1.1 PLC概述

1.1.1 PLC的产生及定义

1.PLC的产生

20世纪60年代，当时的工业控制主要是以继电器-接触器为主的控制系统。该系统存在的缺点有：设备体积大，调试和维护工作量大，通用性及灵活性差，可靠性低，功能简单，不具有现代工业控制所需要的数据通信、运动控制及网络控制等功能。

1968年，美国通用汽车公司为了适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以解决继电器-接触器控制系统普遍存在的问题。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点与继电器控制系统的简单易懂、操作方便和价格便宜等优点结合起来，制成一种适于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。

1969年，美国数字设备公司根据通用汽车公司的要求研制成功第一台可编程序控制器，称之为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC），并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。

2.PLC的定义

1985年，国际电工委员会（IEC）将PLC定义为：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计。它作为可编程序的存储器，用来在其内部存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，且通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC是可编程序逻辑控制器的英文缩写，随着科技的不断发展，现已远远超出逻辑控制功能，应称之为可编程序控制器（PC），但为了与个人计算机（Personal Computer, PC）相区别，故仍将可编程序控制器简称为PLC。几款常见的PLC外形如图1-1所示。

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1.1.2 PLC的结构及特点

1.PLC的结构

PLC一般由CPU（中央处理器）、存储器、输入/输出模块和通信接口几部分组成，PLC的结构框图如图1-2所示。

（1）CPU

CPU的功能是完成PLC内所有的控制和监视操作，一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过控制总线、地址总线和数据总线与存储器、输入/输出接口电路连接。

（2）存储器

在PLC中有两种存储器：系统程序存储器和用户程序存储器。

系统程序存储器用来存放由PLC生产厂家编写好的系统程序，并固化在ROM（只读存储器）内，用户不能直接更改。存储器中的程序负责解释和编译用户编写的程序、监控I/O接口的状态、对PLC进行自诊断、扫描PLC中的用户程序等。

用户程序存储器是用来存放用户根据控制要求而编制的应用程序。用户程序存储器属于随机存储器（RAM），主要用于存储中间计算结果和数据、系统管理，主要包括I/O状态存储器和数据存储器。目前，大多数PLC采用可随时读写的快闪存储器（Flash）作为用户程序存储器，它不需要后备电池，掉电时数据也不会丢失。

（3）输入/输出模块

PLC的输入/输出模块是PLC与工业现场设备相连接的接口。PLC的输入/输出信号可以是数字量或模拟量，其接口是PLC内部弱电信号和工业现场强电信号联系的桥梁。接口主要起到隔离保护作用（电隔离电路使工业现场与PLC内部进行隔离）和信号调整作用（把不同的信号调整成CPU可以处理的信号）。

2.PLC的特点

（1）编程简单，容易掌握

梯形图是使用最多的PLC编程语言，其电路符号和表达式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员很快就能学会梯形图语言，并用它来编制用户程序。

（2）功能强，性价比高

PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元器件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与功能相同的继电器控制系统相比，具有很高的性价比。

（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系列化和模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

（4）可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，PLC外部仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元器件，使因触点接触不良造成的故障大为减少。

（5）系统的设计、安装、调试及维护工作量少

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器等器件，控制柜的设计、安装和接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以先模拟调试通过后再到生产现场进行联机调试，这样可减少现场的调试工作量，缩短设计、调试周期。

（6）体积小、重量轻、功耗低

复杂的控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器的使用，而且PLC的体积较小，结构紧凑、坚固、重量轻、功耗低。由于PLC的抗干扰能力强，易于装入设备内部，因此是实现机电一体化的理想控制设备。

1.1.3 PLC的工作过程

PLC采用循环扫描的工作方式，其工作过程主要分为3个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，PLC的工作过程如图1-3所示。

（1）输入采样阶段

PLC在开始执行程序之前，首先按顺序将所有输入端子信号读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。PLC在运行程序时，所需要的输入信号不是取自现时输入端子上的信息，而是取自输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个输入采样阶段才会被刷新。

（2）程序执行阶段

PLC按顺序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算和处理。再将程序执行的结果写入到输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会被送到输出端子上。

（3）输出刷新阶段

在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到寄存输出状态的输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。

PLC重复执行上述3个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。PLC在一个工作周期中，输入采样阶段和输出刷新阶段的时间一般为毫秒级，而程序执行时间因用户程序的长度而不同，一般容量为1KB的程序扫描时间为10ms左右。

1.1.4 PLC的编程语言

PLC有5种编程语言：梯形图[1]（Ladder Diagram, LD）、语句表（Statement List, STL）、功能块图（Function Block Diagram, FBD）、顺序功能图（Sequential Function Chart, SFC）、结构文本（Structured Text, ST）。最常用的是梯形图和语句表，如图1-4所示。

1.梯形图

梯形图是使用最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图相似，具有直观易懂的优点，很容易被工程技术人员所熟悉和掌握。梯形图程序设计语言具有以下特点：

1）梯形图由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。

2）梯形图中触点只有常开和常闭，触点可以是PLC输入点接的开关，也可以是PLC内部继电器的触点或内部寄存器、计数器等的状态。

3）梯形图中的触点可以任意串、并联。

4）内部继电器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能作为中间结果使用。

5）PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，同一扫描周期中的结果留在输出状态寄存器中，所以输出点的值在用户程序中可以当成条件使用。

2.语句表

语句表是使用助记符来书写程序的，又称为指令表，类似于汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，属于PLC的基本编程语言。它具有以下特点：

1）利用助记符号表示操作功能，容易记忆，便于掌握。

2）在编程设备的键盘上就可以进行编程设计，便于操作。

3）一般PLC程序的梯形图和语句表可以互相转换。

4）部分梯形图及另外几种编程语言无法表达的PLC程序，必须使用语句表才能编程。

3.功能块图

功能块图采用类似于逻辑门电路的图形符号，逻辑直观、使用方便，如图1-5所示。该编程语言中的方框左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号从左向右流动，图1-4的控制逻辑与图1-5相同。

功能块图程序设计语言有如下特点：

1）以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易。

2）功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性。

3）对控制规模较大、控制关系较复杂的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因此编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少。

4.顺序功能图

顺序功能图也称为流程图或状态转移图，是一种图形化的功能性说明语言，专用于描述工业顺序控制程序，使用它可以对具有并行、选择等复杂结构的系统进行编程。顺序功能图程序设计语言有如下特点：

1）以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通。

2）对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，从而节省程序设计时间和调试时间。

3）常用于系统规模较大，程序关系较复杂的场合。

4）整个程序的扫描时间较其他程序设计语言编制的程序扫描时间大大缩短。

5.结构文本

结构文本是一种高级的文本语言，可以用来描述功能、功能块和程序的行为，还可以在顺序功能流程图中描述步、动作和转换的行为。结构文本程序设计语言有如下特点：

1）采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算。

2）需要具备计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员要求较高。

3）直观性和易操作性较差。

4）常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制场合。

本书以西门子公司新一代小型PLC S7-1200为讲授对象，它使用梯形图、功能块图和结构化控制语言SCL这三种编程语言，本书仅介绍梯形图。

1.1.5 S7-1200 PLC的CPU模块

S7-1200是西门子公司推出的新一代小型PLC，它将微处理器、集成电源、输入和输出电路组合到一个设计紧凑的外壳中，它具有集成的PROFINET接口、强大的工艺集成性和灵活的可扩展性等特点，为各种小型设备提供简单的通信和有效的解决方案。

打开其编程软件可见S7-1200目前有8种型号CPU模块，CPU 1211C、CPU 1212C、CPU 1214C、CPU 1215C、CPU 1217C、CPU 1212FC、CPU 1214FC、CPU 1215FC，如图1-6所示。

S7-1200 PLC CPU模块的外形及结构（已拆卸上、下两盖板）如图1-7所示，其中①是3个指示CPU运行状态的LED（发光二极管）；②是集成I/O（输入/输出）的状态LED；③是信号板安装处（安装时拆除盖板）；④是PROFINET以太网接口的RJ-45连接器；⑤是存储器插槽（在盖板下面）；⑥是可拆卸的接线端子板。

1.CPU面板

S7-1200 PLC不同型号的CPU面板是类似的，在此以CPU 1214C为例进行介绍：CPU有3类运行状态指示灯，用于提供CPU模块的运行状态信息。

（1）STOP/RUN指示灯

STOP/RUN指示灯的颜色为纯黄色时指示STOP模式，纯绿色时指示RUN模式，绿色和黄色交替闪烁时指示CPU正在启动。

（2）ERROR指示灯

ERROR指示灯为红色闪烁状态时指示有错误，如CPU内部错误、存储卡错误或组态错误（模块不匹配）等，纯红色时指示硬件出现故障。

（3）MAINT指示灯

MAINT指示灯在每次插入存储卡时闪烁。

CPU模块上的I/O状态指示灯用来指示各数字量输入或输出的信号状态。

CPU模块上提供了一个以太网通信接口用于实现以太网通信，还提供了两个可指示以太网通信状态的指示灯。其中“Link”（绿色）点亮表示连接成功，“Rx/Tx”（黄色）点亮指示进行传输活动。

拆卸下CPU上的挡板可以安装一个信号板（Signal Board, SB），通过信号板可以在不增加空间的前提下给CPU增加数字量或模块量的I/O点数。

2.CPU技术性能指标

S7-1200 PLC是西门子公司2009年推出的面向离散自动化系统和独立自动化系统的紧凑型自动化产品，定位在原有的S7-200 PLC和S7-300 PLC产品之间。表1-1给出了目前S7-1200 PLC系列不同型号CPU的性能指标。

CPU 1211C、CPU 1212C、CPU 1214C、CPU 1215C四款CPU又根据电源信号、输入信号、输出信号的类型各有三种版本，分别为DC/DC/DC、DC/DC/RLY, AC/DC/RLY、其中DC表示直流、AC表示交流、RLY（Relay）表示继电器，如表1-2所示。

视频“S7-1200 PLC的硬件模块”可通过扫描二维码1-2播放。

1.1.6 TIA Portal V16编程软件

TIA（Totally Integrated Automation，全集成自动化）博途（Portal）是西门子公司推出的全集成自动化软件平台，它将PLC编程软件、运动控制软件、可视化的组态软件集成在一起，形成功能强大的自动化软件。本书使用STEP 7 Professional V16对S7-1200 PLC进行编程。

STEP 7（TIA Portal）为用户提供两种视图：Portal（门户）视图和项目视图。用户可以在两种不同的视图中选择一种最适合的视图，两种视图可以相互切换。

1.Portal视图

Portal视图如图1-8所示，在Portal视图中，可以概览自动化项目的所有任务。初学者可以借助面向任务的用户指南（类似于向导操作，可以一步一步进行相应的选择），以及最适合其自动化任务的编辑器来进行工程组态。

选择不同的“入口任务”可处理启动、设备与网络、PLC编程、运动控制、可视化、在线与诊断等工程任务。在已经选择的任务入口中可以找到相应的操作，例如选择“启动”任务后，可以进行“打开现有项目”“创建新项目”“移植项目”“关闭项目”等操作。

2.项目视图

项目视图如图1-9所示，在项目视图中，整个项目按多层结构显示在项目树中，在项目视图中可以直接访问所有的编辑器、参数和数据，并进行高效的工程组态和编程，本书主要使用项目视图。

项目视图类似于Windows界面，包括项目树、详细视图、工作区、巡视窗口、编辑器栏和任务卡等。

（1）项目树

项目视图的左侧为项目树（或项目浏览器），即标有①的区域，可以用项目树访问所有设备和项目数据，添加新的设备，编辑已有的设备，打开处理项目数据的编辑器。

单击项目树右上角的按钮，项目树和下面标有②的详细视图消失，同时在最左边的垂直条的上端出现按钮。单击它将打开项目树和详细视图。可以用类似的方法隐藏和显示右边标有⑥的任务卡。

将鼠标的光标放到两个显示窗口的交界处，出现带双向箭头的光标时，按住鼠标的左键移动鼠标，可以移动分界线，以调节分界线两边的窗口大小。

（2）详细视图

项目树窗口下面标有②的区域是详细视图，详细视图显示项目树被选中的对象下一级的内容。图1-9中的详细视图显示的是项目树的“PLC变量”文件夹中的内容。详细视图中若为已打开项目中的变量，可以将此变量直接拖放到梯形中。

单击详细视图左上角的按钮，详细视图被关闭，只剩下紧靠“Portal视图”的标题，标题左边的按钮变为。单击该按钮，将重新显示详细视图。可以用类似的方法显示和隐藏标有⑤的巡视窗口和标有⑦的信息窗口。

（3）工作区

标有③的区域为工作区，可以同时打开几个编辑器，但是一般只能在工作区同时显示一个当前打开的编辑器。打开的编辑器会在最下面标有⑧的编辑器栏中显示。没有打开编辑器时，工作区是空的。

单击工具栏上的、按钮，可以垂直或水平拆分工作区，同时显示两个编辑器。

在工作区同时打开程序编辑器和设备视图，将设备视图中的CPU放大到200%以上，可以将CPU上的I/O点拖放到程序编辑器中指令的地址域，这样不仅能快速设置指令的地址，还能在PLC变量表中创建相应的条目。也可以用上述方法将CPU上的I/O点拖放到PLC变量中。

单击工作区右上角上的按钮，将工作区最大化，并关闭其他所有的窗口。最大化工作区后，单击工作区右上角的按钮，工作区将恢复原状。

图1-9的工作区显示的是硬件与网络编辑器的“设备视图”选项卡，可以用来组态硬件。选中“网络视图”选项卡，将打开网络视图。

可以将硬件列表中需要的设备或模块拖放到工作区的硬件视图和网络视图中。

显示设备视图或网络视图时，标有④的区域为设备概览区或网络概览区。

（4）巡视窗口

标有⑤的区域为巡视窗口，用来显示选中的工作区中对象的附加信息，还可以用巡视窗口来设置对象的属性。巡视窗口有3个选项卡：

1）“属性”选项卡用来显示和修改选中的工作区中的对象的属性。左边窗口是浏览窗口，选中其中的某个参数组，可以在右边窗口显示和编辑相应的信息或参数。

2）“信息”选项卡用来显示所选对象和操作的详细信息，以及编译的报警信息。

3）“诊断”选项卡用来显示系统诊断事件和组态的报警事件。

（5）编辑器栏

巡视窗口下面标有⑧的区域是编辑器栏，显示所有打开的编辑器，可以在编辑器栏快速切换工作区中显示的编辑器。

（6）任务卡

标有⑥的区域为任务卡，任务卡的功能与编辑器有关。可以通过任务卡进行进一步的或附加操作。例如从库或硬件目录中选择对象，搜索与替换项目中的对象，将预定义的对象拖放到工作区。

可以用最右边竖条上的按钮来切换任务卡显示的内容。图1-9中的任务卡显示的是硬件目录，任务卡的下面标有⑦的区域是选中的硬件对象的信息窗口，包括对象的图形、名称、版本号、订货号和简要的描述。

视频“博途软件的视窗介绍”可通过扫描二维码1-3播放。