西门子PLC入门-PLC介绍

PLC全名可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。PLC由CPU、指令及数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟转换等功能单元组成。

我们来与单片机做个对比：单片机（Single-Chip Microcomputer，全称：单片微型计算机）是一种是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。

从上面的描述来看，PLC与单片机是极其相似的。他们都是具有计算机系统的可编程控制器。但他们的适用领域和用法有很大不同。PLC偏向于工业自动化领域，比如生产流水线、工业机器人、数控机床等，单片机则偏向于生活，比如家用电器。

从外形来看，单片机是一颗芯片，通过与晶振电路、复位电路等模块组成单片机最小系统。而PLC从外形看像是一个盒子，尺寸较大，其内部元件全部封装在里面，从外面是看不到任何如电阻电容之类的电子元件，只能看到很多个接线端子和指示灯，这也使得PLC能在恶劣的环境下更稳定的运行，抗干扰能力更强。当然，PLC的价格也比单片机高出很多，一台PLC的价格是千元级，这也是PLC为什么不会用于普通的家用电器。

其次，他们的工作电压也有不同，单片机工作电压一般为直流5V，而PLC工作电压为直流24V或者交流220V。所以说，单片机更像是电子产品，PLC更像是电气设备。与单片机类似，PLC输出端口一般不会直接驱动负载，一般是通过控制继电器或者接触器从而间接控制主电路。

实际上，我们可以把PLC内部看成一个单片机，只不过PLC在单片机的基础上进行了二次开发，使得其使用方式发生很大变化，并衍生了一套独立的、更方便的编程方式，同时也使其配套设备更标准化。

目前主流的PLC品牌有西门子（德国）、三菱（日本）、欧姆龙（日本）、施耐德（法国）等。国产品牌如今也在崛起，例如汇川、信捷、禾川也有不错的市场占有率。目前，西门子仍占有率最高的。

不同的品牌，其使用的编程软件也有所不同，甚至同一品牌的不同型号PLC使用的软件也不相同。比如西门子PLC就有四款编程软件，分别为STEP7 Microwin （S7-200），STEP 7- Micro/WIN SMART（是专门为S7-200 SMART 开发的编程软件），STEP7 V5.5 （S7-300,S7-400,ET200），STEP 7 V11 （S7-300,S7-400,S7-1500,S7-1200 ）。

PLC编程语言：PLC有五种标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）、结构文本化语言（ST）。对于有电路基础的人来说，梯形图是最容易学习的，因为它是用图形来编程的。梯形图与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。下图是一个简单的PLC线圈自锁梯形图（西门子），可以发现其逻辑关系与电路原理及其相似。

接下来，将以西门子S7-1200为例来介绍PLC的机构及其编程环境。

S7-1200是西门子公司新一代的模块化小型PLC。首先看看这款PLC的结构：

PLC的主体是中间的CPU，虽说是CPU，其实它集处理器、输入输出口、存储器等于一身，能够单独工作。S7-1200有三个型号的CPU可供选择，每个型号又有三个版本，每个版本对应不同的电源/输入/输出方式，使用时非常灵活。其部分参数如下图（详细参数可在西门子官网下载产品手册）：

在一些简单的控制场景下，单独一个CPU就足够应付，它自带一定数量的I/O端口，比如上表的CPU 1214C就有14个输入端口，10个输出端口。但在某些情况下，比如CPU输入输出端口不够用，或者需要用到模拟量输入输出，这时就需要扩展模块了。

首先是信号板（SB），可以看到前面的结构图，它是安装在CPU正面，安装时只需打开CPU前盖就能将信号板装入，但是只有一个信号板安装槽，所以S7-1200最多只能扩展一块信号板。除此，该安装槽也能安装RS-458接口和电池板。

如果安装了信号板输入输出口仍不够用，就需要用到信号模块（SM）了，信号模块安装于CPU右侧，通过铜针与CPU建立联系。相对于信号板，信号模块可以同时扩展多个，查看上表，CPU 1214C最多可扩展8个信号模块，可以想象8个信号模块串在一起是什么场景。有了信号模块，再也不用担心输入输出口不够用了（但是信号模块是需要占用安装空间的，扩展越多，占用空间越多）。

信号板与信号模块有很多型号可供选择，不同的型号其输入输出点数，模拟量数字量也不同。具体型号可查阅S7-1200使用手册，这里暂不细说。

另外还有通信模块（CM），其安装于CPU左侧，S7-1200最多可扩展3个通信模块。是CPU与网络建立联系的桥梁。

PROFINET接口：此接口用于编程、HMI通讯和 PLC 间的通讯。此外它还通过开放的以太网协议支持与第三方设备的通讯。程序下载时，便是通过网线将该接口与电脑以太网接口连接，该接口也可用于连接精简系列面板或者与其他PLC的以太网通讯。

我们再来看看PLC的接线图。上文我们有谈到CPU型号与版本，S7-1200的CPU有3个版本，分别为DC/DC/DC、AC/DC/RLY、DC/DC/RLY。版本号有3个参数，分别对应着电源电压/输入电压/输出电压，AC表示交流220V，DC表示直流24V，RLY表示继电器输出（继电器输出即通过220V交流电控制继电器）。可以发现PLC在这里与单片机的不同，单片机的输入输出电压是与电源电压一致的，而PLC的电源电压、输入电压和输出电压并不相同，所以PLC可能同时要用到2个电源。下面是CPU 1214C 3个版本的接线图。

另外两款CPU与1214C雷同，只是端口数不同，这里暂不细说。

接着介绍一下S7-1200的编程软件。

我们需要用到的软件为 TIA Portal（博途）软件，该软件可在“软件管家”下载安装（本软件安装教繁琐，可按照安装步骤一步一步来，以免安装失败）。TIA Portal集编程、仿真和HMI界面设计于一身，使用起来很方便。这里我们使用的是V15版本。需要注意的是，Portal不同版本并不兼容，这确实是令人抓狂的一点。

我们先看看该软件界面，下图为PLC组态，添加的设备及其连接都能在这里查看：

PLC梯形图与电路很相似，他们都有串并联结构、自锁、互锁等，但又有所差别。在梯形图最左边，有一条竖直线，我们称之为能流（可以形象的比喻成河流的源头）。判断梯形图的某个元件是否工作，即看该元件是否有能流流入（形象的说：河流源头的水是否流入该元件），这与电流也是类似的（只不过电流流动需要闭合回路，梯形图则不需要），而断开的开关能隔绝能流的流入。

-(R) 线圈复位
RS 复位置位触发器
RS 置位复位触发器
-(N)- 下降沿检测
-(P)- 上升沿检测

需要注意的是，梯形图不能以线圈开头，也不能将两个线圈串联。

PLC所有的变量都可以在PLC变量表中查到，包括其数据类型，对应的地址，名称。

以下是HMI人机界面开发界面，在这里可以发挥想象构建各种画面、动画，在这个软件也可以对人机界面进行仿真，非常方便。

如上图，序号1的按钮为下载按钮，梯形图写好后点击此按钮可将程序下载至PLC；序号2与下载相反，它可以将PLC中的程序下载至电脑；序号3是仿真按钮，点击此按钮，可使用PLCSIM组件进行梯形图仿真，其具体使用会在下次用专门的实例来介绍。

学习PLC最重要的是编程，编程最重要的是程序思路。刚开始学习梯形图都会有点不适应，因为其程序逻辑与C语言，汇编语言大不相同，必须跳出C语言的逻辑思维，用电路的逻辑思维去理解，就会发现梯形图其实很简单。

建议先尝试去看懂梯形图，找一些实例，首先理清整体结构，然后分析每个元件的作用；然后尝试在不同的控制要求下修改现有程序：最后尝试自己用自己的思路写程序。如果能自己写一些程序了，并且对思路很清楚，那说明已经理解了梯形图的含义。

当然PLC不仅仅要会编程，还要学习PLC在变频器、伺服器、PID控制等方面的应用。

本文纯属个人理解，如有错误，还请指出

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