西门子PLC自学教程该怎么学？

西门子PLC自学完全指南

第一部分：基础理论与入门认知

在开始编程之前，必须先理解PLC是什么,以及西门子PLC的家族构成。

什么是PLC？

• 核心概念：可编程逻辑控制器，一种专为工业环境设计的数字运算操作电子系统，它采用一种可编程的存储器，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，并通过数字式或模拟式的输入/输出,控制各种类型的机械设备或生产过程。
• 工作原理：循环扫描工作方式，主要包括三个阶段：
  • 输入采样阶段：读取所有输入端子的状态,并存入输入映像寄存器。
  • 程序执行阶段：CPU从上到下逐条扫描并执行用户程序,同时刷新输出映像寄存器。
  • 输出刷新阶段：将输出映像寄存器中的状态传送到输出锁存器,驱动外部负载。

西门子PLC主流产品线 了解产品线有助于你选择合适的型号进行学习。

• S7-200 SMART：
  • 定位：小型PLC，性价比高,结构紧凑。
  • 特点：非常适合初学者入门、小型设备和单机自动化控制，编程软件是 STEP 7-MicroWIN SMART，界面友好,功能强大。
  • 建议：强烈推荐初学者从此款开始学习，因为它成本低、资料多、学习曲线平缓。
• S7-1200：
  • 定位：中小型PLC,模块化设计。
  • 特点：性能比S7-200 SMART更强，支持更多高级功能和通信协议，编程软件是 TIA Portal (博途) 的 STEP 7 Basic 版本。
  • 建议：有一定基础后，学习S7-1200是迈向工业级的必经之路，TIA Portal是西门子未来的主流软件平台。
• S7-1500：
  • 定位：中大型PLC，性能强大,功能复杂。
  • 特点：适用于复杂的、高速的、大规模的自动化控制系统，编程软件是 TIA Portal (博途) 的 STEP 7 Professional 版本。
  • 建议：不适合初学者,作为进阶目标。
• S7-300/400：
  • 定位：经典的中大型PLC，正在逐步被S7-1500替代。
  • 特点：编程软件是经典的 STEP 7 V5.x。
  • 建议：主要用于维护或维护旧设备,不建议新手作为首选学习平台。

学习前的准备工作

• 硬件：
  • PLC主机：建议购买一块 S7-200 SMART SR20 或 ST20（带数字量I/O）,这是成本最低的实践方式。
  • 编程电缆：USB/PPI电缆,用于连接电脑和PLC。
  • 输入设备：几个按钮、开关。
  • 输出设备：几个指示灯、继电器模块（如果需要驱动大功率设备）。
  • 电源：24V直流开关电源,为PLC和外部设备供电。
  • 导线、端子排：用于接线。
• 软件：
  • STEP 7-MicroWIN SMART：用于S7-200 SMART,免费版足够学习使用。
  • TIA Portal V15/V16/V17/V18 (STEP 7 Basic)：用于S7-1200，有免费版（限位）和试用版（功能全，有时间限制），建议从V15版本开始,相对稳定。
  • PLCSIM Advanced：TIA Portal内置的仿真软件，可以在电脑上虚拟一个PLC进行调试，极其重要！
  • WinCC Advanced：TIA Portal内置的HMI（人机界面）组态软件,可以虚拟一个触摸屏。

第二部分：软件安装与熟悉

安装编程软件

• STEP 7-MicroWIN SMART：从西门子官网下载,按照向导安装即可。
• TIA Portal：同样从官网下载，注意：
  • 下载完整版安装包。
  • 安装时，务必断开网络，选择“安装为试用版”或使用激活器。
  • 安装过程中会提示安装 STEP 7 和 WinCC 两部分,都需要勾选。

熟悉软件界面

• 创建项目：打开软件,新建一个项目。
• 认识主界面：
  • 项目树：左侧，管理项目的所有组件（PLC、HMI、报警等）。
  • 工作区：中间，根据所选组件显示不同的编辑器（程序编辑器、硬件组态器等）。
  • 巡视窗口：右侧,显示选中对象的详细属性。
  • 输出窗口：下方，显示编译信息、错误警告等。
  • 工具栏：提供常用快捷操作。

第三部分：核心编程语言学习

IEC 61131-3标准定义了5种PLC编程语言,西门子PLC主要支持其中3种。

LAD (梯形图 - Ladder Diagram)

• 特点：最直观，最接近继电器电路图,电气工程师上手最快。
• 学习要点：
  • 触点：常开、常闭,代表输入条件。
  • 线圈：代表输出结果。
  • 功能框：代表定时器、计数器等复杂指令。
  • 网络：程序的基本单位，从左母线开始，到右母线结束（或使用线圈/功能框结束）。

STL (语句表 - Statement List)

• 特点：类似汇编语言，是PLC的底层语言，执行效率最高,但可读性差。
• 学习要点：
  • 由指令助记符构成，如 A I0.0 (AND I0.0), = Q0.0 (Output to Q0.0)。
  • 初期可以不深究,但需要能看懂简单的程序。

SCL (结构化控制语言 - Structured Control Language)

• 特点：类似Pascal或C语言，适合编写复杂的算法、数学运算和数据处理程序。
• 学习要点：
  • 语法结构清晰，支持变量、函数、循环等。
  • 是高级编程的必备技能,建议在掌握LAD后开始学习。

学习建议：主攻LAD，辅助了解STL，进阶后学习SCL。

第四部分：编程核心要素与实践

这是学习的核心,需要结合理论和大量练习。

指令系统

1. 基本逻辑指令：

   • LD, A, O (Load, And, Or): 常开/常闭触点的串联、并联。
   • , NOT: 线圈输出和取反。
   • EU, ED: 上升沿、下降沿检测。这是实现按钮单按触发效果的关键！

2. 定时器指令：

   • TON (通电延时定时器)：最常用，输入条件满足时开始计时,时间到则输出。
   • TOF (断电延时定时器)：输入条件满足时立即输出，输入条件断开后开始计时,时间到则输出。
   • TP (脉冲定时器)：输入条件满足时，开始计时一个预设时间，期间输出为ON,时间到输出OFF。
   • 练习：实现“按下按钮，灯亮3秒后自动熄灭”。

3. 计数器指令：

   • CTU (加计数器)：每个上升沿脉冲计数值加1,达到设定值后置位。
   • CTD (减计数器)：每个上升沿脉冲计数值减1,减到0后置位。
   • CTUD (加/减计数器)：可加可减。
   • 练习：实现“按下按钮5次，灯亮”。

程序结构与数据类型

1. 程序块：

   • 组织块：程序的入口，由系统事件（如启动、循环扫描）触发。OB1 是主循环组织块,所有程序都在这里调用。
   • 功能块：可以带参数，有“记忆”功能（内部变量在块结束后仍保留值），适合编写功能相对独立的、需要保存状态的程序，如电机控制、阀门控制。
   • 功能：不带参数，无“记忆”功能，适合编写通用的、一次性的算法,如数学计算。
   • 数据块：用于存储数据,可以定义全局变量或特定块的变量。
   • 练习：将一个电机启停程序封装成FB，然后在OB1中多次调用。

2. 数据类型：

   • 基本数据类型：Bool (布尔), Byte (字节), Int (整数), DInt (双整数), Real (实数/浮点数), String (字符串)。
   • 复合数据类型：Array (数组), Struct (结构体)。
   • 系统数据类型：如 Timer, Counter。
   • 练习：定义一个结构体，包含电机运行状态、当前速度、故障代码等。

硬件组态与I/O分配

1. 在TIA Portal中组态硬件：

   • 在项目树的“PLC”下，双击“硬件组态”。
   • 从硬件目录中拖拽你的PLC型号、电源、信号板（如有）、数字量/模拟量模块到机架上。
   • 设置模块的起始地址（Address）。
   • 编译并下载：将硬件配置信息下载到PLC。

2. 理解I/O地址：

   • I (Input)：输入地址，连接外部传感器、按钮。
   • Q (Output)：输出地址，连接外部指示灯、接触器线圈。
   • AI (Analog Input)：模拟量输入，如压力、温度传感器。
   • AQ (Analog Output)：模拟量输出,如控制变频器频率。
   • 练习：在硬件组态中添加一个数字量输入模块DI16和数字量输出模块DQ16，然后在程序中使用 I0.0 ~ I1.7 和 Q0.0 ~ Q1.7。

第五部分：调试与仿真

使用仿真软件

• PLCSIM (针对S7-200 SMART)：在MicroWIN中，点击“工具”->“PLCSIM Simulation”即可启动。
• PLCSIM Advanced (针对S7-1200/1500)：在TIA Portal中,下载程序时会提示启动仿真。
• 调试方法：
  • 强制变量：在程序在线监控时，可以强制某个I点的状态为ON或OFF，模拟按钮按下,观察程序逻辑和Q点输出是否正确。
  • 修改变量值：可以修改定时器/计数器的设定值,模拟其工作过程。
  • 跟踪变量：记录变量值随时间的变化,用于分析复杂逻辑。

在线监控与诊断

• 将PLC连接到电脑，点击“在线”->“显示PLC”。
• 监控模式：可以实时看到程序的运行状态，哪个触点导通,哪个线圈得电。
• 断点：在程序行上设置断点，程序运行到此处会暂停,便于单步调试。

第六部分：通信与进阶

基础通信

• PPI/PROFINET：西门子PLC的常用通信协议。
• Modbus RTU/TCP：工业通用协议,几乎所有PLC和变频器都支持。
• 学习：尝试实现两台S7-200 SMART PLC之间的数据交换,或者让PLC读取一个支持Modbus的温控器的数据。

HMI (人机界面) 组态

• 使用TIA Portal中的WinCC Basic/Advanced,创建一个简单的触摸屏界面。
• 在界面上放置按钮、指示灯、文本域、数值输入/显示控件。
• 将这些控件与PLC的变量进行连接。
• 练习：做一个能控制电机启停、显示运行时间、并能手动设定速度的HMI界面。

高级应用

• 运动控制：使用工艺对象控制伺服驱动器或步进电机。
• PID控制：实现温度、压力、流量等闭环控制。
• OPC UA：实现PLC与上位机（如SCADA系统）的数据交互。

第七部分：学习资源与路径建议

推荐学习路径

• 第1-2周：理论入门，安装软件，熟悉S7-200 SMART和MicroWIN。
• 第3-6周：主攻LAD语言，熟练掌握基本逻辑、定时器、计数器指令,完成至少20个不同的小练习。
• 第7-10周：学习TIA Portal和S7-1200，掌握硬件组态、OB/FC/FB/DB的使用，开始接触PLCSIM Advanced。
• 第11-14周：学习SCL语言，尝试编写简单的功能块，学习基础通信（如Modbus）。
• 第15周及以后：学习HMI组态，尝试做一个包含PLC和HMI的小型综合项目（如恒水箱水位控制）,根据兴趣选择运动控制或PID等方向深入。

优质学习资源

• 官方资源：
  • 西门子官网：产品手册、技术文档、样例程序是最好的资料。
  • 西门子(中国)学习中心：提供官方的在线培训课程和认证。
• 视频教程：
  • Bilibili (B站)：搜索“西门子PLC入门”、“TIA Portal教程”，有大量国内UP主制作的免费优质教程，技成培训网”、“电工小张”等。
  • YouTube：搜索 "Siemens PLC S7-1200 Tutorial TIA Portal"，有英文原版教程,质量很高。
• 书籍：
  • 《西门子S7-200 SMART PLC编程与应用》
  • 《TIA Portal博途应用指南》
• 社区与论坛：
  • 中国工控网论坛：老牌工控论坛，问题多,解答专业。
  • PLC中文网：专注于PLC学习的论坛,资料丰富。
  • 知乎、CSDN：搜索相关问题,可以找到很多经验分享。

项目驱动学习 理论学习后，一定要通过项目来巩固,从小项目开始：

• 项目1：电机启停控制（自锁、点动、两地控制）
• 项目2：交通信号灯控制
• 项目3：机械臂手动/自动控制
• 项目4：传送带计数与分拣系统
• 项目5：基于PID的温度控制系统（需要模拟量模块和HMI）

保持耐心和好奇心，多动手、多思考、多总结，PLC学习是一个实践性极强的过程，纸上谈兵是远远不够的，祝你学习顺利！

标签： 编程实践 故障诊断