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1.1 概述可编程序控制器（Programmable LogicController）简称PLC，*电工**（IEC）于1985年对可编程序控制器作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，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，都应按易于与工业
控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则设计。PLC是一种工业计算机，其种类繁多，不同厂家的产品有各自的特点，但作为工业标准设备，可编程序控制器又有一定的共性。
1.1.1PLC的发展历史20世纪60年代以前，汽车生产线的自动控制系统基本上都由继电器控制装置构成。当时每次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，福特汽车公司的老板曾经说：“不管顾客需要什么，我生产的汽车都是黑色的”，从侧面反映汽车改型和升级换代比较困难。为了改变这一现状，1969年，美国的通用汽车公司（GM）公开招标，要求用新的装置取代继电器控制装置，并提出十项招标指标，要求编程方便、现场可修改程序、维修方便、采用模块化设计、体积小以及可与计算机通信等。同一年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上*台可编程序控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并**了满意的效果，可编程序控制器从此诞生。由于当时的PLC只能取代继电器接触器控制，功能**于逻辑运算、计时以及计数等，称为“可编程逻辑控制器”。伴随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展，可编程序控制器的功能不断增强。美国电气制造商协会（NEMA）于1980年正式将其命名为“可编程序控制器”，简称PC，由于这个名称和个人计算机的简称相同，容易混淆，在我国，很多人仍然习惯称可编程序控制器为PLC。可以说PLC是在继电器控制系统基础上发展起来。
由于PLC具有易学易用、操作方便、可靠性高、体积小、通用灵活和使用寿命长等一系列优点，PLC很快就在工业中得到了广泛的应用。这一新技术也受到其他地区的重视。1971年日本引进这项技术，很快研制出日本*台PLC，欧洲于1973年研制出*台PLC，我国从1974年开始研制，1977年国产PLC正式投入工业应用。
图1-1 PLC检测与控制的对象2.西门子S7-1200 PLC图1-2为西门子S7-1200PLC模块的内部结构，包括CPU、电源、输入信号处理回路、输出信号处理回路、存储区、RJ45端口及扩展模块接口。*电工**IEC于1982年11月和1985年1月颁布了PLC标准的*稿和*二稿，对PLC进行如下定义：“PLC是一种由数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计的；PLC可以采用可编程序的存储器存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计
数及算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程；PLC及其相关设备都应易于与工业控制系统连接为一个整体，是按易于扩充功能的原则而设计的。”
根据PLC的定义，西门子S7-1200PLC的本质为一台计算机，负责系统程序的调度、管理、运行及自诊断，即负责将用户程序进行编译解释处理，调度用户目标程序运行的任务。与西门子S7-200系列PLC模块的较大区别在于，西门子S7-1200PLC标准配置了以太网接口RJ45，可以采用一根标准网线与安装有TIA Portal软件的计算机进行编程组态和工程应用。
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浔之漫智控技术（上海）有限公司(BFZY-YANGHONG)是西门子授权代理商
目前，西门子公司提供了CPU1211C、CPU1212C、CPU1214C、CPU1215C等多种类型的S7-1200PLC。以CPU1214C为例，图1-3为CPU1214C的实物图。其中，电源接口在左上角；在保护盖的下面是可拆卸的用户接线连接器；存储卡插槽在上部保护盖的下面；RJ45接口在PLC的左底部。图1-3 CPU1214C的实物图1.1.2 西门子S7-1200PLC模块的基本构成1.CPU模块
CPU模块是西门子S7-1200 PLC的硬件**。西门子S7-1200PLC的主要性能，如速度、规模等都由CPU模块的性能来体现，如CPU1214C的布尔操作执行时间为0.1μs，具有50KB集成程序/数据存储器或2MB的装载存储器。图1-4为CPU模块的内部结构，主要由微处理器系统、系统程序存储器及用户程序存储器组成。2.电源模块电源模块不仅可为西门子S7-1200PLC的运行提供内部工作电源，有的还可为输入/输出信号提供电源，如图1-5所示。图1-5 电源模块西门子S7-1200PLC的工作电源一般为交流单相电源或直流24V电源，电源电压必须与额定电压相符，如110VAC、220VAC、直流24V。西门子S7-1200PLC对电源的稳定性要求不高，一般允许电源电压在额定值的±15%范围内波动。3.I/O模块I/O模块包括输入/输出I/O电路，根据类型可划分为不同规格的模1）输入部分
输入部分是西门子S7-1200PLC与生产过程相连接的输入通道，可接受来自生产现场的各种信号，如行程开关、热电偶、光电开关及按钮等信号。
2）输出部分输出部分是西门子S7-1200PLC与生产过程相连接的输出通道，可接收CPU的处理输出，并将其转换为被控设备所能接受的电压、电流信号，以驱动被控设备，如继电器、电磁阀及指示灯等。4.内存模块内存模块主要用于存储用户程序，有的还可为系统提供辅助的工作内存。在结构上，内存模块都是附加在CPU模块中的。图1-7为西门子S7-1200PLC的MMC内存模块。该内存模块为SD①可作为CPU的装载存储区，用户的项目文件可以仅存储在MMC内存模块中，CPU没有项目文件，离开MMC内存模块无法运行。
②在有编程器的情况下，可作为向多个西门子S7-1200 PLC传送项目文件的介质。
MMC内存模块的功能如下：③忘记密码时，可清除CPU内部的项目文件和密码。④MMC内存模块可以用于*新西门子S7-1200PLC的CPU固件版本。要插入MMC内存模块时，需要打开CPU的顶盖（见图1-8），将MMC内存模块插到插槽中。推弹式连接器可以轻松插入和取出MMC内存模块。MMC内存模块的安装要正确。1.1.3 西门子S7-1200PLC的常见扩展模块
西门子S7-1200PLC扩展模块的设计非常方便、易于安装，无论安装在面板上还是标准的DIN导轨上，其紧凑型的设计都有利于有效地利用空间，可以使用扩展模块上的DIN导轨卡夹将设备固定到DIN导轨上（见图1-9（b））。这些卡夹还能掰到伸出的位置，使设备可以直接安装到面板上安装螺钉的位置。
图1-9 扩展模块的安装位置西门子S7-1200PLC有三种类型的扩展模块：①信号板（SB），仅可为CPU提供几个附加的I/O点，SB安装在CPU的前端（见图1-9（a））；②信号模块（SM），可提供附加的数字或模拟I/O点，连接在CPU的右侧；③通信模块（CM），可为CPU提供附加的通信端口（RS232或RS485），连接在CPU的左侧。表1-1为西门子S7-1200 PLC的扩展模块名称与型号。
TIA Portal是西门子重新定义自动化的概念、平台及标准的软件工具。它分为两个部分：STEP7和WinCC。TIA是Totally IntegratedAutomation的简称，即全集成自动化；Portal是入口，即开始的地方。TIAPortal被称为“博途”，寓意全集成自动化的入口。TIAPortal体系是一款注重用户体验的工业工程工具，可在一个平台上完成从过程控制到离散控制、从驱动到自动化，包括HMI、SCADA等在内的工业控制相关软件的工具集合，就像中文名字“博途”一样，前途是非常广阔的。TIAPortal自2009年发布*款SIMATIC STEP7 V10.5（STEP 7basic）以来，已经有V10.5、V11、V12、V13、V14、V15等版本，支持西门子较新的硬件SIMATICS7-1200/1500系列PLC，并向
如果安装成功，则计算机的屏幕上会显示成功安装的消息，提示用户重启计算机。如果安装时有错误发生，将会显示错误消息，可从错误消息中知道错误的类型，可以利用安装程序进行修改、修复或卸载。安装成功后，将会出现两个程序的快捷启动图标，分别为TotallyIntergrated Automation软件和Automation LicenseManager软件。
1.3 西门子S7.12.0PLC的初次使用1.3.1 【实例1】三相电动机直接启动控制1.PLC的控制任务说明控制电路的动作原理如下。松开启动按钮SB2，由于接在启动按钮SB2两端的KM动合辅助触头闭合自锁，控制回路仍保持接通，电动机M继续运转。现在要求将控制电路采用西门子S7-1200PLC进行改造，设计合理的硬件连接图，并进行软件编程。图1-18 三相异步电动机的直接启动控制电路2.西门子S7-1200PLC的电气接线由于本书中的所有实例都采用西门子S7-1200PLC的CPU1214CDC/DC/DC进行接线和编程，*需要了解具体的接线示意图。CPU1214CDC/DC/DC的电气接线如图1-19所示。
从图1-19中可以看出，西门子S7-1200 PLC的CPU1214C DC/DC/DC电气接线有以下几个特点：
①外部传感器可以借用PLC的输入电源24VDC；②PLC的输入电源和输出电源可以采用同一个直流电源，也可以采用不同的直流电源；③24V直流输入既可以采取PNP输入，即正电压类型（平时为0V，导通时为24V），也可以采取NPN输入，即负电压类型（平时为24V，导通时为0V）。根据以上特点可以画出【实例1】的PLC原理图，如图1-20所示。3.西门子S7-1200PLC的编程
TIAPortal软件可用来用户实施自动化的解决方案。其解决步骤依次为：创建项目→配置硬件→设备联网→对PLC进行编程→装载组态数据→使用在线和诊断功能。
（1）创建新项目，输入项目名称和存放路径对于【实例1】来说，*要在如图1-21所示的起始视图中创建一个新项目，输入项目名称，如Motor1，并单击图符输入存放路径，如图1-22所示。
（5）定义设备属性，完成硬件配置如果要完成硬件配置，则在选择PLC的CPU类型后，还需要添加和定义其他扩展模块及网络等重要信息。对于扩展模块来说，只需要从右边的“硬件目录”中拖入相应的扩展模块即可。【实例1】只用到CPU一个模块，不用再添加其他的扩展模块。在设备视图中，单击CPU模块，就会出现CPU的属性窗口，如图1-27所示。
因为CPU没有预组态的IP地址，必须手动分配IP地址，如图1-28所示，在组态CPU的属性时，组态PROFINET接口的IP地址和其他参数。在PROFINET网络中，制造商会为每个设备都分配一个一的“介质访问控制”地址（地址）以进行标识。每个设备也都必须具有一个IP地址。
西门子S7-1200 PLC硬件配置的一个特点就是灵活、自由，包括寻址的自由。在西门子S7-200PLC中，CPU和扩展模块的寻址是固定的，而西门子S7-1200PLC则提供了自由寻址的功能，如图1-29所示。它可以对I/O地址进行起始地址的自由选择，如0～1023均可以。需要引起注意的是，TIAPortal软件默认的是IEC61131-3标准。其地址用特殊字母序列来指示，字母序列的起始用%符号，跟随一个范围前缀和一个数据前缀（数据类型）表示数据长度，较后是用数字序列表示存储器的位置。其中，范围前缀为I（输入）、Q（输出）、M（标志，内部存储器范围）；长度前缀为X（单个位）、B（字节，8位）、W（字，16位）、D（双字，32位）。例如：%MD3 标志双字3；%I0.0输入位I0.0。除了使用固定地址外，还可以使用变量表中定义的变量，用户可以*输入对应触点和线圈地址的PLC变量，如图1-36所示，具体步骤如下：①双击*个常开触点上方的默认地址<？？.？>；②单击地址右侧的选择器图标，打开变量表中的变量；③从下拉列表中为*个触点选择“停止按钮 %I0.1”根据以上规则输入*二个常开触点“%I0.0”，并根据梯形图的编辑规律，使用图符打开分支，如图1-37所示，输入接触器自保触点“%Q0.0”；较后使用图符关闭分支，如图1-38所示，使用图符选择输出触点“%Q0.0”。
完成以上编辑后，就会发现程序段1的符号不见了。当然，将图1-38所示的梯形图与电气控制图1-18相比还有一点疑惑：为什么停止按钮%I0.1使用的是常开输入，而不是传统继电器控制中的常闭呢？该疑惑的产生主要是从PLC的常开和常闭的定义出发的，对于PLC输入来说，用户接线的触点类型，包括常开或常闭都与编程时的常开触点没有直接关联，而是根据程序的逻辑出发的，具体内容将在下面的相关项目中进行介绍。接选择下载命令，TIAPortal软件会自动先执行编译命令，当然，也可以单独选择编译命令，如图1-40所示，在TIAPortal软件的“编辑”菜单中选择“编译”命令，或者使用“CTRL+B”快捷键，就可获整个程序的编译信息。
在编译完成后，就可以下载西门子S7-1200PLC的硬件配置和梯形图软件。下载时可以选择两个命令，即“下载到设备”或“扩展的下载到设备”，如图1-41所示。
这两种下载方式在*次使用时都会出现如图1-42所示的以太网联网示意，不仅可以看到程序中的PLC地址及用于PC连接的PG/PC接口情况（这对于多网卡用户来说非常重要），还可以看到目标子网中的所有设备。当用户选择*的设备时，单击图符，就会看到实际设备会黄灯闪烁，以让用户确定是否该设备需要进行配置和程序下载。随着计算机技术的发展，以可编程控制器、变频器调速、计算机通信和组态软件等技术为主体的新型电气控制系统已经逐渐取代传统的继电器电气控制系统，并广泛应用于各行业。德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲较大的电子和电气设备制造商之一，生产的SIMATIC（西门子自动化）可编程控制器在欧洲处于良好地位，西门子PLC具有*的性能，在工控市场占有非常大的份额，应用十分广泛。SIMATICS7-1500PLC是西门子公司推出的一款中**控制系统的PLC，除了包含多种**技术之外，还设定了新标准，较大程度提高生产效率。无论是小型设备还是对速度和准确性要求较高的复杂设备装置，都一一适用。SIMATICS7-1500 PLC 无缝集成到TIA 博途中，*大地提高了工程组态的效率。
SIMATIC S7-1500PLC控制系统相对比较复杂，想要入门并熟练掌握PLC的技术应用，对技术人员来说相对比较困难。为帮助读者系统掌握SIMATICS7-1500 PLC编程及实际应用，我们在教学经验和工程实践的基础上，联合生产企业的相关技术人员，共同编写了本书。
我们在编写过程中，除了全面系统地介绍西门子PLC技术的基础知识外，还结合实际应用，将一些生动的操作实例融入到书中，以提高读者的学习兴趣。本书具有以下特点。
（1）内容由浅入深、由基础到应用，理论联系实际，既适合初学者学习使用，也可以供有一定基础的人结合书中大量的实例，深入学习西门子S7-1500 PLC的工程应用。
（2）用实例引导读者学习。本书的内容全部用精选的例子来讲解，例如，用例子说明现场总线通信的实现全过程。所有的例子都包含软硬件的配置方案图、接线图和程序，为确保程序的正确性，程序已经在PLC上运行通过。（3）二维码视频学习。对于比较复杂的例子，均配有学习资源，包含视频和程序源文件。读者可以用手机扫描书中的二维码观看相关视频（视频为案例的操作步骤演示，无音频解说，只为辅助学习使用），读者可以扫描此处二维码下载书中所讲案例的程序源文件，对读者学习书本知识起到辅助作用。
本书由向晓汉主编，曹英强副主编。全书共分12章，*1章由唐克彬编写；*2章由无锡雷华科技有限公司的欧阳思惠和陆彬编写；*3章由无锡雪浪环保科技有限公司的刘摇摇编写；*4~7章由无锡职业技术学院的向晓汉编写；*8章由无锡雪浪环保科技有限公司的王飞飞编写；*9章由无锡雪浪环保科技有限公司的曹英强编写；*10、11章由桂林电子科技大学的向定汉编写；*12章由苏高峰编写；付东升也参与了本书部分章节内容的编写工作。本书由无锡职业技术学院的林伟任主审。
由于编者水平有限，不妥之处在所难免，敬请读者批评指正，编者将万分感激！*1篇 基础入门篇
*1章 可编程序控制器（PLC）基础
本章介绍可编程序控制器的历史、功能、特点、应用范围、发展趋势、在我国的使用情况、结构和工作原理等知识，使读者初步了解可编程序控制器，这是学习本书后续内容的必要准备。