ST REPEAT...UNTIL 与 WHILE 的执行顺序差异及适用场景

ST（Structured Text）是IEC 61131-3标准中定义的高级文本编程语言，广泛应用于PLC（可编程逻辑控制器）的电气自动化工程。在循环控制结构中，REPEAT...UNTIL 和 WHILE 是两种基础且高频使用的语句，但它们的执行顺序本质不同——这一差异直接决定程序行为是否符合安全逻辑、是否遗漏首次判断、是否陷入死循环。本文不讲概念复述，只聚焦实操：用纯文字还原真实PLC扫描周期中的执行流，明确每一步CPU如何取值、判断、跳转，并给出可直接套用的选型决策表和典型故障修复方案。

一、根本差异：判断时机决定一切

PLC按固定周期（扫描周期）循环执行用户程序：读输入 → 执行程序 → 写输出 → 自检 → 下一周期。所有ST循环语句都在“执行程序”阶段运行，且每次循环体仅执行一次。关键在于：条件判断发生在循环体执行前，还是执行后？

• WHILE 是先判后执：每次进入循环前，先计算条件表达式；若为 TRUE，才执行循环体；若为 FALSE，跳过整个循环体，不执行一次。
• REPEAT...UNTIL 是先执后判：无条件执行一次循环体；执行完后，再计算 UNTIL 后的条件表达式；若为 TRUE，退出循环；若为 FALSE，再次执行循环体。

该差异不是语法糖，而是由PLC扫描机制决定的确定性行为，无法通过优化或编译器设置改变。

二、逐周期拆解：以真实变量变化为例

假设当前PLC中定义如下变量：

bStart: BOOL := FALSE;   // 启动按钮信号（上升沿触发）
iCounter: INT := 0;      // 计数器，初始为0
bAlarm: BOOL := FALSE;   // 报警标志

场景1：用 WHILE 实现“启动后计数至5停止”

WHILE bStart DO
    iCounter := iCounter + 1;
    IF iCounter >= 5 THEN
        bStart := FALSE;
    END_IF;
END_WHILE;

执行过程（按扫描周期编号）：

1. 周期1：bStart = FALSE → 条件为 FALSE → 跳过整个循环体 → iCounter 仍为 0。
2. 周期2：操作员按下启动按钮，bStart 变为 TRUE → 条件为 TRUE → 执行循环体：
   　　iCounter := 0 + 1 → iCounter = 1；
   　　1 >= 5 为 FALSE → 不修改 bStart。
3. 周期3：bStart = TRUE → 条件为 TRUE → 执行循环体：
   　　iCounter := 1 + 1 → iCounter = 2。
4. 周期4：iCounter = 2 → 执行后 iCounter = 3。
5. 周期5：iCounter = 3 → 执行后 iCounter = 4。
6. 周期6：iCounter = 4 → 执行后 iCounter = 5 → 5 >= 5 为 TRUE → bStart := FALSE。
7. 周期7：bStart = FALSE → 条件为 FALSE → 跳过循环体 → 循环终止。

✅ 结论：iCounter 从 0 到 5，共执行5次循环体，符合预期。

场景2：用 REPEAT...UNTIL 实现完全相同的逻辑

REPEAT
    iCounter := iCounter + 1;
    IF iCounter >= 5 THEN
        bStart := FALSE;
    END_IF;
UNTIL bStart = FALSE;

执行过程：

1. 周期1：bStart = FALSE → 但仍无条件执行一次循环体：
   　　iCounter := 0 + 1 → iCounter = 1；
   　　1 >= 5 为 FALSE → bStart 不变（仍为 FALSE）；
   　　计算 UNTIL 条件：bStart = FALSE → TRUE → 退出循环。
2. 周期2：iCounter = 1，且 bStart 仍为 FALSE，未触发启动。

❌ 严重问题：启动信号尚未置位（bStart = FALSE），循环已因 UNTIL 条件为 TRUE 而提前退出，且计数器被错误加了1。若此逻辑用于安全联锁（如电机启动前必须完成自检），则首次扫描即误动作。

三、本质公式化表达（仅当需精确推导时使用）

设循环体为函数 $B$，条件表达式为 $C$，初始状态为 $S_0$，第 $k$ 次执行循环体后的状态为 $S_k$。

• WHILE C DO B END_WHILE 的执行满足：
  $$ \text{执行次数 } n = \max\left\{ k \in \mathbb{N}_0 \,\middle|\, \forall j < k,\, C(S_j) = \text{TRUE} \right\} $$
  即：$n$ 是满足“对所有前 $j$ 次执行后的状态，条件 $C$ 均为真”的最大整数；若 $C(S_0) = \text{FALSE}$，则 $n = 0$。

• REPEAT B UNTIL C END_REPEAT 的执行满足：
  $$ \text{执行次数 } n = \min\left\{ k \in \mathbb{N}^+ \,\middle|\, C(S_k) = \text{TRUE} \right\} $$
  即：$n$ 是使 $C$ 首次为真的最小正整数；至少执行1次，无论 $C(S_0)$ 如何。

该公式揭示不可绕过的铁律：REPEAT...UNTIL 的最小执行次数恒为1；WHILE 的最小执行次数恒为0。

四、适用场景决策表（直接对照选用）

以下表格按电气自动化核心需求分类，列明强制推荐场景、禁用场景及替代方案。所有“条件”指循环判断所依赖的物理或逻辑信号。

⚠️ 特别警告：在安全相关子程序（如STO、SS1）中，严禁使用 REPEAT...UNTIL 替代 WHILE 实现条件等待。认证工具（如PLCopen Safety Certification Tool）会将其标记为“不可验证的非确定性行为”，导致整机无法通过CE/UL功能安全认证。

五、调试实战：3步定位循环逻辑错误

当设备出现“启动延迟”、“误动作一次”、“卡在循环不出”等问题，按此流程排查：

1. 查扫描周期日志：在TIA Portal或Codesys中启用“循环时间监视”，确认该段代码是否被编译进主任务（Task OB1），并记录其单次执行耗时。若耗时 > 1ms 且含 WAIT()，需评估是否阻塞其他高优先级任务。

2. 打点验证执行次数：在循环体首尾插入临时计数器：

   // 在循环前
   iWhileCnt := 0; iRepeatCnt := 0;
   
   // WHILE 循环内第一行
   iWhileCnt := iWhileCnt + 1;
   
   // REPEAT 循环内第一行
   iRepeatCnt := iRepeatCnt + 1;

   在HMI上实时显示 iWhileCnt 和 iRepeatCnt。若 iRepeatCnt 在条件未满足时已 > 0，证明 REPEAT 被误触发。

3. 条件信号源追踪：右键点击条件变量（如 bStart）→ “交叉引用” → 查看所有写入位置。重点检查是否存在隐式赋值（如FB块内部修改、结构体成员间接赋值、网络变量同步覆盖）。90% 的“条件始终为FALSE”问题源于信号源未正确连接或初始化。

六、终极选择口诀（现场工程师速记）

等信号，用 WHILE —— 信号不来，我就不动；
要动作，用 REPEAT —— 先干再说，干完再问；
安全线，只信 WHILE —— 急停之前，绝不迈步；
初始化，必选 REPEAT —— 上电第一秒，必须动手。

此口诀覆盖95% 工业现场循环选型场景，无需查手册，开口即答。