PLC 编程基础与 PLCSIM 仿真：数制、码制与 IEC 语言

PLC编程基础与仿真笔记：S7-PLCSIM仿真变量为何必须选M（不能选I/Q）、起保停梯形图仿真、二进制/十六进制与字节字双字、原码反码补码与BCD码、与或非逻辑、IEC 61131-3五种语言及LAD/FBD/SCL的选择（含考点）

本文整理《PLC 编程基础与仿真技术》一课。这是在 S7-1200 硬件认识、启保停实训之后的一节编程入门与上机仿真课，内容分三部分：第一部分讲博途（TIA Portal）配套仿真软件 S7-PLCSIM 的使用，重点是仿真时变量类型必须选 M（中间变量）而不能选 I/Q 这一最常见错误，并用起保停电路做仿真演示；第二部分复习 PLC 编程所必需的数字编码与逻辑运算基础——二进制/十六进制、字节/字/双字、原码反码补码、BCD 码、与或非；第三部分讲 IEC 61131-3 标准的五种编程语言，重点对比 S7-1200 使用的 LAD（梯形图）、FBD（功能块图）、SCL（结构化文本）三种语言及其适用场合、新建程序块时如何选择语言。文末附仿真步骤表、语言对比表、待核对清单和主动回忆题（含答案要点）。

一、核心结论

• 博途配套的 S7-PLCSIM 仿真软件（课程使用 V16/V20 等版本）可以仿真 S7-1200 的绝大部分指令、几乎支持 S7-PLC 的全部常用指令，使学习者在没有 PLC 实物的情况下也能快速熟悉指令和元件、验证程序逻辑。
• 仿真最关键的易错点：在 S7-PLCSIM 仿真环境中修改变量时，变量类型必须选 M（中间变量/位存储器）；若选 I（输入）或 Q（输出），程序将无法被仿真驱动、运行不出来。而在实物 PLC 上则可以正常使用 I0.0、I0.1、Q0.0 等 I/Q 地址。
• I、Q、M 三类变量：I 是输入（接按钮、传感器等，实物由外部信号驱动）、Q 是输出（接接触器线圈、指示灯等执行元件）、M 是中间变量（中间继电器/位存储器）；仿真时没有真实外部信号，只能靠把 M 位置 0/置 1 来模拟输入，故必须改用 M。
• 仿真操作流程：安装并启动 S7-PLCSIM → 在博途中搜索、配对并启动模拟仿真平台 → 把编写好的程序下载到仿真模块（启动模块） → 在仿真界面用鼠标改变 M 变量的 0/1 状态，即可观察线圈、触点的得电/失电，完成功能验证（实物调试时则用网线或无线把程序下载到真实 PLC）。
• 起保停仿真现象：按下启动按钮（使对应位置 1）→ 输出线圈得电，梯形图中得电的导线/线圈显示为绿色；与启动按钮并联的自锁（自保持）触点闭合维持线圈得电，并进一步控制主回路接触器、驱动电动机；按下停止按钮 → 线圈失电、自锁解除，整条线路断电。
• 必须能读懂的经典继电器/梯形图控制电路：点动控制、连续（长动/起保停）控制、三相异步电动机正反转控制；起保停的核心是”启动常开按钮 + 与之并联的自锁常开触点 + 串联的停止常闭按钮”。
• 数字基础：二进制按权展开、二进制与十六进制相互转换（4 位二进制对应 1 位十六进制，权为 8421）；字节 Byte = 8 位、字 Word = 2 字节 = 16 位、双字 DWord = 2 字 = 4 字节 = 32 位；程序中用前缀区分常数进制（如 2# 表示二进制、16# 表示十六进制）。
• 原码、反码、补码：最高位为符号位（0 表示正、1 表示负）；正数的原码、反码、补码完全相同；负数的反码是符号位不变、数值位按位取反，负数的补码是其反码末位加 1。计算机内部有符号数一般用补码表示和运算。
• BCD 码：用 4 位二进制数表示 1 位十进制数（8421BCD），每一位范围为 00001001，对应十进制 09；可方便地表示年月日、计数等十进制信息。
• 三种基本逻辑运算与梯形图触点一一对应：与运算 = 常开触点串联（两者都为真输出才真）、或运算 = 常开触点并联（任一为真输出即真）、非运算 = 常闭触点（输入 0 输出 1、输入 1 输出 0）；多个触点串并联可实现复杂逻辑。
• PLC 编程语言遵循国际电工委员会 IEC 61131-3 标准，共五种：LAD 梯形图、ST（SCL）结构化文本、FBD 功能块图、IL 指令表、SFC 顺序功能图；S7-1200 在博途中主要使用 LAD、FBD、SCL 三种。
• LAD 梯形图最直观、最接近继电器控制电路，适合实现简单逻辑控制（如起保停），并配有通电延时定时器（TON）、断电延时定时器（TOF）、计数器等指令；SCL 结构化文本类似 C、Java、Python 等高级语言，用 If…Then、Case、For、While 等语句构建分支与循环，适合复杂运算、算法和数据管理，机械专业掌握 SCL 竞争力更强。
• 在博途中”添加新块（函数 FC/函数块 FB）”时要为该块选择编程语言（LAD 或 SCL 等），程序块名称只能用英文（可加数字），如”机械一二班起保停”程序块需用英文命名。

二、知识结构

• S7-PLCSIM 仿真软件
  • 作用、版本、下载与配对启动；仿真 vs 实物的变量区别（M 与 I/Q）；仿真操作步骤
  • 起保停仿真演示、经典控制电路读图
• 数字编码基础
  • 二进制/十六进制转换；字节、字、双字；常数表示
  • 原码、反码、补码；BCD 码
• 基本逻辑运算
  • 与（串联）、或（并联）、非（常闭）；复杂串并联逻辑
• IEC 61131-3 编程语言
  • 五种语言；S7-1200 的 LAD/FBD/SCL；LAD 与 SCL 对比与选择；新建块选语言

三、详细笔记

3.1 S7-PLCSIM 仿真软件及其作用

• S7-PLCSIM 是博途（TIA Portal）配套的 PLC 模拟仿真软件（课程演示使用了 V16、V20 等版本）。它在计算机内部虚拟出一台 PLC，可仿真 S7-1200 的大部分功能、几乎支持 S7-PLC 的全部常用指令。
• 作用：在没有 PLC 实物、没有接线和外部按钮/指示灯的情况下，学习者可以先在软件中编写、下载、运行程序，快速熟悉各种指令和元件、验证控制逻辑，降低实训成本、提高上机效率；后期再到实物 PLC 上调试。
• 仿真与实物的连接方式：仿真时程序下载到计算机内的虚拟 PLC；实物调试时，编程计算机通过网线（也可无线）与真实 PLC 连接，再把程序下载进 PLC，启动后即可控制实际设备。

3.2 仿真变量必须选 M（本节最重要的考点/易错点）

• PLC 的变量（地址）按区域主要分三类：
  • I（输入映像区）：接外部输入元件，如启动/停止按钮、行程开关、传感器，实物运行时由外部信号决定其 0/1；
  • Q（输出映像区）：接外部执行元件，如接触器/继电器线圈、指示灯、电磁阀；
  • M（位存储器/中间变量，相当于中间继电器）：用于程序内部存储中间状态、自锁/互锁信号，不直接对应外部端子。
• 在 S7-PLCSIM 仿真中，没有真实的外部按钮去驱动 I 点，也没有真实负载反映 Q 点。如果把需要手动改变的变量命名为 I 或 Q，仿真时无法对其置位/复位，程序就”运行不出来”。正确做法是把这类变量改成 M 区变量（如 M0.0、M0.1），在仿真界面用鼠标点击即可让 M 位在 0、1 之间切换，用 M 位模拟现场输入信号，程序才能被驱动。
• 在实物 PLC 上，I0.0、I0.1、Q0.0 等地址由真实接线和外部元件驱动，可以正常使用，不存在此限制。
• 记忆要点：仿真用 M、实物可用 I/Q；上机时若发现程序”点了没反应”，首先检查变量类型是否误选成了 I/Q。

3.3 仿真操作步骤

1. 安装并打开博途与配套的 S7-PLCSIM 仿真软件；
2. 在博途中编写好程序（如起保停梯形图），启动仿真、搜索并与虚拟 PLC 配对，软件会自动弹出/进入模拟仿真平台；
3. 把程序下载到仿真模块（启动模块），令虚拟 PLC 处于运行状态；
4. 在仿真变量界面把需要模拟的输入改为 M 变量，用鼠标将其置 1（模拟按下）或置 0（模拟松开）；
5. 观察梯形图中导线、触点、线圈颜色变化（得电通常显示为绿色）和 M/Q 变量状态，验证逻辑是否正确。

3.4 起保停电路的仿真与读图

• 起保停（连续/长动控制）是 PLC 最经典、必须掌握的梯形图：
  • 启动按钮用常开触点，停止按钮用常闭触点；
  • 输出线圈（如 Q0.0，仿真时可用 M 位代替）的一个常开辅助触点与启动按钮并联，构成自锁（自保持）支路；
  • 按下启动→线圈得电并由自身常开触点保持得电（”保”），线圈再去控制主回路接触器从而驱动电动机；按下停止（常闭断开）→线圈失电、自锁解除，全线断电。
• 仿真现象：按下启动按钮，线圈及得电支路变为绿色并保持；按下停止按钮，绿色消失、线路断电。
• 为便于在线修改、调试，工程上常把启动信号单独用一个输入点引出（增加 I 点），再驱动中间继电器/线圈，修改逻辑时不必改动主接线，实现的功能不变。
• 课程要求能读懂的第二章经典控制电路还包括：点动控制（按下就转、松开就停，无自锁）、连续控制（起保停）、三相异步电动机正反转控制（含互锁）。这些电路的逻辑都要能在梯形图中识别。

3.5 数制与编码基础

• 二进制与十六进制：二进制只有 0、1，按权（$2^{n}$）展开即可化为十进制，如二进制 $1011=1\times2^{3}+0\times2^{2}+1\times2^{1}+1\times2^{0}=11$。二进制转十六进制时，从小数点起每 4 位分为一组，每组按 8、4、2、1 的权换算成 1 位十六进制数（09、AF）；反之 1 位十六进制对应 4 位二进制。
• 数据长度单位：
  • 1 字节（Byte，B）= 8 位（bit）；
  • 1 字（Word，W）= 2 字节 = 16 位；
  • 1 双字（Double Word，DWord，DW）= 2 字 = 4 字节 = 32 位。
• 常数的进制表示：在程序中常加前缀以区分进制，例如用 2# 开头表示二进制常数、用 16# 开头表示十六进制常数（具体写法以博途/教材为准）。
• 原码、反码、补码：
  • 约定最高位为符号位，0 表示正数、1 表示负数，其余为数值位；
  • 正数：原码、反码、补码三者相同；
  • 负数的反码：符号位保持为 1 不变，数值位逐位取反（0 变 1、1 变 0）；
  • 负数的补码：在其反码的基础上末位加 1；
  • 计算机中有符号整数通常以补码形式存储和运算，可把减法化为加法、简化运算器。
• BCD 码（二—十进制编码）：用 4 位二进制数表示 1 位十进制数字，最常用的是 8421BCD 码；每一位十进制数字对应 00001001（即 09），1010~1111 为非法码。多位十进制数逐位编码，例如日期、时间、计数显示等可用 BCD 码表示，便于人与十进制习惯对应。

3.6 基本逻辑运算与梯形图触点

• 与（AND）逻辑：对应常开触点串联。只有所有串联触点都闭合（条件都为真）时，输出线圈才得电；逻辑表达式可写为 $Q=A\cdot B$。
• 或（OR）逻辑：对应常开触点并联。只要并联支路中有一个触点闭合（任一条件为真），输出就得电；$Q=A+B$。
• 非（NOT）逻辑：对应常闭触点。输入为 0 时触点导通、输出为 1，输入为 1 时触点断开、输出为 0，即输出与输入相反。
• 实际控制中，把若干常开/常闭触点按串联、并联组合，即可实现”与、或、非”复合的复杂条件判断，这正是梯形图编程的基础。

3.7 IEC 61131-3 与 PLC 的五种编程语言

• PLC 编程语言由国际电工委员会 IEC 61131-3 标准统一规定，标准给出五种编程语言：
  1. 梯形图 LAD（LD）：以类似继电器控制电路的图形符号（母线、触点、线圈、功能框）编程，最直观、应用最广；
  2. 结构化文本 ST（西门子称 SCL）：类似高级语言的文本式语言，用语句、表达式编程；
  3. 功能块图 FBD（FBD）：以功能框（与门、或门、定时器、计数器等功能模块）和连线编程，类似数字逻辑电路图；
  4. 指令表 IL（STL 类）：类似汇编的逐条指令（助记符）列表，逐步执行，现已较少使用；
  5. 顺序功能图 SFC（GRAPH/顺序控制）：用”步—转换—动作”描述顺序控制流程，适合按工步推进的自动化过程（课程后续章节讲解）。
• S7-1200 在博途中主要使用 LAD、FBD、SCL 三种语言。

3.8 LAD 与 SCL 的特点、选择与新建块

• LAD 梯形图：图形化、直观易懂、与继电器控制电路对应紧密，最适合实现简单的逻辑控制（点动、起保停、互锁、联锁等）；指令库中还包括定时器（如通电延时 TON、断电延时 TOF）、计数器（触发一次计一次数）、比较、传送、运算等功能指令。
• SCL 结构化文本：文本化语言，语法类似 C、Java、C++、Python，使用 If…Then（条件分支）、Case（多分支选择）、For、While（循环） 等语句构建程序结构，适合实现大量数学运算、复杂算法、数据处理与管理；缺点是不如梯形图直观。对机械专业学生而言，在掌握梯形图的基础上再掌握 SCL，在竞赛、就业中优势更大。
• 语言选择原则：简单开关量逻辑、互锁联锁优先用 LAD（直观、便于现场人员读图维护）；复杂计算、循环、批量数据处理、通信数据管理用 SCL 更简洁；二者可在同一项目中混用（不同程序块用不同语言）。
• 新建程序块时选择语言：在博途中”添加新块”（组织块 OB、函数 FC、函数块 FB 等）时，需要为该块选择编程语言——选 LAD 则进入梯形图编辑、选 SCL 则进入文本编辑；程序块名称只能使用英文字母（可含数字），例如为”机械 1、2 班起保停”程序块命名时应写成英文标识符。梯形图中可直接从指令列表把启动按钮触点、线圈等拖入网络（程序段）编辑，操作简洁。

四、上机操作与案例

4.1 起保停仿真完整操作

• 新建项目、添加 CPU（S7-1200），在 OB1 中用 LAD 编写起保停：启动常开触点与自锁常开触点并联，再与停止常闭触点、输出线圈串联；
• 启动 S7-PLCSIM 并下载程序；把启动、停止信号改用 M 变量（如启动 M0.0、停止 M0.1，输出可用 M 或观察 Q）；
• 将 M0.0 置 1 再置 0（点按启动），观察线圈得电并自锁、线路变绿；将 M0.1 动作（常闭断开）模拟停止，观察线圈失电、自锁解除。

4.2 仿真”程序不运行”的排查

• 现象：点击变量但线圈无反应。排查顺序：①变量是否误设为 I/Q（仿真应改为 M）；②程序是否已下载到仿真模块并处于运行状态；③触点常开/常闭、自锁支路、停止按钮逻辑是否接对；④是否处于监控（在线）状态。

4.3 数制与补码换算练习

• 把二进制 10111001 转十进制/十六进制；判断一个负数的原码、反码、补码；把十进制数（如日期 2026、计数 27）写成 8421BCD 码；判断字节、字、双字各含多少位。

4.4 同一功能用 LAD 与 SCL 实现

• 起保停既可用 LAD（启动常开并联自锁、停止常闭串联线圈）实现，也可在新建 FC/FB 时选择 SCL，用 If 等语句判断启动、停止和自保持状态实现；体会两种语言的优缺点和选用场合。

五、仿真步骤与语言对比速查表

项目	关键内容
仿真软件	博途配套 S7-PLCSIM（V16/V20 等），可仿真 S7-1200 大部分指令
仿真变量	必须选 M（中间变量），不能选 I/Q；实物 PLC 可用 I/Q
I/Q/M 含义	I 输入、Q 输出、M 中间变量（位存储器/中间继电器）
仿真步骤	启动 PLCSIM→搜索配对→下载到仿真模块→M 位置 0/1→监控得电（绿色）
起保停	启动常开 ∥ 自锁常开，再串停止常闭与线圈；按启动自锁、按停止解除
必读电路	点动、连续（起保停/长动）、三相异步电动机正反转（含互锁）
数据单位	1 字节=8 位；1 字=2 字节=16 位；1 双字=2 字=4 字节=32 位
进制	二进制按权展开；4 位二进制↔1 位十六进制（8421）；2#、16# 前缀
原反补码	正数三码相同；负数反码符号位不变数值取反，补码=反码+1
BCD 码	4 位二进制表 1 位十进制，00001001 对应 09（8421BCD）
与/或/非	与=常开串联；或=常开并联；非=常闭触点
编程标准	IEC 61131-3 五种语言：LAD、ST/SCL、FBD、IL、SFC
S7-1200 主用	LAD 梯形图、FBD 功能块图、SCL 结构化文本
LAD	直观、适合简单逻辑；含 TON/TOF 定时器、计数器等
SCL	类 C/Python，If/Case/For/While，适合复杂算法与数据管理
新建块	添加 FC/FB 时选语言（LAD/SCL），块名只能用英文

六、课堂任务与复习安排

• 上机任务：下载并安装 S7-PLCSIM，完成博途与仿真平台的配对、程序下载；用 M 变量成功仿真起保停电路，观察启动自锁、停止解除的现象。
• 复习要求：
  1. 牢记仿真时变量必须选 M、不能选 I/Q，并能解释原因，能排查”程序不运行”；
  2. 能独立画出并讲解点动、起保停、正反转电路的梯形图逻辑；
  3. 熟练进行二进制/十六进制/十进制换算，记住字节、字、双字位数；
  4. 会求正数、负数的原码、反码、补码，理解 BCD 码；
  5. 能把与、或、非逻辑对应到串联、并联、常闭触点；
  6. 记住 IEC 61131-3 五种语言，重点掌握 LAD、FBD、SCL，能说明 LAD 与 SCL 的特点和选用场合；
  7. 会在博途中新建程序块并正确选择编程语言、用英文命名。

七、待核对与疑问

问题	原因	建议核对方式
常数进制前缀的准确写法（2#、16# 等）	录音口语带过	查博途/S7-1200 教材常数表示
BCD 码正负数最高四位符号表示（1111/0000）	录音表述含糊	查教材 BCD/带符号 BCD 码
S7-PLCSIM 具体版本号（V16/V20）	录音提到博主版本	以机房实际安装版本为准
五种语言中 IL 指令表、SFC 在博途中的确切名称	录音列举较口语	查 IEC 61131-3 与博途文档
定时器/计数器指令助记符（TON/TOF/CTU 等）	录音只提”通电/断电延时、计数”	查 S7-1200 指令表
仿真下载、配对菜单的具体名称与步骤	录音为现场演示口述	上机对照博途+PLCSIM 操作

八、复习与主动回忆

复习清单

1. 用 3 分钟说清 S7-PLCSIM 的作用和仿真下载步骤。
2. 用 4 分钟讲透”仿真变量为什么必须选 M、不能选 I/Q”，并说出 I/Q/M 的含义。
3. 用 4 分钟画出起保停梯形图并描述仿真现象，比较点动与长动。
4. 用 5 分钟复习进制换算、字节/字/双字、原反补码、BCD 码。
5. 用 3 分钟把与、或、非对应到梯形图触点。
6. 用 5 分钟说出 IEC 61131-3 五种语言，对比 LAD 与 SCL 的特点和选用。
7. 用 2 分钟说明在博途新建程序块时如何选语言、命名有何要求。

主动回忆题

1. S7-PLCSIM 仿真软件有什么作用？没有 PLC 实物时能做什么？
2. 为什么在仿真环境中变量必须选 M，而不能选 I 或 Q？实物 PLC 上也有这个限制吗？
3. I、Q、M 分别代表什么区域？各接什么元件或起什么作用？
4. 简述用 S7-PLCSIM 仿真一个程序的操作步骤。
5. 画出起保停梯形图，说明启动、自锁、停止各由什么触点实现；仿真时按下启动、停止按钮分别看到什么现象？
6. 点动控制和连续（长动）控制的区别是什么？正反转控制为什么要互锁？
7. 字节、字、双字各是多少位？二进制怎样转十六进制？
8. 正数和负数的原码、反码、补码分别怎么求？什么是 BCD 码？
9. 与、或、非三种逻辑分别对应梯形图中触点的什么连接方式？
10. IEC 61131-3 规定了哪五种编程语言？S7-1200 主要用哪三种？LAD 和 SCL 各适合什么场合？新建程序块时要注意什么？

答案要点

1. S7-PLCSIM 是博途配套的仿真软件，可在计算机中虚拟一台 PLC，仿真 S7-1200 的大部分指令和元件；在没有 PLC 实物、不接线的情况下就能编写、下载、运行程序，熟悉指令、验证逻辑，降低实训成本，之后再到实物上调。
2. 仿真时没有真实外部按钮和负载，I 点无法被外部信号驱动、Q 点也无真实负载，若把需要手动改变的变量设为 I/Q，就无法置位复位、程序运行不出来；改用 M 中间变量后，可用鼠标把 M 位置 0/置 1 来模拟输入。实物 PLC 上 I/Q 由真实接线和元件驱动，可以正常使用，没有这一限制。
3. I 是输入映像区，接按钮、行程开关、传感器等输入元件；Q 是输出映像区，接接触器/继电器线圈、指示灯、电磁阀等执行元件；M 是位存储器（中间变量，相当于中间继电器），用于程序内部保存中间状态、自锁互锁信号，不直接对应外部端子。
4. 打开博途写好程序→启动 S7-PLCSIM 并搜索、配对虚拟 PLC→把程序下载到仿真（启动）模块并运行→把需模拟的输入改为 M 变量并用鼠标置 0/1→在线监控触点、线圈、导线颜色（得电变绿），验证逻辑。
5. 启动按钮用常开触点，输出线圈的一个常开辅助触点与启动按钮并联实现自锁（自保持），停止按钮用常闭触点串联在线路中。仿真时按启动（M 位置 1）线圈得电、自锁触点闭合保持，线路变绿并控制主回路电动机；按停止（常闭断开）线圈失电、自锁解除，整条线断电。
6. 点动控制没有自锁，按下按钮运转、松开即停；连续（长动/起保停）有自锁触点，按一次启动后即使松开按钮仍持续运转，直到按停止。正反转控制若两个方向同时接通会造成电源相间短路，故必须设置互锁（电气互锁/机械互锁），保证正转、反转接触器不能同时得电。
7. 1 字节=8 位；1 字=2 字节=16 位；1 双字=2 字=4 字节=32 位。二进制转十六进制时从小数点起每 4 位分一组，每组按 8421 权换成 1 位十六进制（09、AF），反之 1 位十六进制展开为 4 位二进制。
8. 最高位为符号位（0 正 1 负）；正数的原码、反码、补码相同；负数反码是符号位不变、数值位逐位取反，负数补码是反码末位加 1；计算机有符号数多用补码运算。BCD 码是用 4 位二进制表示 1 位十进制数的编码（8421BCD 中 00001001 分别表示 09），便于表示和显示十进制数据。
9. 与运算对应常开触点串联（全部闭合才得电，$Q=A\cdot B$）；或运算对应常开触点并联（任一闭合即得电，$Q=A+B$）；非运算对应常闭触点（输入 0 输出 1、输入 1 输出 0）。触点串并联组合可实现复杂复合逻辑。
10. IEC 61131-3 规定五种语言：梯形图 LAD、结构化文本 ST（SCL）、功能块图 FBD、指令表 IL、顺序功能图 SFC；S7-1200 在博途中主要用 LAD、FBD、SCL。LAD 直观、接近继电器电路，适合点动、起保停、互锁等简单逻辑；SCL 类似 C/Python，用 If/Case/For/While，适合复杂运算、算法和数据管理。新建 FC/FB 等程序块时要在添加块时选择该块语言（LAD 或 SCL），且程序块名只能用英文字母（可含数字）。