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本文整理 S7-1200 PLC 学习中的定时器、计数器、PWM/模拟量、高速计数器与编码器，以及梯形图编程规范。文中用表格和例题说明 TON/TOF、CTU/CTD、占空比、IW/QW、HSC、A/B 相编码器和双线圈等核心知识点。

一、核心结论

• TON 是接通延时定时器：IN 持续接通并达到 PT 后 Q 才输出；IN 在计时期间断开则当前值复位。
• TOF 是断开延时定时器：IN 接通时 Q 立即接通；IN 断开后 Q 仍保持 PT 设定时间，到时才断开。
• 用两个 TON 和一个中间继电器 M 位，可以实现“先等待 3 秒、再输出 5 秒”的单周期定时逻辑；连续闪烁还需要补充循环自锁/互锁逻辑。
• CTU 为加计数器，CU 每来一个上升沿当前值加 1，达到 PV 后 Q 输出；CTD 为减计数器，CD 上升沿使当前值减 1，装载端 LD 可装入预设值。
• PWM 通过固定周期内改变高电平持续时间来改变平均输出，本质上仍是数字量通断，但可用于模拟调光、调速、调温等场合。
• S7-1200 的模拟量输入可用IW64/IW66表示，0～10V 标准信号对应约 0～27648；PWM 输出可通过硬件组态分配如QW1000的过程映像字地址。
• 普通开关量受 PLC 循环扫描周期限制，无法可靠捕捉高频脉冲；编码器信号应接入高速计数器 HSC，由硬件独立计数。
• 增量式编码器 A、B 两相脉冲相差约 1/4 个脉冲节距，PLC 可通过两相先后顺序判断旋转方向，通过 Z 相/零点信号建立参考位置。
• 梯形图中同一输出线圈一般不能在多个网络重复编写，否则循环扫描后只有最后一次线圈状态有效；应合并逻辑或用中间继电器 M 位组织条件。
• 梯形图必须按左母线到右母线、触点在左线圈在右、从上到下的顺序绘制；触点可无限次复用，定时器/输出线圈通常只能使用一次。

二、知识结构

• S7-1200 PLC功能指令
  • 定时器
    • TON接通延时
    • TOF断开延时
    • TP脉冲定时
    • 双TON定时电路
  • 计数器
    • CTU加计数
    • CTD减计数
    • CTUD加减计数
    • ADD/MOVE数据处理
  • PWM与模拟量
    • 周期与占空比
    • 0-10V对应0-27648
    • IW输入字/QW输出字
    • CTRL_PWM
  • 高速计数器HSC
    • 编码器
    • A/B相方向判别
    • Z相零点
    • 硬件组态与CTRL_HSC
  • 梯形图编程规范
    • 避免双线圈
    • 节省I/O点
    • 左触点右线圈
    • 启停+4秒断开例题

三、详细笔记

3.1 TON：接通延时定时器

• TON 的关键端子：
  • IN：定时器输入/使能端；
  • PT：预设延时时间（Preset Time）；
  • Q：定时到输出位；
  • ET：已经过的时间（Elapsed Time）。
• 工作过程：
  1. IN=OFF时，Q=OFF，ET=0。
  2. IN由 OFF 变 ON 并持续保持时，定时器开始累计时间。
  3. 若ET < PT期间 IN 断开，定时器复位，Q 不输出。
  4. 当ET ≥ PT时，Q 变为 ON，ET 保持在预设值附近。
  5. 之后 IN 断开，TON 复位。
• 典型用途：按下启动按钮后延迟启动风机、灯、传送带，或要求某动作持续/等待一段时间后再触发下一步。
• 定时器的触点可以在程序中多次使用，但同一个定时器线圈/功能框不应重复编写成多个相互冲突的定时条件。

3.2 TOF：断开延时定时器

• TOF 的关键端子同样包括 IN、PT、Q、ET，但触发逻辑与 TON 相反。
• 工作过程：
  1. IN=ON时，Q=ON，ET=0，输出立即接通。
  2. IN 由 ON 变 OFF 后开始计时，Q 在延时期间继续保持 ON。
  3. 延时达到 PT 后，Q 才变为 OFF，ET 保持到设定值。
  4. 若在延时期间 IN 重新接通，则定时器复位，Q 保持接通。
• 典型用途：设备停止后让冷却风机、排屑电机、照明或报警继续工作一段时间，再自动断开。

3.3 TP 脉冲定时器与“双 TON”定时电路

• TP 用于产生一个固定宽度脉冲：输入触发后，输出 Q 按 PT 设定时间保持，教师将其作为脉冲定时功能与 TON/TOF 对比讲解。
• 课堂练习要求：启动后Q0.0先断开/等待 3 秒，再接通 5 秒；停止按钮可中止过程。
• 单周期实现思路：
  1. I0.0启动按钮置位中间继电器M0.0，并用 M0.0 自锁；I0.1常闭触点作为停止条件。
  2. M0.0 同时启动第一个 3 秒 TON。
  3. 第一个 TON 未到时，其常开触点未闭合，Q0.0 不输出。
  4. 3 秒到后，第一个 TON 常开触点闭合，使 Q0.0 接通，同时启动第二个 5 秒 TON。
  5. 5 秒到后，第二个 TON 的触点切断 M0.0 自锁回路，整个过程复位。
• 教师强调：
  • 3 秒定时器的触点要放在输出支路前面，用来决定“什么时候开始输出”。
  • 5 秒定时器到达后应切断中间继电器，而不是只断开灯，否则下一次启动状态可能混乱。
  • 课堂要求的是一次动作过程；若要求无限周期闪烁，还需增加定时器触点之间的循环互锁。

3.4 CTU 加计数器

• CTU 的关键端子：
  • CU：加计数脉冲输入；
  • R：复位端；
  • PV：预设值；
  • CV：当前计数值；
  • Q：当前值达到预设值后的输出位。
• CU 端每检测到一个 OFF→ON 的上升沿，CV 加 1；信号一直保持 ON 不会连续加数。
• 当CV ≥ PV时，Q 输出；R 接通时当前值清零，Q 复位。
• 计数对象可以是按钮、接近开关、光电开关、工件检测信号等；按钮存在抖动时，实际工程中应考虑硬件滤波或软件消抖。

3.5 CTD 减计数器与 CTUD 加减计数器

• CTD 的关键端子：
  • CD：减计数脉冲输入；
  • LD：装载端，用于把 PV 装入当前值；
  • PV/CV/Q：预设值、当前值和输出。
• CD 每来一个上升沿，CV 减 1；到达下限/零条件时 Q 动作，具体状态字与数据类型以 TIA 指令帮助为准。
• CTUD 同时具备加计数 CU、减计数 CD、复位和装载等功能，适合既能正转计数又能反转倒减的场合。
• 若计数规则较复杂，也可用ADD加法指令、MOVE传送指令和中间字存储区实现更灵活的数据处理，但要注意数据类型和脉冲上升沿，避免一个扫描周期内重复加或每个扫描周期都加。

3.6 PWM 的基本原理

• 数字量输出只有接通和断开两种状态；若让输出按固定频率反复通断，并改变每个周期内高电平持续时间，就可得到不同平均电压/平均功率。
• 基本参数：
  • 周期 T：一个完整“高电平 + 低电平”的时间；
  • 高电平时间 t_on；
  • 占空比 D：D = t_on / T × 100%。
• 示例：周期为 1000 ms，高电平为 500 ms，则占空比为 50%；高电平为 200 ms，则占空比为 20%。
• 常见应用：
  • 加热器调温；
  • 小型电机调速；
  • 比例阀门开度控制；
  • LED/灯光亮度调节。
• PWM 与 PTO 的区别：
  • PWM 是脉宽调制，周期通常固定，占空比可变，侧重平均输出控制；
  • PTO 是脉冲串输出，通常输出固定数量、固定频率/占空比的脉冲，更常用于步进或伺服位置/速度控制。
• 具体 CPU 支持的高速输出通道数和最高频率与型号、固件及输出类型有关，课程提到 S7-1200 高速输出通道数量有限，实际应以硬件手册为准。

3.7 模拟量与 IW/QW

• 模拟量是连续变化的量，如 0～10V 电压、4～20mA 电流、温度、压力等；PLC 需要通过 A/D 转换把模拟量变为整数过程值。
• S7-1200 课程示例中，板载模拟量输入地址出现IW64、IW66；标准 0～10V 单极性信号对应的数字量范围约为 0～27648。
• I表示输入，Q表示输出；W表示字（Word，16 位），因此：
  • IW64：输入字，存放模拟量输入转换后的数值；
  • QW1000：输出字，可作为 PWM 通道或模拟量输出过程映像地址。
• 课堂演示用一个电位器/模拟输入值控制 PWM 输出，核心思路是把输入字传送到 PWM 输出字：

MOVE EN := 条件接通 IN := IW64 OUT := QW1000

• 在线监控时可通过监控表观察 IW64 的数值变化，并观察 QW1000/PWM 输出占空比是否随输入变化。

3.8 TIA 中 PWM 的硬件组态与 CTRL_PWM

• PWM 不是只写一个 Q 位即可，需要先在设备组态中启用 CPU 的脉冲发生器/PWM 通道，并设置：
  • PWM/PTO 功能类型；
  • 时基或周期单位；
  • 初始周期，如 1000 ms；
  • 初始脉冲宽度，如 500 ms；
  • 输出地址，如QW1000；
  • 硬件输出点。
• 程序中调用CTRL_PWM功能块，常见接口包括 EN/ENO、PWM 通道号、ENABLE、BUSY、STATUS 等；ENABLE 接通后通道按指定周期和脉宽输出。
• 调试时应先下载硬件组态，再下载程序；若修改了通道地址或输出类型，必须重新编译并下载硬件配置。
• 若状态字/错误代码异常，应优先检查硬件通道是否启用、输出地址是否冲突、CPU 型号是否支持以及脉冲输出点是否为正确的晶体管输出类型。

3.9 高速计数器 HSC 的作用

• 普通输入点按用户程序扫描周期刷新。若脉冲频率很高，一个扫描周期内可能已经来了多个脉冲，PLC 无法可靠计数。
• 高速计数器 HSC（High-Speed Counter）由硬件通道独立计数，不受普通程序扫描周期限制，用于采集高速脉冲、流量脉冲、转速脉冲和编码器信号。
• 课程中使用的工程环境为 TIA Portal 与 S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC，固件版本示例为 V4.4；具体可用 HSC 通道和输入点随 CPU 型号变化。

3.10 编码器与 A/B/Z 相信号

• 编码器是把机械位移、转角、转速或位置转换为电脉冲/数字信号的传感器。
• 增量式编码器输出的是相对位移脉冲：从某个参考点开始，通过累计脉冲数计算移动量；断电或丢失参考后，绝对位置不能仅凭增量脉冲确定。
• 分辨率通常用每转脉冲数（PPR）表示；每转脉冲越多，角度/位置分辨能力越强。
• 光电式增量编码器内部有码盘和光电检测通道：码盘转动时通光/遮光形成高低电平。
• A、B 两相脉冲相差约 1/4 个脉冲节距（正交相位）：
  • A 相超前 B 相时可判定为一个方向；
  • B 相超前 A 相时判定为反方向；
  • PLC 可据此进行加计数或减计数。
• Z 相（也常称零点/索引相）每转输出一个参考脉冲，用于回零或建立位置基准。

3.11 HSC 硬件组态与控制

• 课堂演示的组态流程可概括为：
  1. 在 TIA 设备组态中选择 CPU；
  2. 启用高速计数器；
  3. 选择计数模式，如单相或 A/B 相正交计数器；
  4. 设置初始计数当前值、参考值/周期值；
  5. 在硬件输入中分配 A 相、B 相、Z 相输入点；
  6. 下载硬件组态；
  7. 在监控表或程序中观察高速计数当前值。
• 不同 CPU 型号、固件版本和接线方式下，A/B/Z 相输入地址及高速计数当前值地址可能不同，实际接线与监控地址必须以 CPU 属性中的硬件输入映射表为准。
• 程序中可调用CTRL_HSC/高速计数控制功能，常见参数包括：
  • HSC 通道号；
  • COUNT/DIR 等控制位；
  • CV（Current Value，当前值）及是否更新当前值；
  • RV（Reference Value，参考值）及是否更新参考值；
  • BUSY、STATUS 等状态/错误输出。
• 典型应用包括到达设定脉冲数后置位输出、写入新参考值以及清零/建立参考点；具体程序段地址应结合实际工程文件配置。

3.12 梯形图基本规则

3.12.1 避免双线圈

• PLC 采用循环扫描：输入采样 → 执行用户程序 → 输出刷新。
• 如果同一个输出线圈Q0.x在多个网络中重复出现，程序每次扫描都会按网络顺序多次改写该线圈状态，最终输出刷新通常以最后一次线圈状态为准，前面的逻辑可能被覆盖。
• 正确做法：
  • 合并所有启动、停止、联锁条件，用一个线圈输出；
  • 或先用多个M中间继电器表示不同条件，再在最后统一驱动一个 Q 线圈。
• 中间继电器 M 不直接对应外部接线点，适合在程序内部做自锁、互锁、条件组合和状态暂存。

3.12.2 节省 I/O 点

• PLC 的成本和规模与 I/O 点数密切相关，外部按钮、传感器、执行器越多，所需输入输出点越多。
• 能用 HMI 画面软元件、程序内部 M 位或软件逻辑实现的功能，不应随意占用物理 I 点；但急停、安全门、硬接线联锁等安全功能不能为了省点而完全依赖软件。

3.12.3 图形排列规则

• 每个网络应形成完整的能流路径，从左母线开始，经过触点/功能块，到右侧线圈或输出结束。
• 触点应位于线圈左侧，线圈位于最右侧；不能把触点放在线圈右侧期待能流反向流动。
• 梯形图按从上到下、从左到右的顺序执行；并联支路和串联条件应画清楚，避免垂直方向上的“桥式”歧义。
• 常开、常闭触点原则上可以在程序中无限次复用；输出线圈、定时器线圈等通常只出现一次。
• 若需要无条件常通线圈，建议使用软件提供的常通位/系统标志（具体地址依 PLC 品牌而定），不要画成含义不清的空逻辑。

3.13 启动后立即输出、4 秒后自动停止例题

3.13.1 控制要求

• 按下启动按钮I0.0：输出Q0.0立即接通。
• 不按停止按钮时：Q0.0 接通 4 秒后自动断开。
• 按下停止按钮I0.1：Q0.0 可提前断开并复位定时过程。

3.13.2 推荐逻辑

1. 网络 1：启停自锁与定时到复位
   • I0.0常开与M0.0常开并联作为启动/自锁条件；
   • 串联I0.1常闭停止触点；
   • 再串联 4 秒定时器的常闭触点；
   • 输出线圈M0.0。
2. 网络 2：驱动外部输出
   • M0.0常开触点驱动Q0.0。
3. 网络 3：定时器计时
   • M0.0常开触点驱动 TON，PT 设为 4 秒。

3.13.3 动作过程

• 按下 I0.0：M0.0 得电并自锁，Q0.0 立即输出，TON 开始计时。
• 4 秒内按 I0.1：停止常闭断开，M0.0、Q0.0 和定时器全部复位。
• 不按 I0.1：4 秒后 TON 常闭触点断开，M0.0 失电，Q0.0 断开；随后定时器也因 M0.0 断开而复位，但启动按钮未持续按下，电路不会自行重启。
• 教师特别指出，只在表面上画出 Q0.0 和定时器但没有中间继电器自锁/互锁，逻辑可能看似能动作，却无法可靠完成停止、定时到复位和下一次启动。

四、例题、案例或实验

4.1 定时器波形练习

• 内容：TON、TOF、TP 的 IN、PT、Q、ET 状态变化。
• 重点：TON 等 IN 持续到 PT；TOF 在 IN 断开后继续保持 Q；TP 产生固定宽度脉冲。

4.2 双 TON“3 秒等待 + 5 秒输出”练习

• 元件：I0.0 启动、I0.1 停止、M0.0 中间继电器、两个 TON、Q0.0 输出。
• 重点：用第一个定时器决定输出何时开始，用第二个定时器切断自锁回路。

4.3 计数器练习

• 内容：CTU、CTD、CTUD 的 CU/CD/R/LD/PV/CV/Q 端子含义。
• 重点：只在输入脉冲上升沿计数，复位/装载条件要明确。

4.4 电位器/模拟量控制 PWM

• 内容：启用 PWM 硬件通道，周期示例 1000 ms，输出地址示例 QW1000；用 IW64 模拟量值改变脉宽。
• 重点：0～10V 对应 0～27648，MOVE 传送输入字到 PWM 输出字，在线监控 BUSY/STATUS。

4.5 编码器与 HSC 组态演示

• 内容：S7-1200 1214C DC/DC/DC、A/B 相正交计数、Z 相参考点、当前值/参考值设置。
• 重点：高频信号必须走 HSC 硬件通道，A/B 相相位差用于判断方向，Z 相用于回零。

4.6 启动自锁 + 4 秒自动停止

• 元件：I0.0、I0.1、M0.0、TON、Q0.0。
• 重点：自锁回路中串入停止常闭和定时到常闭，Q0.0 由 M0.0 统一驱动，避免双线圈。

五、术语、公式或关键表达

六、练习建议

• 结合 TIA Portal 独立完成 TON、TOF、CTU、CTD 的仿真练习。
• 用监控表观察 IW 模拟量数值、QW/PWM 输出字和占空比变化。
• 在设备组态中完成一次 HSC 通道配置，并通过编码器或脉冲信号验证方向判断和当前值累计。
• 对启停自锁、定时断开类题目，优先使用 M 位整理条件，避免重复线圈。

七、实践时需要再次确认的细节

八、复习与主动回忆

10–20 分钟复习清单

1. 默写 TON 与 TOF 的 IN、PT、Q、ET 状态表，特别比较 IN 接通/断开瞬间的差异。
2. 画出“等待 3 秒、输出 5 秒”的双 TON 单周期电路，说明 M0.0 的作用。
3. 默写 CTU 与 CTD 的端子，并各举一个计数场景。
4. 写出 PWM 占空比公式，计算周期 1000 ms、高电平 250 ms 时的占空比。
5. 说明 0～10V 模拟量输入为什么在程序中变成 0～27648。
6. 在 TIA 中口述启用 PWM 的硬件组态步骤和 CTRL_PWM 的作用。
7. 画出 A/B 相正交脉冲判断方向的原理，并说明 Z 相的作用。
8. 说明普通输入点为什么不能可靠计数高频脉冲，HSC 如何解决。
9. 找出双线圈梯形图的问题，并改写成 M 位汇总条件、一个 Q 输出的形式。
10. 独立画出“启动立即输出、4 秒自动停止、停止按钮可提前停止”的梯形图。

主动回忆题

1. TON 在 IN 接通但未到 PT 时断开，Q 和 ET 会怎样？
2. TOF 为什么适合用于风机停机后延时冷却？
3. 双 TON 电路中，如果第二个定时器只切断 Q0.0、不切断 M0.0，可能出现什么问题？
4. CTU 为什么只在 CU 的上升沿计数，而不是 IN 一直接通就连续加？
5. CTU 的 R 与 CTD 的 LD 有什么不同？
6. PWM 输出本质上是数字量，为什么能实现类似模拟量的调光、调速、调温？
7. 周期固定为 1 s，高电平分别为 0.2 s、0.5 s、0.8 s，占空比各是多少？
8. IW64、QW1000中 I、Q、W 分别表示什么？
9. 配置 PWM 时，为什么修改硬件通道后必须重新下载硬件组态？
10. 增量式编码器为什么需要回零或 Z 相参考点？
11. A 相超前 B 相与 B 相超前 A 相如何对应旋转方向？
12. 梯形图中为什么不允许随意重复同一个 Q 线圈？
13. “启动后立即输出、4 秒后停止”的电路中，定时到常闭触点为什么要串入 M0.0 自锁回路？

答案要点

1. TON 复位：Q 保持 OFF，ET 清 0；只有 IN 连续接通达到 PT 才有输出。
2. TOF 在运行信号断开后仍让风机保持接通 PT 时间，到时自动停，可用于散热或排屑。
3. M0.0 若不断开，定时器和内部状态可能仍保持，下一次启动、停止或循环状态会混乱；应让定时到信号复位整个控制条件。
4. 计数器统计的是离散事件次数，一个持续 ON 信号只代表一个事件，必须用上升沿避免同一事件重复计数。
5. R 用于把加计数器当前值清零/复位；LD 用于把预设值 PV 装载到减计数器当前值。
6. 负载对快速通断进行平均响应，改变高电平占空比就改变平均电压/功率。
7. 分别为 20%、50%、80%。
8. I 是输入，Q 是输出，W 是 16 位字；IW/QW 可用于模拟量或 PWM 数值通道。
9. PWM 通道、地址、周期单位和硬件输出点属于硬件配置，不下载硬件组态则程序中的通道地址无法正确生效。
10. 增量式编码器只记录相对脉冲，断电或丢失基准后不知道绝对位置；Z 相/回零操作用于建立位置零点。
11. A/B 正交脉冲谁超前谁对应正反转，PLC 根据相位顺序决定加计数或减计数。
12. PLC 按网络顺序扫描并在最后统一刷新输出，重复线圈会使最后一次状态覆盖前面的逻辑。
13. 串入定时到常闭触点可在 4 秒后切断 M0.0 自锁，使 Q0.0 和定时器共同复位；停止按钮也能通过同一自锁回路提前停机。