2. PLC基础与S7-1200硬件体系
PLC（可编程逻辑控制器）之所以能在工业现场长期稳定运行，核心在于它采用“循环扫描”的工作方式，把复杂的控制任务拆解为输入采样、程序执行、输出刷新三个不断重复的阶段。理解这一机制，是学习S7-1200硬件选型与编程的基础。
2.1 PLC工作原理与循环扫描机制
PLC并非像普通计算机那样“事件驱动”地执行程序，而是以固定周期反复扫描。每个扫描周期大致包含以下阶段：
- 输入采样：CPU读取所有输入模块的当前状态，写入过程映像输入区（PII）。
- 程序执行：按用户程序顺序逐条执行指令，读写过程映像输出区（PIQ）和内部存储区。
- 输出刷新：将过程映像输出区的结果一次性写入输出模块，驱动外部负载。
- 系统通信与自诊断：处理通信请求、诊断故障、刷新看门狗等。
扫描周期的时间取决于程序长度、指令类型和通信负载。S7-1200的典型扫描周期在毫秒级，若程序中出现死循环或大量阻塞通信，会导致扫描周期变长，进而影响实时性。
关键理解：输入信号在一个扫描周期内只在采样阶段被读取一次，因此窄脉冲信号可能被漏读；输出信号在刷新阶段才真正输出，因此程序中的中间状态不会立即影响外部负载。
2.2 S7-1200 CPU型号与选型
S7-1200系列CPU按性能和功能分为多个型号，常见的有CPU 1211C、1212C、1214C、1215C、1217C等。型号数字越大，程序存储器、数据存储器、集成I/O点数和通信接口数量越多。
| CPU型号 | 程序存储器 | 集成数字量I/O | 集成模拟量I/O | 通信接口 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| CPU 1211C | 50 KB | 6 DI / 4 DO | 2 AI | 1×PROFINET | 小型单机控制 |
| CPU 1212C | 75 KB | 8 DI / 6 DO | 2 AI | 1×PROFINET | 小型设备控制 |
| CPU 1214C | 100 KB | 14 DI / 10 DO | 2 AI | 1×PROFINET | 中型自动化设备 |
| CPU 1215C | 125 KB | 14 DI / 10 DO | 2 AI / 2 AO | 2×PROFINET | 中型复杂控制 |
| CPU 1217C | 150 KB | 14 DI / 10 DO | 2 AI / 2 AO | 2×PROFINET | 高性能运动控制 |
选型时需重点关注：程序存储容量是否满足项目规模、集成I/O点数是否够用、是否需要模拟量通道、通信接口数量是否满足组网需求。若集成点数不足，可通过信号模块扩展。
2.3 信号模块与通信模块
S7-1200采用模块化设计，CPU本体右侧可扩展信号模块（SM）和通信模块（CM）。信号模块用于扩展数字量或模拟量I/O，通信模块用于扩展串口、PROFIBUS等通信能力。
- 数字量输入模块（DI）：采集按钮、限位开关、接近开关等开关量信号，常见有8点、16点规格。
- 数字量输出模块（DQ）：驱动继电器、接触器、指示灯等负载，分晶体管输出和继电器输出。
- 模拟量输入模块（AI）：采集温度、压力、流量等连续信号，支持电压、电流、热电阻等类型。
- 模拟量输出模块（AQ）：输出4~20mA或0~10V信号，用于调节阀、变频器等执行机构。
- 通信模块（CM）：如CM 1241 RS232/RS485，用于连接扫码枪、仪表、变频器等第三方设备。
扩展规则：CPU 1211C最多扩展3个模块，1212C最多扩展5个，1214C及以上最多扩展8个。扩展模块通过U型总线连接器与CPU通信，安装时需断电操作。
2.4 电源选型与供电设计
S7-1200通常采用DC 24V供电，也可选用AC 120/230V电源模块。电源选型需计算CPU、扩展模块、传感器和执行器的总功耗，并留出20%~30%余量。
电源功率估算示例：
CPU 1214C 功耗：约 12 W
SM 1223 DI16/DQ16 功耗：约 4 W
SM 1231 AI4 功耗：约 3 W
外部传感器总功耗：约 15 W
执行器总功耗：约 20 W
--------------------------------
合计：54 W
建议电源功率：54 × 1.3 ≈ 70 W
选型：DC 24V / 5A（120W）开关电源常见误区：忽略浪涌电流和启动电流，导致电源在设备启动瞬间过载保护；或未将传感器电源与执行器电源分开，造成干扰。建议PLC逻辑电源与负载电源分路供电，并加装熔断器或断路器保护。
2.5 案例：小型包装机控制系统硬件配置
某小型包装机需要控制输送带、封口气缸、计数传感器和触摸屏。控制要求：8个数字量输入、6个数字量输出、1路模拟量输入（温度检测）、1个PROFINET接口连接HMI。
选型方案：CPU 1214C（14DI/10DO，2AI，1×PROFINET）即可满足全部需求，无需额外扩展模块。电源选用DC 24V/3A开关电源，为CPU、传感器和触摸屏供电。若后续增加伺服轴，可升级为CPU 1215C并扩展通信模块。
2.6 复盘与检查清单
- 是否理解循环扫描三阶段及其对输入输出响应的影响？
- CPU型号是否根据程序容量、I/O点数和通信需求合理选择？
- 扩展模块数量是否超出CPU允许上限？
- 电源功率是否留有余量，是否分路供电？
- 通信模块与第三方设备协议是否匹配？
掌握以上硬件体系知识后，才能在实际项目中正确选型、规范接线，并为后续编程和调试打下可靠基础。