5.1　S7-1200/1500 PLC的編程基礎知識

5.1.1　數制

PLC的是一種特殊的工業控制計算機，學習計算機必須掌握數制，對于PLC更是如此。

（1）二進制

二進制數的1位（bit）只能取0和1兩個不同的值，可以用來表示開關量的兩種不同的狀態，例如觸點的斷開和接通、線圈的通電和斷電、燈的亮和滅等。在梯形圖中，如果該位是1可以表示常開觸點的閉合和線圈的得電，反之，該位是0可以表示常閉觸點的斷開和線圈的斷電。西門子的二進制表示方法是在數值前加前綴2#，例如2#1001 1101 1001 1101就是16位二進制常數。十進制的運算規則是逢10進1，二進制的運算規則是逢2進1。

（2）十六進制

十六進制的十六個數字是0～9和A～F（對應于十進制中的10～15，不區分大小寫），每個十六進制數字可用4位二進制表示，例如16#A用二進制表示為2#1010。B#16#、W#16#和DW#16#分別表示十六進制的字節、字和雙字。十六進制的運算規則是逢16進1。掌握二進制和十六進制之間的轉化，對于學習西門子PLC來說是十分重要的。

（3）BCD碼

BCD碼用4位二進制數（或者1位十六進制數）表示一位十進制數，例如一位十進制數9的BCD碼是1001。4位二進制有16種組合，但BCD碼只用到前十個，而后六個（1010～1111）沒有在BCD碼中使用。十進制的數字轉換成BCD碼是很容易的，例如十進制數366轉換成十六進制BCD碼則是W#16#0366。

文本框開始##【關鍵點】十進制數366轉換成十六進制數是W#16#16E，這是要特別注意的。文本框結束$$

BCD碼的最高4位二進制數用來表示符號，16位BCD碼字的范圍是-999～+999。32位BCD碼雙字的范圍是-9999999～+9999999。不同數制的數的表示方法見表5-1。

5.1.2　數據類型

數據是程序處理和控制的對象，在程序運行過程中，數據是通過變量來存儲和傳遞的。變量有兩個要素：名稱和數據類型。對程序塊或者數據塊的變量聲明時，都要包括這兩個要素。

數據的類型決定了數據的屬性，例如數據長度和取值范圍等。TIA博途軟件中的數據類型分為三大類：基本數據類型、復合數據類型和其他數據類型。

5.1.2.1　基本數據類型

基本數據類型是根據IEC61131-3（國際電工委員會指定的PLC編程語言標準）來定義的，每個基本數據類型具有固定的長度且不超過64位。

基本數據類型最為常用，細分為位數據類型、整數數據類型、字符數據類型、定時器數據類型及日期和時間數據類型。每一種數據類型都具備關鍵字、數據長度、取值范圍和常數表等格式屬性。以下分別介紹。

（1）位數據類型

位數據類型包括布爾型（Bool）、字節型（Byte）、字型（Word）、雙字型（DWord）和長字型（LWord）。對于S7-300/400PLC僅支持前4種數據類型。TIA博途軟件的位數據類型見表5-2。

注：在TIA博圖軟件中，關鍵字不區分大小寫，如Bool和BOOL都是合法的，不必嚴格區分。

（2）整數和浮點數數據類型

整數數據類型包括有符號整數和無符號整數。有符號整數包括：短整數型（SInt）、整數型（Int）、雙整數型（DInt）和長整數型（LInt）。無符號整數包括：無符號短整數型（USInt）、無符號整數型（UInt）、無符號雙整數型（UDInt）和無符號長整數型（ULInt）。整數沒有小數點。對于S7-300/400PLC僅支持整數型（Int）和雙整數型（DInt）。

實數數據類型包括實數（Real）和長實數（LReal），實數也稱為浮點數。對于S7-300/400PLC僅支持實數（Real）。浮點數有正負且帶小數點。TIA博途軟件的整數和浮點數數據類型見表5-3。

（3）字符數據類型

字符數據類型有Char和WChar，數據類型Char的操作數長度為8個位，在存儲器中占用1個Byte。Char數據類型以ASCII格式存儲單個字符。

數據類型WChar（寬字符）的操作數長度為16位，在存儲器中占用2個Byte。WChar數據類型存儲以Unicode格式存儲的擴展字符集中的單個字符，但只涉及整個Unicode范圍的一部分。控制字符在輸入時，以美元符號表示。TIA博途軟件的字符數據類型見表5-4。

（4）定時器數據類型

定時器數據類型主要包括時間（Time）、S5時間（S5Time）和長時間（LTime）數據類型。對于S7-300/400PLC僅支持前2種數據類型。

S5時間數據類型（S5Time）以BCD格式保存持續時間，用于數據長度為16位S5定時器。持續時間由0～999（2H_46M_30S）范圍內的時間值和時間基線決定。時間基線指示定時器時間值按步長1減少直至為“0”的時間間隔。時間的分辨率可以通過時間基線來控制。

時間數據類型（Time）的操作數內容以毫秒表示，用于數據長度為32位的IEC定時器。表示信息包括天（d）、小時（h）、分鐘（m）、秒（s）和毫秒（ms）。

長時間數據類型（LTime）的操作數內容以納秒表示，用于數據長度為64位的IEC定時器。表示信息包括天（d）、小時（h）、分鐘（m）、秒（s）、毫秒（ms）、微秒（μs）和納秒（ns）。TIA博途軟件的定時器數據類型見表5-5。

（5）日期和時間數據類型

日期和時間數據類型包括：日期（Date）、日時間（TOD）、長日時間（LTOD）、日期時間（Date_And_Time）、日期長時間（Date_And_LTime）和長日期時間（DTL），以下分別介紹如下。

①日期（Date）　Date數據類型將日期作為無符號整數保存。表示法中包括年、月和日。數據類型Date的操作數為十六進制形式，對應于自1990年1月1日以后的日期值。

②日時間（TOD）　TOD（Time_Of_Day）數據類型占用1個雙字，存儲從當天0：00h開始的毫秒數，為無符號整數。

③長日時間（LTOD）　LTOD（LTime_Of_Day）數據類型占用2個雙字，存儲從當天0：00h開始的納秒數，為無符號整數。

④日期時間（Date_And_Time）　數據類型DT（Date_And_Time）存儲日期和時間信息，格式為BCD。

⑤日期長時間（Date_And_LTime）　數據類型LDT（Date_And_LTime）可存儲自1970年1月1日0：0以來的日期和時間信息（單位為ns）。

⑥長日期時間（DTL）　數據類型DTL的操作數長度為12個字節，以預定義結構存儲日期和時間信息。TIA博途軟件的日期和時間數據類型見表5-6。

5.1.2.2　復合數據類型

復合數據類型是一種由其他數據類型組合而成的，或者長度超過32位的數據類型，TIA博途軟件中的復合數據類型包含：String（字符串）、WString（寬字符串）、Array（數組類型）、Struct（結構類型）和UDT（PLC數據類型），復合數據類型相對較難理解和掌握，以下分別介紹。

（1）字符串和寬字符串

①String（字符串）　其長度最多有254個字符的組（數據類型Char）。為字符串保留的標準區域是256個字節長。這是保存254個字符和2個字節的標題所需要的空間。可以通過定義即將存儲在字符串中的字符數目來減少字符串所需要的存儲空間（例如：String［10］'Siemens'）。

②WString（寬字符串）　數據類型為WString（寬字符串）的操作數存儲一個字符串中多個數據類型為WChar的Unicode字符。如果不指定長度，則字符串的長度為預置的254個字符。在字符串中，可使用所有Unicode格式的字符。這意味著也可在字符串中使用中文字符。

（2）Array（數組類型）

Array（數組類型）表示一個由固定數目的同一種數據類型元素組成的數據結構。允許使用除了Array之外的所有數據類型。

數組元素通過下標進行尋址。在數組聲明中，下標限值定義在Array關鍵字之后的方括號中。下限值必須小于或等于上限值。一個數組最多可以包含6維，并使用逗號隔開維度限值。

例如：數組Array［1..20］of Real的含義是包括20個元素的一維數組，元素數據類型為Real；數組Array［1..2，3..4］ of Char含義是包括4個元素的二維數組，元素數據類型為Char。

創建數組的方法。在項目視圖的項目樹中，雙擊“添加新塊”選項，彈出新建塊界面，新建“數據塊_1”，在“名稱”欄中輸入“A1”，在“數據類型”欄中輸入“Array［1..20］of Real”，如圖5-1所示，數組創建完成。單擊A1前面的三角符號，可以查看到數組的所有元素，還可以修改每個元素的“啟動值”（初始值），如圖5-2所示。

（3）Struct（結構類型）

該類型是由不同數據類型組成的復合型數據，通常用來定義一組相關數據。例如電動機的一組數據可以按照如圖5-3所示的方式定義，在“數據塊_1”的“名稱”欄中輸入“Motor”，在“數據類型”欄中輸入“Struct”（也可以點擊下拉三角選取），之后可創建結構的其他元素，如本例的“Speed”。

（4）UDT（PLC數據類型）

UDT是由不同數據類型組成的復合型數據，與Struct不同的是，UDT是一個模版，可以用來定義其他的變量，UDT在經典STEP 7中稱為自定義數據類型。PLC數據類型的創建方法如下。

①在項目視圖的項目樹中，雙擊“添加新數據類型”選項，彈出如圖5-4所示界面，創建一個名稱為“MotorA”的結構，并將新建的PLC數據類型名稱重命名為“MotorA”。

②在“數據塊_1”的“名稱”欄中輸入“MotorA1”和“MotorA2”，在“數據類型”欄中輸入“MotorA”，這樣操作后，“MotorA1”和“MotorA2”的數據類型變成了“MotorA”，如圖5-5所示。

使用PLC數據類型給編程帶來較大的便利性，較為重要，相關內容在后續章節還要介紹。

5.1.2.3　其他數據類型

對于S7-1200/1500 PLC，除了基本數據類型和復合數據類型外，還有包括指針、參數類型、系統數據類型和硬件數據類型等，以下分別介紹。

（1）指針類型

S7-1500 PLC支持Pointer、Any和Variant三種類型指針，S7-300/400PLC只支持前兩種，S7-1200 PLC只支持Variant類型。

①Pointer　Pointer類型的參數是一個可指向特定變量的指針。它在存儲器中占用6個字節（48位），可能包含變量信息有：數據塊編號或0（若數據塊中沒有存儲數據）和CPU中的存儲區和變量地址，在圖5-6中，顯示了Pointer指針的結構。

②Any　Any類型的參數指向數據區的起始位置，并指定其長度。Any指針使用存儲器中的10個字節，可能包含的信息有：數據類型、重復系數、DB編號、存儲區、數據的起始地址（格式為“字節.位”）和零指針。在圖5-7中，顯示了Any指針的結構。

③Variant　Variant類型的參數是一個可以指向不同數據類型變量（而不是實例）的指針。Variant指針可以是一個元素數據類型的對象，例如INT或Real。也可以是一個String、DTL、Struct數組、UDT或UDT數組。Variant指針可以識別結構，并指向各個結構元素。Variant數據類型的操作數在背景DB或L堆棧中不占用任何空間，但是將占用CPU上的存儲空間。

Variant類型的變量不是一個對象，而是對另一個對象的引用。Variant類型的各元素只能在函數的塊接口中聲明，因此，不能在數據塊或函數塊的塊接口靜態部分中聲明。例如，因為各元素的大小未知，所引用對象的大小可以更改。Variant數據類型只能在塊接口的形參中定義。

（2）參數類型

參數類型是傳遞給被調用塊的形參的數據類型。參數類型還可以是PLC數據類型。參數數據類型及其用途見表5-7。

（3）系統數據類型

系統數據類型（SDT）由系統提供并具有預定義的結構。系統數據類型的結構由固定數目的可具有各種數據類型的元素構成。不能更改系統數據類型的結構。系統數據類型只能用于特定指令。系統數據類型及其用途見表5-8。

（4）硬件數據類型

硬件數據類型由CPU提供。可用硬件數據類型的數目取決于CPU。

根據硬件配置中設置的模塊存儲特定硬件數據類型的常量。在用戶程序中插入用于控制或激活已組態模塊的指令時，可將這些可用常量用作參數。部分硬件數據類型及其用途見表5-9。

【例5-1】　請指出以下數據的含義：DINT#58、S5t#58s、58、C#58、t#58s和P#M0.0 Byte 10。

解　①DINT#58：表示雙整數58。

②S5t#58s：表示S5和S7定時器中的定時時間58s.

③58：表示整數58。

④C#58：表示計數器中的預置值58。

⑤t#58s：表示IEC定時器中定時時間58s。

⑥P#M0.0 Byte 10：表示從MB0開始的10個字節。

5.1.3　S7-1200/1500 PLC的存儲區

S7-1200/1500 PLC的存儲區由裝載存儲器、工作存儲器和系統存儲器組成。工作存儲器類似于計算機的內存條，裝載存儲器類似于計算機的硬盤。以下分別介紹三種存儲器。

5.1.3.1　裝載存儲器

裝載存儲器用于保存邏輯塊、數據塊和系統數據。下載程序時，用戶程序下載到裝載存儲器。在PLC上電時，CPU把裝載存儲器中的可執行的部分復制到工作存儲器。而PLC斷電時，需要保存的數據自動保存在裝載存儲器中。

對于S7-300/400PLC符號表、注釋不能下載，仍然保存在編程設備中。而對于S7-1200/1500 PLC，符號表、注釋可以下載到裝載存儲器。

5.1.3.2　工作存儲器

工作存儲器集成在CPU中的高速存取的RAM存儲器，用于存儲CPU運行時的用戶程序和數據，如組織塊、功能塊等。用模式選擇開關復位CPU的存儲器時，RAM中程序被清除，但FEPROM中的程序不會被清除。

5.1.3.3　系統存儲器

系統存儲器是CPU為用戶提供的存儲組件，用于存儲用戶程序的操作數據，例如過程映像輸入、過程映像輸出、位存儲、定時器、計數器、塊堆棧和診斷緩沖區等。

（1）過程映像輸入區（I）

過程映像輸入區與輸入端相連，它是專門用來接受PLC外部開關信號的元件。在每次掃描周期的開始，CPU對物理輸入點進行采樣，并將采樣值寫入過程映像輸入區中。可以按位、字節、字或雙字來存取過程映像輸入區中的數據，輸入寄存器等效電路如圖5-8所示，真實的回路中當按鈕閉合，線圈I0.0得電，經過PLC內部電路的轉化，使得梯形圖中，常開觸點I0.0閉合，理解這一點很重要。

位格式：I［字節地址］.［位地址］，如I0.0。

字節、字或雙字格式：I［長度］［起始字節地址］，如IB0、IW0、ID0。

若要存取存儲區的某一位，則必須指定地址，包括存儲器標識符、字節地址和位號。圖5-9是一個位表示法的例子。其中，存儲器區、字節地址（I代表輸入，2代表字節2）和位地址之間用點號（.）隔開。

（2）過程映像輸出區（Q）

過程映像輸出區是用來將PLC內部信號輸出傳送給外部負載（用戶輸出設備）。過程映像輸出區線圈是由PLC內部程序的指令驅動，其線圈狀態傳送給輸出單元，再由輸出單元對應的硬觸點來驅動外部負載，輸出寄存器等效電路如圖5-10所示。當梯形圖中的線圈Q0.0得電，經過PLC內部電路的轉化，使得真實回路中的常開觸點Q0.0閉合，從而使得外部設備線圈得電，理解這一點很重要。

在每次掃描周期的結尾，CPU將過程映像輸出區中的數值復制到物理輸出點上。可以按位、字節、字或雙字來存取過程映像輸出區。

位格式：Q［字節地址］.［位地址］，如Q1.1。

字節、字或雙字格式：Q［長度］［起始字節地址］，如QB5、QW6和QD8。

（3）標識位存儲區（M）

標識位存儲區是PLC中數量較多的一種存儲區，一般的標識位存儲區與繼電器控制系統中的中間繼電器相似。標識位存儲區不能直接驅動外部負載，負載只能由過程映像輸出區的外部觸點驅動。標識位存儲區的常開與常閉觸點在PLC內部編程時，可無限次使用。M的數量根據不同型號而不同。可以用位存儲區作為控制繼電器來存儲中間操作狀態和控制信息，并且可以按位、字節、字或雙字來存取位存儲區。

位格式：M［字節地址］.［位地址］，如M2.7。

字節、字或雙字格式：M［長度］［起始字節地址］，如MB10、MW10、MD10。

（4）定時器（T）

定時器存儲區位于CPU的系統存儲器中，其地址標識符為“T”，定時器的數量與CPU的型號有關。定時器的表示方法是Tx，T表示地址標識符，x表示第幾個定時器。定時器的作用主要用于定時，與繼電器控制系統中的時間繼電器相似。

格式：T［定時器號］，如T1。

（5）計數器存儲區（C）

計數器存儲區位于CPU的系統存儲器中，其地址標識符為“C”，計數器的數量與CPU的型號有關。計數器的表示方法是Cx，C表示地址標識符，x表示第幾個計數器。計數器的作用主要用于計數，與繼電器控制系統中的計數器相似。

格式：C［計數器號］，如C1。

（6）數據塊存儲區（DB）

數據塊可以存儲在裝載存儲器、工作存儲器以及系統存儲器中（塊堆棧），共享數據塊的標識符為“DB”，函數塊FB的背景數據塊的標識符為“DI”。數據塊的大小與CPU的型號相關。數據塊默認為掉電保持，不需要額外設置。

注意：在語句表中，通過“DB”和“DI”區分兩個打開的數據塊，在其他應用中函數塊FB的背景數據塊也可以用“DB”表示。

（7）本地數據區（L）

本地數據區位于CPU的系統存儲器中，其地址標識符為“L”。包括函數、函數塊的臨時變量、組織塊中的開始信息、參數傳遞信息以及梯形圖的內部結果。在程序中訪問本地數據區的表示法與輸入相同。本地數據區的數量與CPU的型號有關。

本地數據區和標識位存儲區M很相似，但只有一個區別：標識位存儲區M是全局有效的，而本地數據區只在局部有效。全局是指同一個存儲區可以被任何程序存取（包括主程序、子程序和中斷服務程序），局部是指存儲器區和特定的程序相關聯。

位格式：L［字節地址］.［位地址］，如L0.0。

字節、字或雙字格式：L［長度］［起始字節地址］，如LB3。

（8）物理輸入區

物理輸入區位于CPU的系統存儲器中，其地址標識符為“：P”，加在過程映像區地址的后面。與過程映像區功能相反，不經過過程映像區的掃描，程序訪問物理區時，直接將輸入模塊的信息讀入，并作為邏輯運算的條件。

位格式：I［字節地址］.［位地址］，如I2.7：P。

字或雙字格式：I［長度］［起始字節地址］：P，如IW8：P。

（9）物理輸出區

物理輸出區位于CPU的系統存儲器中，其地址標識符為“：P”，加在過程映像區地址的后面。與過程映像區功能相反，不經過過程映像區的掃描，程序訪問物理區時，直接將邏輯運算的結果（寫出信息）寫出到輸出模塊。

位格式：Q［字節地址］.［位地址］，如Q2.7：P。

字或雙字格式：Q［長度］［起始字節地址］：P，如QW8：P。

以上各存儲器的存儲區及功能見表5-10。

【例5-2】　如果MD0=16#1F，那么，MB0、MB1、MB2、MB3、M0.0和M3.0的數值是多少？

解　根據圖5-11，MB0=0；MB1=0；MB2=0；MB3=16#1F；M0.0=0；M3.0=1。這點不同于三菱PLC，讀者要注意區分。如不理解此知識點，在編寫通信程序時，如DCS與S7-1200/1500 PLC交換數據時，容易出錯。

【例5-3】　如圖5-12所示的梯形圖，是某初學者編寫的，請查看有無錯誤。

解

這個程序的邏輯是正確的，但這個程序在實際運行時，并不能采集數據的。程序段1是啟停控制，當M10.0常開觸點閉合后開始采集數據，而且AD轉換的結果存放在MW10中，MW10包含2個字節MB10和MB11，而MB10包含8個位，即M10.0～M10.7。只要采集的數據經過AD轉換，造成M10.0位為0，整個數據采集過程自動停止。初學者很容易犯類似的錯誤。讀者可將M10.0改為M12.0即可，只要避開MW10中包含的16個位（M10.0～M10.7和M11.0～M11.7）都可行。

5.1.4　全局變量與區域變量

（1）全局變量

全局變量可以在CPU的整個范圍內被所有的程序塊調用，例如OB（組織塊）、FC（函數）、FB（函數塊）中使用，在某一個程序塊中賦值后，在其他的程序塊中可以讀出，沒有使用限制。全局變量包括I、Q、M、T、C、DB、I：P和Q：P等數據區。

（2）區域變量

也稱為局部變量。區域變量只能在所屬塊（OB、FC和FB）范圍內調用，在程序塊調用時有效，程序塊調用完成后被釋放，所以不能被其他程序塊調用，本地數據區（L）中的變量為區域變量，例如每個程序塊中的臨時變量都屬于區域變量。

5.1.5　編程語言

（1）PLC 編程語言的國際標準

IEC 61131是PLC的國際標準，1992～1995年發布了IEC 61131標準中的1～4部分，我國在1995年11月發布了GB/T15969-1/2/3/4（等同于IEC 61131-1/2/3/4）。

IEC 61131-3廣泛地應用于PLC、DCS、工控機、“軟件PLC”、數控系統和RTU等產品。其定義了5種編程語言，分別是指令表（Instruction list，IL）、結構文本（Structured text，ST）、梯形圖（Ladder diagram，LD）、功能塊圖（Function block diagram，FBD）和順序功能圖（Sequential function chart，SFC）。

（2）TIA博途軟件中的編程語言

TIA博途軟件中有梯形圖、語句表、功能塊圖、SCL和Graph，共5種基本編程語言。以下簡要介紹。

①順序功能圖（SFC）　TIA博途軟件中為S7-Graph，S7-Graph是針對順序控制系統進行編程的圖形編程語言，特別適合順序控制程序編寫。

②梯形圖（LAD）　梯形圖直觀易懂，適合于數字量邏輯控制。梯形圖適合于熟悉繼電器電路的人員使用。設計復雜的觸點電路時適合用梯形圖，其應用廣泛。

③語句表（STL）　語句表的功能比梯形圖或功能塊圖的功能強。語句表可供擅長用匯編語言編程的用戶使用。語句表輸入快，可以在每條語句后面加上注釋。語句表有被淘汰的趨勢。

④功能塊圖（FBD）　“LOGO！”系列微型PLC使用功能塊圖編程。功能塊圖適合于熟悉數字電路的人員使用。

⑤結構文本（ST）　在TIA博途軟件中稱為S7-SCL（結構化控制語言），它符合EN61131-3標準。S7-SCL適合于復雜的公式計算、復雜的計算任務和最優化算法或管理大量的數據等。S7-SCL編程語言適合于熟悉高級編程語言（例如PASCAL或C語言）的人員使用。S7-SCL編程語言的使用將越來越廣泛。

⑥S7-HiGraph編程語言　圖形編程語言S7-HiGraph屬于可選軟件包，它用狀態圖（State Graphs）來描述異步、非順序過程的編程語言。HiGraph適合于異步非順序過程的編程。S7-HiGraph可用于S7-300/400PLC，在S7-1200/1500 PLC中不能使用。

⑦S7-CFC編程語言　可選軟件包CFC（Continuous Function Chart，連續功能圖）用圖形方式連接程序庫中以塊的形式提供的各種功能。CFC適合于連續過程控制的編程。S7-HiGraph可用于S7-300/400PLC，在S7-1200/1500 PLC中不能使用。

在TIA博途軟件中，如果程序塊沒有錯誤，并且被正確地劃分為網絡，在梯形圖和功能塊圖之間可以相互轉換，但梯形圖和指令表不可相互轉換。注意：在經典STEP 7中梯形圖、功能塊、語句表之間可以相互轉換。