1.1 PLC概述

1.1.1 PLC的產生及定義

1.PLC的產生

20世紀60年代，當時的工業控制主要是以繼電器-接觸器為主的控制系統。該系統存在的缺點有：設備體積大，調試和維護工作量大，通用性及靈活性差，可靠性低，功能簡單，不具有現代工業控制所需要的數據通信、運動控制及網絡控制等功能。

1968年，美國通用汽車公司為了適應汽車型號的不斷翻新，試圖尋找一種新型的工業控制器，以解決繼電器-接觸器控制系統普遍存在的問題。因而設想把計算機的完備功能、靈活及通用等優點與繼電器控制系統的簡單易懂、操作方便和價格便宜等優點結合起來，制成一種適于工業環境的通用控制裝置，并把計算機的編程方法和程序輸入方式加以簡化，使不熟悉計算機的人也能方便地使用。

1969年，美國數字設備公司根據通用汽車公司的要求研制成功第一臺可編程序控制器，稱之為可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC），并在通用汽車公司的自動裝配線上試用成功，從而開創了工業控制的新局面。

2.PLC的定義

1985年，國際電工委員會（IEC）將PLC定義為：可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為工業環境下的應用而設計。它作為可編程序的存儲器，用來在其內部存儲并執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，且通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。

PLC是可編程序邏輯控制器的英文縮寫，隨著科技的不斷發展，現已遠遠超出邏輯控制功能，應稱之為可編程序控制器（PC），但為了與個人計算機（Personal Computer, PC）相區別，故仍將可編程序控制器簡稱為PLC。幾款常見的PLC外形如圖1-1所示。

視頻“PLC的產生與發展”可通過掃描二維碼1-1播放。

1.1.2 PLC的結構及特點

1.PLC的結構

PLC一般由CPU（中央處理器）、存儲器、輸入/輸出模塊和通信接口幾部分組成，PLC的結構框圖如圖1-2所示。

（1）CPU

CPU的功能是完成PLC內所有的控制和監視操作，一般由控制器、運算器和寄存器組成。CPU通過控制總線、地址總線和數據總線與存儲器、輸入/輸出接口電路連接。

（2）存儲器

在PLC中有兩種存儲器：系統程序存儲器和用戶程序存儲器。

系統程序存儲器用來存放由PLC生產廠家編寫好的系統程序，并固化在ROM（只讀存儲器）內，用戶不能直接更改。存儲器中的程序負責解釋和編譯用戶編寫的程序、監控I/O接口的狀態、對PLC進行自診斷、掃描PLC中的用戶程序等。

用戶程序存儲器是用來存放用戶根據控制要求而編制的應用程序。用戶程序存儲器屬于隨機存儲器（RAM），主要用于存儲中間計算結果和數據、系統管理，主要包括I/O狀態存儲器和數據存儲器。目前，大多數PLC采用可隨時讀寫的快閃存儲器（Flash）作為用戶程序存儲器，它不需要后備電池，掉電時數據也不會丟失。

（3）輸入/輸出模塊

PLC的輸入/輸出模塊是PLC與工業現場設備相連接的接口。PLC的輸入/輸出信號可以是數字量或模擬量，其接口是PLC內部弱電信號和工業現場強電信號聯系的橋梁。接口主要起到隔離保護作用（電隔離電路使工業現場與PLC內部進行隔離）和信號調整作用（把不同的信號調整成CPU可以處理的信號）。

2.PLC的特點

（1）編程簡單，容易掌握

梯形圖是使用最多的PLC編程語言，其電路符號和表達式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術人員很快就能學會梯形圖語言，并用它來編制用戶程序。

（2）功能強，性價比高

PLC內有成百上千個可供用戶使用的編程元器件，有很強的功能，可以實現非常復雜的控制功能。與功能相同的繼電器控制系統相比，具有很高的性價比。

（3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強

PLC產品已經標準化、系列化和模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統配置，組成不同功能、不同規模的系統。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應工藝條件的變化。

（4）可靠性高，抗干擾能力強

傳統的繼電器控制系統使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現故障。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，PLC外部僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件元器件，使因觸點接觸不良造成的故障大為減少。

（5）系統的設計、安裝、調試及維護工作量少

由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器等器件，控制柜的設計、安裝和接線工作量大為減少。同時，PLC的用戶程序可以先模擬調試通過后再到生產現場進行聯機調試，這樣可減少現場的調試工作量，縮短設計、調試周期。

（6）體積小、重量輕、功耗低

復雜的控制系統使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器的使用，而且PLC的體積較小，結構緊湊、堅固、重量輕、功耗低。由于PLC的抗干擾能力強，易于裝入設備內部，因此是實現機電一體化的理想控制設備。

1.1.3 PLC的工作過程

PLC采用循環掃描的工作方式，其工作過程主要分為3個階段：輸入采樣階段、程序執行階段和輸出刷新階段，PLC的工作過程如圖1-3所示。

（1）輸入采樣階段

PLC在開始執行程序之前，首先按順序將所有輸入端子信號讀入到寄存輸入狀態的輸入映像寄存器中存儲，這一過程稱為采樣。PLC在運行程序時，所需要的輸入信號不是取自現時輸入端子上的信息，而是取自輸入映像寄存器中的信息。在本工作周期內這個采樣結果的內容不會改變，只有到下一個輸入采樣階段才會被刷新。

（2）程序執行階段

PLC按順序進行掃描，即從上到下、從左到右地掃描每條指令，并分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數據進行運算和處理。再將程序執行的結果寫入到輸出映像寄存器中保存。但這個結果在全部程序未執行完畢之前不會被送到輸出端子上。

（3）輸出刷新階段

在執行完用戶所有程序后，PLC將輸出映像寄存器中的內容送到寄存輸出狀態的輸出鎖存器中進行輸出，驅動用戶設備。

PLC重復執行上述3個階段，每重復一次的時間稱為一個掃描周期。PLC在一個工作周期中，輸入采樣階段和輸出刷新階段的時間一般為毫秒級，而程序執行時間因用戶程序的長度而不同，一般容量為1KB的程序掃描時間為10ms左右。

1.1.4 PLC的編程語言

PLC有5種編程語言：梯形圖[1]（Ladder Diagram, LD）、語句表（Statement List, STL）、功能塊圖（Function Block Diagram, FBD）、順序功能圖（Sequential Function Chart, SFC）、結構文本（Structured Text, ST）。最常用的是梯形圖和語句表，如圖1-4所示。

1.梯形圖

梯形圖是使用最多的PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器控制系統的電路圖相似，具有直觀易懂的優點，很容易被工程技術人員所熟悉和掌握。梯形圖程序設計語言具有以下特點：

1）梯形圖由觸點、線圈和用方框表示的功能塊組成。

2）梯形圖中觸點只有常開和常閉，觸點可以是PLC輸入點接的開關，也可以是PLC內部繼電器的觸點或內部寄存器、計數器等的狀態。

3）梯形圖中的觸點可以任意串、并聯。

4）內部繼電器、寄存器等均不能直接控制外部負載，只能作為中間結果使用。

5）PLC是按循環掃描事件，沿梯形圖先后順序執行，同一掃描周期中的結果留在輸出狀態寄存器中，所以輸出點的值在用戶程序中可以當成條件使用。

2.語句表

語句表是使用助記符來書寫程序的，又稱為指令表，類似于匯編語言，但比匯編語言通俗易懂，屬于PLC的基本編程語言。它具有以下特點：

1）利用助記符號表示操作功能，容易記憶，便于掌握。

2）在編程設備的鍵盤上就可以進行編程設計，便于操作。

3）一般PLC程序的梯形圖和語句表可以互相轉換。

4）部分梯形圖及另外幾種編程語言無法表達的PLC程序，必須使用語句表才能編程。

3.功能塊圖

功能塊圖采用類似于邏輯門電路的圖形符號，邏輯直觀、使用方便，如圖1-5所示。該編程語言中的方框左側為邏輯運算的輸入變量，右側為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運算，方框被“導線”連接在一起，信號從左向右流動，圖1-4的控制邏輯與圖1-5相同。

功能塊圖程序設計語言有如下特點：

1）以功能模塊為單位，從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變得容易。

2）功能模塊是用圖形化的方法描述功能，它的直觀性大大方便了設計人員的編程和組態，有較好的易操作性。

3）對控制規模較大、控制關系較復雜的系統，由于控制功能的關系可以較清楚地表達出來，因此編程和組態時間可以縮短，調試時間也能減少。

4.順序功能圖

順序功能圖也稱為流程圖或狀態轉移圖，是一種圖形化的功能性說明語言，專用于描述工業順序控制程序，使用它可以對具有并行、選擇等復雜結構的系統進行編程。順序功能圖程序設計語言有如下特點：

1）以功能為主線，條理清楚，便于對程序操作的理解和溝通。

2）對大型的程序，可分工設計，采用較為靈活的程序結構，從而節省程序設計時間和調試時間。

3）常用于系統規模較大，程序關系較復雜的場合。

4）整個程序的掃描時間較其他程序設計語言編制的程序掃描時間大大縮短。

5.結構文本

結構文本是一種高級的文本語言，可以用來描述功能、功能塊和程序的行為，還可以在順序功能流程圖中描述步、動作和轉換的行為。結構文本程序設計語言有如下特點：

1）采用高級語言進行編程，可以完成較復雜的控制運算。

2）需要具備計算機高級程序設計語言的知識和編程技巧，對編程人員要求較高。

3）直觀性和易操作性較差。

4）常被用于采用功能模塊等其他語言較難實現的一些控制場合。

本書以西門子公司新一代小型PLC S7-1200為講授對象，它使用梯形圖、功能塊圖和結構化控制語言SCL這三種編程語言，本書僅介紹梯形圖。

1.1.5 S7-1200 PLC的CPU模塊

S7-1200是西門子公司推出的新一代小型PLC，它將微處理器、集成電源、輸入和輸出電路組合到一個設計緊湊的外殼中，它具有集成的PROFINET接口、強大的工藝集成性和靈活的可擴展性等特點，為各種小型設備提供簡單的通信和有效的解決方案。

打開其編程軟件可見S7-1200目前有8種型號CPU模塊，CPU 1211C、CPU 1212C、CPU 1214C、CPU 1215C、CPU 1217C、CPU 1212FC、CPU 1214FC、CPU 1215FC，如圖1-6所示。

S7-1200 PLC CPU模塊的外形及結構（已拆卸上、下兩蓋板）如圖1-7所示，其中①是3個指示CPU運行狀態的LED（發光二極管）；②是集成I/O（輸入/輸出）的狀態LED；③是信號板安裝處（安裝時拆除蓋板）；④是PROFINET以太網接口的RJ-45連接器；⑤是存儲器插槽（在蓋板下面）；⑥是可拆卸的接線端子板。

1.CPU面板

S7-1200 PLC不同型號的CPU面板是類似的，在此以CPU 1214C為例進行介紹：CPU有3類運行狀態指示燈，用于提供CPU模塊的運行狀態信息。

（1）STOP/RUN指示燈

STOP/RUN指示燈的顏色為純黃色時指示STOP模式，純綠色時指示RUN模式，綠色和黃色交替閃爍時指示CPU正在啟動。

（2）ERROR指示燈

ERROR指示燈為紅色閃爍狀態時指示有錯誤，如CPU內部錯誤、存儲卡錯誤或組態錯誤（模塊不匹配）等，純紅色時指示硬件出現故障。

（3）MAINT指示燈

MAINT指示燈在每次插入存儲卡時閃爍。

CPU模塊上的I/O狀態指示燈用來指示各數字量輸入或輸出的信號狀態。

CPU模塊上提供了一個以太網通信接口用于實現以太網通信，還提供了兩個可指示以太網通信狀態的指示燈。其中“Link”（綠色）點亮表示連接成功，“Rx/Tx”（黃色）點亮指示進行傳輸活動。

拆卸下CPU上的擋板可以安裝一個信號板（Signal Board, SB），通過信號板可以在不增加空間的前提下給CPU增加數字量或模塊量的I/O點數。

2.CPU技術性能指標

S7-1200 PLC是西門子公司2009年推出的面向離散自動化系統和獨立自動化系統的緊湊型自動化產品，定位在原有的S7-200 PLC和S7-300 PLC產品之間。表1-1給出了目前S7-1200 PLC系列不同型號CPU的性能指標。

CPU 1211C、CPU 1212C、CPU 1214C、CPU 1215C四款CPU又根據電源信號、輸入信號、輸出信號的類型各有三種版本，分別為DC/DC/DC、DC/DC/RLY, AC/DC/RLY、其中DC表示直流、AC表示交流、RLY（Relay）表示繼電器，如表1-2所示。

視頻“S7-1200 PLC的硬件模塊”可通過掃描二維碼1-2播放。

1.1.6 TIA Portal V16編程軟件

TIA（Totally Integrated Automation，全集成自動化）博途（Portal）是西門子公司推出的全集成自動化軟件平臺，它將PLC編程軟件、運動控制軟件、可視化的組態軟件集成在一起，形成功能強大的自動化軟件。本書使用STEP 7 Professional V16對S7-1200 PLC進行編程。

STEP 7（TIA Portal）為用戶提供兩種視圖：Portal（門戶）視圖和項目視圖。用戶可以在兩種不同的視圖中選擇一種最適合的視圖，兩種視圖可以相互切換。

1.Portal視圖

Portal視圖如圖1-8所示，在Portal視圖中，可以概覽自動化項目的所有任務。初學者可以借助面向任務的用戶指南（類似于向導操作，可以一步一步進行相應的選擇），以及最適合其自動化任務的編輯器來進行工程組態。

選擇不同的“入口任務”可處理啟動、設備與網絡、PLC編程、運動控制、可視化、在線與診斷等工程任務。在已經選擇的任務入口中可以找到相應的操作，例如選擇“啟動”任務后，可以進行“打開現有項目”“創建新項目”“移植項目”“關閉項目”等操作。

2.項目視圖

項目視圖如圖1-9所示，在項目視圖中，整個項目按多層結構顯示在項目樹中，在項目視圖中可以直接訪問所有的編輯器、參數和數據，并進行高效的工程組態和編程，本書主要使用項目視圖。

項目視圖類似于Windows界面，包括項目樹、詳細視圖、工作區、巡視窗口、編輯器欄和任務卡等。

（1）項目樹

項目視圖的左側為項目樹（或項目瀏覽器），即標有①的區域，可以用項目樹訪問所有設備和項目數據，添加新的設備，編輯已有的設備，打開處理項目數據的編輯器。

單擊項目樹右上角的按鈕，項目樹和下面標有②的詳細視圖消失，同時在最左邊的垂直條的上端出現按鈕。單擊它將打開項目樹和詳細視圖。可以用類似的方法隱藏和顯示右邊標有⑥的任務卡。

將鼠標的光標放到兩個顯示窗口的交界處，出現帶雙向箭頭的光標時，按住鼠標的左鍵移動鼠標，可以移動分界線，以調節分界線兩邊的窗口大小。

（2）詳細視圖

項目樹窗口下面標有②的區域是詳細視圖，詳細視圖顯示項目樹被選中的對象下一級的內容。圖1-9中的詳細視圖顯示的是項目樹的“PLC變量”文件夾中的內容。詳細視圖中若為已打開項目中的變量，可以將此變量直接拖放到梯形中。

單擊詳細視圖左上角的按鈕，詳細視圖被關閉，只剩下緊靠“Portal視圖”的標題，標題左邊的按鈕變為。單擊該按鈕，將重新顯示詳細視圖。可以用類似的方法顯示和隱藏標有⑤的巡視窗口和標有⑦的信息窗口。

（3）工作區

標有③的區域為工作區，可以同時打開幾個編輯器，但是一般只能在工作區同時顯示一個當前打開的編輯器。打開的編輯器會在最下面標有⑧的編輯器欄中顯示。沒有打開編輯器時，工作區是空的。

單擊工具欄上的、按鈕，可以垂直或水平拆分工作區，同時顯示兩個編輯器。

在工作區同時打開程序編輯器和設備視圖，將設備視圖中的CPU放大到200%以上，可以將CPU上的I/O點拖放到程序編輯器中指令的地址域，這樣不僅能快速設置指令的地址，還能在PLC變量表中創建相應的條目。也可以用上述方法將CPU上的I/O點拖放到PLC變量中。

單擊工作區右上角上的按鈕，將工作區最大化，并關閉其他所有的窗口。最大化工作區后，單擊工作區右上角的按鈕，工作區將恢復原狀。

圖1-9的工作區顯示的是硬件與網絡編輯器的“設備視圖”選項卡，可以用來組態硬件。選中“網絡視圖”選項卡，將打開網絡視圖。

可以將硬件列表中需要的設備或模塊拖放到工作區的硬件視圖和網絡視圖中。

顯示設備視圖或網絡視圖時，標有④的區域為設備概覽區或網絡概覽區。

（4）巡視窗口

標有⑤的區域為巡視窗口，用來顯示選中的工作區中對象的附加信息，還可以用巡視窗口來設置對象的屬性。巡視窗口有3個選項卡：

1）“屬性”選項卡用來顯示和修改選中的工作區中的對象的屬性。左邊窗口是瀏覽窗口，選中其中的某個參數組，可以在右邊窗口顯示和編輯相應的信息或參數。

2）“信息”選項卡用來顯示所選對象和操作的詳細信息，以及編譯的報警信息。

3）“診斷”選項卡用來顯示系統診斷事件和組態的報警事件。

（5）編輯器欄

巡視窗口下面標有⑧的區域是編輯器欄，顯示所有打開的編輯器，可以在編輯器欄快速切換工作區中顯示的編輯器。

（6）任務卡

標有⑥的區域為任務卡，任務卡的功能與編輯器有關。可以通過任務卡進行進一步的或附加操作。例如從庫或硬件目錄中選擇對象，搜索與替換項目中的對象，將預定義的對象拖放到工作區。

可以用最右邊豎條上的按鈕來切換任務卡顯示的內容。圖1-9中的任務卡顯示的是硬件目錄，任務卡的下面標有⑦的區域是選中的硬件對象的信息窗口，包括對象的圖形、名稱、版本號、訂貨號和簡要的描述。

視頻“博途軟件的視窗介紹”可通過掃描二維碼1-3播放。