由淺至深，一步步為你搭建通往頂尖電控工程師的階梯。

本書是以銑床綜合加工機搭配FANUC控制器為載具，詳述工具機各種功能，循序漸進了解整個系統，書中直接介紹控制器程式設計的技巧，是假設讀者對控制器的訊號已經有些了解，或者讀者能自修閱讀控制器手冊，不適合對機器與控制器完全陌生的讀者，書裡由作者親手繪製大量的圖解，輔以精準的文字說明，方便讀者按圖索驥，進而融會貫通，是想要更上一層樓的您不可或缺的隨身教科書。

台灣工具機產值居全球第五位，一直都是機械產業主流。工具機的PLC程式在控制器廠商的技術支援下，都有不錯的表現。近年來台灣工具機公司不斷擴廠、發展新產品，人才不足、訓練緩慢是普遍的問題。電控工程師在程式設計的訓練大都是師徒制，研究前輩設計的程式，在既有的程式架構，開發類似的產品。對學校剛畢業的職場新鮮人而言，最有效率的教育訓練方式是教科書搭配實做。教科書的好處是可以不斷的複習，且大家擁有相同的觀念，產品設計有一致性，大家較容易互相支援與溝通。
本書是以銑床綜合加工機搭配FANUC控制器為載具，詳述工具機各種功能，循序漸進了解整個系統。第一章是程式設計的基本觀念，是最重要的、也是最抽象的，建議新進的工程師在閱讀完第三章後，一定要再回頭看第一章。第二章是程式基本格式，要記在心理，在第三章到處都可以看到第二章的影子。第三章是工具機基本功能實用範例，重點在合理操作程序與防錯觀念，是普遍常見的寫法，從這裡可以了解工具機完整的電控系統。第四章是特殊功能的設計，是綜合PLC、MACRO、機構的應用，訓練讀者對應用程式的使用技巧。第五章是客製畫面的設計，簡單介紹C Executor的入門程式，希望能在台灣拋轉引玉，吸引更多人投入。
本書直接介紹控制器程式設計的技巧，是假設讀者對控制器的訊號已經有些了解，或者讀者能自修閱讀控制器手冊，本書不適合對機器與控制器完全陌生的讀者。本書寫作是在FANUC 18iB時代，程式內容仍然可適用於31iB，對於31iB控制器新功能沒有介紹，感到有些遺憾。工具機PLC程式設計並不是很難，各家公司都擁有不錯的程式設計能力，個人只想提供基本教材幫助後輩精英紮實入門，也是對自己的人生的努力做個紀錄。
有半年多晚上、假日都在書房寫作業，很累，也欠家人陪伴時間。寫完後、耗盡精神，校稿時、已經無力仔細校正，還好程式設計重於觀念，觀念對、除錯只是時間問題。對於本書疏失錯誤之處，還請讀者多多包涵。

第一章　　程式設計基本觀念
程式設計準備工作有：（1）.程式語法了解，（2）.規劃機構操作程序與了解操作者習慣用法，（3）.功能分類模組化，（4）.記憶體資料區規劃。
對程式設計師而言，程式語法是最容易學習的，語法錯誤在程式編譯時都會有警報提示。程式指令說明書都有「WARNING」的提醒與特殊說明地方，例如Timer函式的WARNING是：TMR的號碼不可以重複，否則TMR輸出會錯亂，修改Timer延遲時間值必須大於目前計時值，否則TMR計時會錯亂。特殊說明地方、例如Timer#1～#8是48ms為單位，可以設定較長時間約26分鐘，Timer#9以後是8ms為單位，設定時間較短、約4分鐘。類似的函式的差異、特殊函式的用途，都必須細心分析、了解。好的程式是用對的指令，簡化程式碼、增加程式的閱讀性。例如有關Timer的函式有：TMR、TMRB、TMRBF、TMRC，最常用的是TMR、精度最差的也是TMR。如果Timer時間固定且精度要求高，則可以使用TMRB與TMRBF。若Timer設定時間非常長，可以使用TMRC。例如特殊的指令有PARI、AXCTL、SFT、WINDR、WINDW等，先了解用途、記在心裡，當有需要的時候，就會想到使用。
程式設計者就像一部戲的導演，必須先寫好劇本，規劃機器操作程序。書本有章節與內容，規劃機器操作程序相對有單元大綱與細節。先將機器的功能做單元分類、以副程式包裝，然後對每一個功能單元畫出流程圖或定義標準程序。操作機器有其實務用途的考量，例如加工中途要手動換刀，例如自動執行程式中、手動刀倉上下刀具，操作需求因加工型態而異，只要是合理的狀況，就必須提供簡單方法解決。通常程式設計者對控制器加工指令不熟，認為這是控制器的功能、是操作者要學習的，這觀念大錯特錯。程式設計者要比操作者更懂得機器使用技巧，否則機器必遭客戶抱怨、慘遭修理。若程式設計者不清楚機器操作，對功能的測試就不夠嚴謹、完整，甚至輕率將問題推給客戶挖掘。基本上、工具機操作沒有國際標準，但是幾乎大同小異，操作大同是行規、小異是各家機器自有特色。令人困擾的是：操作者要求機器操作與過去使用機器的習慣一致，尤其是控制器不同時，實在很難相容。這個問題思考的方向是：目前提供的操作是否簡單、有效解決客戶的問題，若操作方式與加工型態有關，則用keep relay切換操作方式，若只是單純的個人習慣，則以個案處裡，而不寫入標準程式。對程式設計者而言，機器操作程序是沒有堅持的，只要劇本固定、合乎邏輯即可，最怕意見分歧、造成程式管理上的困難。機器的操作必須有相容性，所以第一次功能設計時、就要慎重、再慎重，任何的定義、例如M碼，也要全盤考慮。工具機的客戶大都會重複購機，若發現同家同規格機器的操作不同，必定無法被接受，到時製造商將進退失據，即使原先的操作程序有瑕疵，有時只能將就使用，導致進步空間受限。
單元功能模組化是程式設計的口頭禪，但是要劃分多細才適合。機器功能粗略劃分為伺服軸、主軸、刀庫、頭庫、周邊設備等，以主軸為例、還可以再細分為主軸旋轉、換檔、定位、攻牙、CS軸等，以主軸旋轉為例、還可以更細分為手動操作與自動操作，依此類推、可以細分到每個功能只有2～3行程式。單元功能分太細，反而瑣碎、失去分類的用意。基本上、每個單元功能間關聯性小，相同用途的操作應規劃在同一個單元功能，或者以機構模組做分類，或者以機器選購項目做分類。單元功能分類的好，同用途不同機構的程式是容易用keep relay做切換的，在閱讀程式時、不會見樹不見林的感覺，而且可以看出操作程序是連續且完整的。
PLC的記憶體很大、用不完，即使隨機定義使用也不會有記憶體不足的問題，但是顯得雜亂無章、增加管理時間。通常會根據單元功能分配R記憶體，尤其是將位元組的變數區獨立開來，給予window函式足夠大的參數記憶體，避免記憶體資料被錯誤覆蓋。將同類型的變數規劃在Data Table相同區域，將警報性質分類、alarm與message的位置分開，有系統的分類可使程式設計觀念更加清楚。當變數記憶體有根據單元功能做區隔，那麼可以輕易將A型機器的副程式直接複製到B型機器上，不用擔心記憶體位址定義錯亂。
設計程式時、必須做到：（1）.程式指令的邏輯合理性，（2）.變數名稱的定義要簡短、易懂、有規則，（3）.程式格式標準化，（4）.動作的安全考慮，（5）.符合NC訊號定義與時序，（6）.明確定義邏輯變數代表機構動作的每一個物理狀態。
在程式設計前的準備工作裡，談到研讀程式指令的注意事項，在設計程式時、更要留意。寫程式比較容易犯錯的地方是編譯器不會檢查的地方，列舉如下。（1）.資料格式有BCD與BIN，與程式指令有關，與PLC參數輸入格式有關。例如COMPB是使用BIN資料，COIN是使用BCD資料。在Ladder程式編輯軟體有System Parameter設定Counter資料格式，在控制器的Data Table也有設定資料格式，總之、相同的記憶體資料格式必須使用一致。（2）.記憶體大小不適當、造成資料被覆蓋。例如feed override G12是1個位元組記憶體，若占用2位元組，就有可能使進給速度不正確。例如PLC主軸轉數命令G32是12位元，若占用2位元組，就會覆蓋掉G33#7～#5的設定，有可能造成主軸運轉異常。例如A、B、C記憶體各占2位元組，四則運算A*B/C的值也是兩位元組，但是A*B可能超過2位元組，因此運算過程需要設定成4位元組記憶體。同時也要注意A記憶體從2位元組擴充到4位元組，是否會覆蓋到其他變數。例如使用window讀NC資料，回傳的記憶體大小可能與window的參數有關，例如伺服軸數、參數資料大小，必須保留足夠記憶體給window程式使用。（3）.注意變數的生命週期，例如COIN的執行條件不成立，則結果輸出的邏輯變數不會改變。因此函式的結果輸出邏輯值不一定符合目前最新的狀態。例如COMPB的結果寫在R9000，但是許多函式結果也都寫在R9000，因此必須在函式下一行先確認執行條件成立，再檢查R9000結果，否則R9000的結果不確定是哪一個函式的結果輸出。（4）.訊號時序先後會有不同的結果，尤其變數是脈衝訊號。（5）.若邏輯輸出變數有重複指定，則以最後的程式碼控制邏輯變數值，因此建議邏輯輸出變數不要重複。（6）.相同記憶體位址有不同的定義，使得程式邏輯錯亂。例如1個位元組原本被當作整數使用，但是又不小心將其中位元定義其他用途，看似邏輯變數輸出莫名奇妙被修改。例如使用MOVE將X0#0～#3複製到R0，若又定義R0#7為其他用途，則容易發生邏輯值錯亂。
變數名稱的定義要簡短、易懂、有規則、一致性，是好程式必要條件，為了一個好的變數名稱，即使花兩小時反覆修改也是值得的。程式設計除了功能要達到外，最重要就是方便維護、容易閱讀。好的程式就像一本小說，看著函式與變數名稱就能直接翻譯，只要對機構了解，就能立即了解程式意義，看程式就像在閱讀小說一樣輕鬆。FANUC的變數名稱在PLC螢幕最多顯示7個字母，所以盡量縮短變數名稱在7個字母內。英文的縮寫的規則是：（1）.英文單字取每個音節的子音，（2）.FANUC手冊內定訊號名稱，（3）.常見的簡寫、兩個單字取其開頭字母，（4）.特殊字元符號代表特定意義。例如handle的縮寫是HND，例如release的縮寫是RLS，spindle的縮寫是SPD，emergency的縮寫是EMG，都是取每個音節的子音，除非第一個字母是母音。FANUC手冊內定訊號名稱、例如NC start的簡寫是ST，例如M碼的旗標（flag）的簡寫是MF，輔助訊號的結束（finish）的簡寫是FIN。常見的簡寫、例如按鍵（push button）的簡寫是PB、換刀（tool change）的簡寫是TC，刀庫（magazine）的簡寫是MAZ或者MAG。特殊字元符號代表特定意義，例如「*」代表訊號是反邏輯，舉例*EMG=0就是EMG=1，意思是緊急停止發生。例如「#」代表號碼，舉例#SPD是主軸刀號、S#1是第一個主軸。例如「@」代表keep relay變數，「/」代表單字的分隔。七個字母表達一個變數完整意義是有困難的，即使有縮寫或簡寫還是不夠清楚，若同性質的東西以一個符號代替，則變數名稱的意義就更豐富了，例如燈的符號是L （lamp），電磁閥輸出是S（solenoid），感測器輸入就沒有明顯的字母可替代，可以取比較中性的字母，例如X、I、M等，本書以M為代表。以下列出常用的縮寫字，例如stop的縮寫可以是SP或STP，manual的縮寫是MAN或M，這要看變數名稱以哪7個字母較能表達完整意義。
PLC程式大都是邏輯運算，若每行程式都要用真值表分析邏輯輸出的變化，那麼看程式就非常慢且累。若程式有標準格式，請參考第二章介紹，則只要熟悉標準格式，就能快速閱讀程式。其實PLC複雜的程式功能都用函式（單一指令）包裝起來，機構控制程序都有固定模式，所以建立標準程式格式是可行的。工具機的PLC程式並不是很複雜、很難的程式，只要功能正確且方便維護即可，並不需要在這個地方標新立異，適合建立標準程式格式。
40%的PLC程式是用於正常操作機器，60%的程式是用於安全保護人與機器，即使在錯誤的操作下，不可以當機、不可以誤動作、更不可以傷害人與機器。熟悉機構的物理問題，配合嚴謹的邏輯思考，才能建構無漏洞的安全保護程式。例如考慮機器在哪些A條件可以執行，在哪些B條件下絕對不可以執行，至於其他亂七八糟的C條件（亂操作）都不必管他，程式碼只要考慮A與B條件即可，使程式更簡潔。什麼是嚴謹的邏輯思考？就是與A物理現象有關的（input、output訊號）條件都考慮進去，尤其是輸入訊號（input）要正反狀態都要考慮，例如門開與門關，刀臂上位與下位。例如主軸是盤型彈簧抓刀、油壓電磁閥鬆刀，則完整主軸抓刀狀態是：（1）.沒有鬆刀命令的輸出（output），（2）.沒有鬆刀感測器訊號、但是有抓刀感測訊號（input）。例如刀倉定位銷常態是油壓固鎖動作，則完整的刀倉停止狀態是：（1）.沒有刀倉解鎖的輸出命令（output），（2）.沒有刀倉解鎖感測器訊號、但是有刀倉固鎖感測器訊號（input），（3）.沒有刀倉正反旋轉命令輸出（output），（4）.刀倉正常停止時之計數感測器的狀態（input）。安全保護程式的大略規則是：（1）.根據機構動作的原理限制動作命令的條件，例如刀臂只能在上位旋轉，刀臂在下位時、旋轉機構是卡住的，那麼就要限定刀臂在上位旋轉。（2）.根據機構幾何空間避免干涉與碰撞，例如刀倉必須停止、刀臂才能移到刀倉側，否則刀倉與刀臂會相撞。（3）.注意人靠近機構的條件，例如操作門打開、刀庫門打開，人可以接觸到的機構都不可以移動、或是在有限條件下動作，請參考3.19章節說明。（4）.避免傷害機構壽命，例如切削液不可以污染附加頭內部，例如抽水馬達不可以空運轉，例如旋轉工作台沒有油浮、不可以旋轉。（5）.設備重大異常時，必須立刻停止，例如馬達過載。（6）.嚴謹地設定正常合理操作條件，使得錯誤操作沒有機會誤動作。（7）.異常問題發生時，機構動作命令不可以自保，否則故障排除後、機構會突然動作。任何自保訊號都要有異常結束的條件，否則會有當機的危機。
有些工具機的功能與控制器有關，尤其是伺服軸與主軸必須按照控制器要求的訊號時序，才能產生正確的功能。熟讀控制器的訊號的定義與時序的要求，不但可以產生正確的功能外，還可以減少程式碼，因為控制器也有做條件過濾，PLC不需要重複做相同的事。控制器功能手冊提出每一個功能，都有他應用的實績，絕不是憑空幻想、不切實際。控制器會根據過去使用經驗，提出一些警告訊息或建議使用方式，絕對要重視。對於控制器奇怪的功能，要極盡想像空間，去了解可能的用途，總之、一定有人使用、而且是頂尖大廠的要求，控制器大廠才有可能開發這個功能，或許可以技巧性解決自家機器遇到的難題。
從程式語言發展技術來看，物件導向已經是普遍的觀念，每個副程式都有定義出：內部使用的變數、外部使用的變數，甚至定義外部變數只能提供外部程式讀或是讀寫皆可，釐清副程式間溝通介面，避免誤用、亂用變數。程式設計者必須弄清楚這個副程式哪一個資訊對其他程式有用，然後將他定義為外部變數，這個外部變數可能由數個內部變數組合成。同理、工具機每個副程式都是一個可獨立的功能，副程式（功能）間的外部變數大都是機構的物理狀態，尤其是代表這個功能是否在執行。例如定義TC/MAC為換刀程式的執行，可用於行程極限的解除、切削液動作的暫停條件、手動操作面板的禁止條件。每一行階梯圖都有數個邏輯輸入變數、一個邏輯輸出變數，若輸出變數代表一個抽象狀態，閱讀程式就困難了，需要看前後相關程式，才能知道其意義。若輸出變數代表一個物理狀態，就比較容易理解，同時也容易用在其他行程式的輸入邏輯變數。
程式設計不要求沒有錯誤，因為還有測試、除錯階段。測試能力比程式設計能力還要重要、還要難培養，只要能測試出PLC的問題，幾乎都可以解決，只是解的漂不漂亮而已。對程式設計者而言，寫程式固然要小心與檢查，但不須反覆檢查程式，不像機械設計錯誤、須付出很大代價，測試與除錯本來就是程式設計的一部分。程式有錯是正常的、沒什麼好大驚小怪，重點在測試能力、是否能找出所有的問題。通常測試能力強的人，對機器操作與應用熟練、邏輯思考一定強，程式設計能力也不會差。好的程式測試者不一定要會寫程式，也不是隨便亂測試，可歸納的規則是：（1）.模擬每個功能合理的操作程序，並將與其他功能混合測試。（2）.假想機構任一零件損壞時，是否會有誤動作。（3）.任一操作中斷或警報，是否可以故障排除。（4）.指令不完整、操作順序顛倒、同時操作相反或相似指令與隨意操作是否會有誤動作、警報或當機。（5）.不同的操作模式，例如手動、自動、單節、開機、緊急停止等，測試各種使用狀況。（6）.模擬機構調整不佳，測試程式防錯能力。（7）.長時間地可靠度測試，不單純是測試機構問題、也是測試程式時序問題。好的程式測試者必定有豐富的測試經驗，熟知過去客服、品檢、設計遇到過的問題，才能將無限多的測試項目收斂到主要的有限項目。有些測試項目不是這麼容易做到，必須靠有技巧的模擬，甚至有危險性，測試者必須兼具18般武藝才能達成任務。通常機器的測試者大都是程式設計者，既然測試是設計程式的一部分，測試當然是設計者的工作。但是測試自己的程式會有盲點，這是不可否認的，設計者會循著自己的邏輯測試，因此程式測試者必須要有第二者，公司應該重視培養這方面人才。
只要測試出問題，剩下就是如何找原因與除錯。找問題常見方法是用視波器監測各種訊號，大部分的控制器都有提供類似的軟體功能，所以原因不難找出來。一般常見的除錯方式是少什麼條件就直接加上去，或是直接擋住某個邏輯輸出，就是見招拆招。這種方式往往是解決一個問題，又發現另外衍生問題，然後修修補補，最後程式的結構都變形了。好的程式設計者對任何除錯，都是回到程式最初的架構，以全盤考慮的方式去修改。所以結構化程式的特徵是：除錯時、要修改的程式碼是最少的，或許只是加減一個邏輯條件。反之、大改程式就是程式結構化不佳，或著到處程式碼都有特例條件，程式看起來凌亂，這都是不好程式的特徵。如果每個機構的物理狀態都有一個變數代表，那麼修改程式碼會是最簡潔。
寫PLC程式並不難，每個人都有自己的風格與寫法，寫100行與寫1行程式碼的成本是一樣的，程式簡潔與複雜對操作者是一樣的，只要最終輸出訊號時序正確、功能就會正確。但是對程式設計師而言，設計與思考的訓練可以用在其他研發計畫，故須以嚴謹態度將PLC程式設計更加理想。程式設計的觀念是非常重要，若沒有實際設計的經驗，會覺得這些觀念只是空談，有聽沒有感覺，建議讀者有實際設計程式之後，一定要再回頭看本章，定有收穫。

以上內容節錄自《工具機PLC程式設計》周國華◎著/白象文化出版

周國華

生於1970年，畢業於清華大學動力機械研究所，專長於工具機軟體應用設計與機器性能分析與量測。