期的程序执行阶段被顺序处理。
1. 运算指令的层级与分类：
· 基本逻辑运算：基于位（BOOL）的与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）等，通过梯形图的触点串并联或语句表的逻辑指令实现。操作数多为I, Q, M, DBX的位地址。
· 比较运算：用于整数、浮点数等的等于（==）、不等于（<>）、大于（>）、小于（<）等。结果为布尔值（TRUE/FALSE），用于控制程序流。
· 算术运算：
· 整数运算：加（ADD）、减（SUB）、乘（MUL）、除（DIV）、取模（MOD）等，有Int和DInt版本。
· 浮点数运算：用于Real类型数据，实现更精确的数学计算。在TIA Portal中，通常使用“计算指令”（CALCULATE）或函数（FC）进行包含Real的复杂公式计算。
· 递增/递减：对整数进行加1/减1操作。
· 移动与转换运算：
· 移动（MOVE）：在不同存储地址间复制数据。MOVE指令会根据目标变量的数据类型自动进行长度适配和部分类型转换。
· 转换（CONVERT）：显式地在不同类型间转换，如Int_to_Real、Real_to_Int（舍入）。这是保证运算精度和正确性的关键步骤，尤其在整数与浮点数混合运算时。
· 函数与函数块运算：
· 函数（FC）：无静态存储区的子程序，通常用于执行通用的计算任务（如计算一个圆的面积）。输入输出参数通过接口传递，运算结果通过输出参数或返回值给出。内部使用临时变量（L区）。
· 函数块（FB）：有关联背景数据块（Instance DB）的子程序，具有记忆功能。用于封装具有特定状态或模式的复杂运算（如PID控制器、电机驱动器）。每次调用指定一个独有的背景DB，用于保存其内部状态（静态变量）。这是实现模块化、可重用运算逻辑的核心。
· 高级运算：通过调用系统函数（SFC/SFB）或库指令，实现移位、循环、定时、计数、寻址、通信等更复杂的运算和控制功能。
2. 运算流程示例（以温度控制为例）：
1. 信号输入：模拟量输入模块将温度传感器的4-20mA信号转换为一个数字量（例如，0-27648），在输入采样阶段被存入IW100（假设地址）。
2. 数据转换与规格化：在程序执行阶段，指令首先将IW100中的Word值通过Word_to_Int和DI_I（或直接使用Word_to_Real）转换为Real型工程量值（如 0.0 - 100.0 °C），存入DB10.Actual_Temp。
3. 设定值比较：从DB10.Setpoint_Temp读取设定值（Real），与DB10.Actual_Temp进行浮点数比较（CMP >R），结果（Bool）存入M10.0（过热标志）。
4. PID运算：调用一个PID控制函数块（如FB41），指定其背景数据块为DB41。将DB10.Actual_Temp和DB10.Setpoint_Temp作为输入传递给FB41。FB41在其背景DBDB41中保存积分、微分等历史数据，执行PID算法，运算出一个Real型的输出量，写入DB41.Output。
5. 输出处理：将DB41.Output（0.0 - 100.0%）通过Real_to_Word转换，并缩放到QW200（对应模拟量输出模块的地址）。
6. 输出刷新：在输出刷新阶段，将QW200中的值发送到模拟量输出模块，驱动调节阀。
总结
西门子PLC的数据运算是一个在确定性循环扫描框架下，通过类型化、地址化的存储系统，由CPU顺序执行用户程序指令来实现的完整过程。其核心特点是：
· 确定性：循环扫描保证了程序行为的可预测。
· 模块化：通过FC、FB和DB，将复杂运算封装成可重用的功能单元。
· 安全性：严格的数据类型和存储区隔离，防止了非法访问和误操作。
· 工程友好：符号寻址和数据类型化，使得程序更易于编写、阅读和维护。
理解存储（在哪里、以何种形式）、指令（做什么、有何要求）和扫描周期（何时做）这三者的关系，就掌握了西门子PLC数据运算的精髓。
