S7-1200 PLC课程设计：八段数码管与交通灯HMI实战

简介：《PLC实验 八段LED编程实验 交通红绿灯》面向电气工程及其自动化专业学生与PLC初学者，基于TIA Portal V13、S7-1200可编程控制器和KTP700触摸屏，提供八段LED显示与智能交通灯控制两项实验的完整指导材料。压缩包仅含1个docx文档，约1.62MB，按实验目的、仪器材料、操作步骤、结果测试与反思总结组织，便于按流程查阅。文档具体覆盖Portal项目创建、PLC变量表设置、梯形图编程、接通延时定时器与MOVE指令应用、八段LED段位码显示和0至8循环控制，也说明HMI画面中矩形组合数码管、静态文本、控制按钮、变量关联及动画设计的方法。交通灯部分给出自动与手动模式切换、南北/东西方向灯序控制、触摸屏设定通行和黄灯时间、仿真验证等思路。思考题涉及直接控制各段通断、三个八段LED显示学号及定时器编号冲突排查，有助于理解逻辑并完成课程设计。已有449人学习。

1. 从一块八段数码管说起：这套 PLC 实验方案要解决什么问题

很多电气专业的同学第一次打开 TIA Portal V13，面对空白的项目视图是懵的：设备组态、PLC 变量表、FC 块、HMI 画面、仿真下载，一套走下来不知道该先动哪一步。这套 PLC 实验方案围绕两个具体任务，把整条流程逐步走通：一是用 S7-1200 可编程控制器驱动八段 LED 循环显示 0 到 8，二是做一个带手动自动切换的十字路口智能交通灯。前者训练基本指令、八段 LED 编码表、定时器节拍和 MOVE 输出，后者训练 DB 加 FC 的程序结构、HMI 程序的变量关联和在线配时。它适合电气工程及其自动化专业的 PLC 课程设计、实验报告，也适合要给实训箱配一套完整例程的实验室。下面按总体设计、程序实现、避坑排查、验收答辩的顺序拆开讲，每一段都能对着 TIA Portal 直接敲。

2. 总体架构设计：S7-1200 加 KTP700 的两级结构与 I/O 规划

两个实验看起来是两件事，硬件骨架却是同一套：一台 CPU 跑逻辑，一块触摸屏做输入输出，中间一根 PROFINET 网线。把骨架先定死，后面写程序才不会一边写一边改地址。

2.1 硬件组态：CPU 1214C 与 KTP700 怎么连在一条 PROFINET 上

实验箱上的配置基本固定，先在纸上把角色分清楚，再去软件里点。

操作路径是：新建 Portal 项目 → 项目视图 → 添加新设备 → 控制器里选 S7-1200 对应的 CPU 订货号 → 再添加新设备 → HMI 里选 KTP700 → 打开「设备和网络」视图，用鼠标从 PLC 的绿色 PROFINET 接口拖到 HMI 的接口上，两个设备就连起来了。接着分别点开两个设备的属性改 IP，PLC 改 192.168.0.200，HMI 改 192.168.0.201，子网掩码统一 255.255.255.0。

提示：IP 不要图省事用 192.168.1.x，很多实训室的局域网网关就占着这个网段，下载时会报「无法建立连接」，排查半天以为是网线坏了。

机型选择这一步容易踩空：CPU 1214C 有 AC/DC/RLY 和 DC/DC/DC 两种，实验箱上是后者，输出是晶体管型，选错了编译能过但下载会提示固件不匹配。设备加完先编译一次，确认没有红色报错再往下走，别等程序写完才发现组态是错的。

2.2 I/O 分配表：把每个点位在变量表里固定下来

两个实验共用同一组物理点，如果不先把变量表钉死，写到第三个程序段就会开始怀疑人生。我一般会在 PLC 变量表里按「输入在前、输出在后、预留垫底」的顺序排：

这里的 Q0.4 在原始实验步骤里没有单独点出来，按东西方向与南北方向对称的原则，黄灯落到 Q0.4 最顺，接线时对照实训箱的端子排确认一下即可。原始记录里手动部分把南北红灯写成了 Q0.1，跟自动部分的 Q0.0 对不上，这属于整理稿时留下来的笔误，实际以变量表为准，别照着错的那份接线。

八段 LED 实验占用的是整字节：Q0.0 到 Q0.7 分别对应数码管的 a、b、c、d、e、f、g、dp 八段，输出时按字节整体写，也就是 %QB0。两个实验复用同一组 Q 点，做完一个要换另一个时，记得先把前一个程序块在 OB1 里的调用去掉，否则两段逻辑抢同一个输出字节，现象会非常诡异。

2.3 DB 块分工：交通灯_DB 里到底放什么

程序里凡是要被 HMI 读写的量，一律进数据块，不要散落在 M 区。新建一个全局 DB，命名「交通灯_DB」，把下面这些成员一次性建全：

灯位为什么先放 DB 再映射到 Q 区，而不是直接写 Q？因为 HMI 的动画要读这些位，直接读 Q 区在部分固件版本下刷新不及时，走 DB 中间变量最稳，输出段统一做一次赋值，逻辑和界面就解耦了。

2.4 程序骨架：启动、停止和首扫描复位

不管哪个实验，OB1 里最先写的永远是这三件事：启动自锁、停止断开、上电复位。这段骨架我用得最多，直接抄过去改符号名就行。

// FC10「系统骨架」，在 OB1 的 Network 1 调用 // 启动用常开按钮，停止用常闭按钮（接线为常闭时，程序里用常开触点） "System_Run" := ("Start_Btn" OR "System_Run") AND "Stop_Btn"; // FirstScan 来自 CPU 属性里勾选的系统存储器字节，默认 %M0.0 IF "FirstScan" THEN "System_Run" := FALSE; // 上电不自动运行，防止设备带电启动 "QB0" := 16#00; // 八段管输出清零，避免上电瞬间乱亮 "Traffic_DB".State := 0; // 交通灯状态机回到初始步 "Traffic_DB".Auto := TRUE; // 默认进自动模式 END_IF;

第一行的自锁是梯形图里最经典的起保停：启动按钮并上运行标志自身，再串停止按钮。第二段用首次扫描位做一次性初始化，FirstScan只在上电后的第一个扫描周期为真，后面一直为假，所以不会每个周期都把运行标志清掉。停止按钮的常开常闭要和实际接线对上：如果实物接的是常闭按钮，程序里就写常开触点，按下时断开，这条线反了会出现「按一下启动，手一松就停」的现象。

2.5 HMI 与 PLC 的变量交界

触摸屏只做两件事：读 PLC 的状态显示，写 PLC 的参数。所以 HMI 变量表里出现的每一个名字，背后都应该指向「交通灯_DB」或者 I/Q 区，不要用 HMI 内部变量去做本该由 PLC 算的逻辑。KTP700 通过 PROFINET 连到 CPU，HMI 变量表里的「连接」列必须显示为 PLC_1，这一列空着就是没连上，画面做得再漂亮也是死的。

3. 八段 LED 程序实现：段码表、1s 节拍与 MOVE 输出

八段管实验的价值不在「点亮」，而在「用最少的程序段把循环、查表、输出三件事串起来」。程序结构就三层：一个 1 秒的节拍源，一个 0 到 8 的循环计数器，一次按数字查表并输出。

3.1 八段 LED 编码表：共阴共阳两套码，先确认硬件再写程序

八段管的八段是 a、b、c、d、e、f、g 加一个小数点 dp，按 a 在最低位、dp 在最高位的顺序组成一个字节。共阴极是给 1 点亮，共阳极是给 0 点亮，两套码互为按位取反。实验箱上常见的是共阴，但不同批次的实训箱不一样，写程序前用万用表二极管档量一下公共端方向，或者干脆单点亮一段试出来。

这张表就是八段 LED 编码表的核心，把它做成 DB 里的数组，后面查表只要一个索引。数组类型写Array[0..8] of Byte，初值按上表逐项填进去，不用在程序里写九个 IF 分支。

3.2 1s 节拍与 0 到 8 循环：TON、计数、查表三件套

节拍源用一个接通延时定时器 TON，PT 设 1 秒，把定时器自己的输出取反后送回输入，就变成了一个每秒钟产生一个扫描周期脉冲的自复位振荡器。

// FC2「八段管控制」：1s 节拍 → 0~8 循环 → 查表输出 "T_1s"(IN := NOT "T_1s".Q, // 自复位：计时到就把 IN 拉低，下个周期重新开始 PT := T#1S); // 必须是 Time 类型，写成 1000 会报类型不匹配 IF "T_1s".Q THEN // Q 在计时到达的那个扫描周期为真 "Digit" := "Digit" + 1; // Digit 为 Int 型，放在全局 DB 或 M 区 IF "Digit" > 8 THEN "Digit" := 0; // 8 之后回 0，形成 0~8 共 9 个数的循环 END_IF; END_IF; // 查表并整体输出到 Q 区首字节 "QB0" := "Seg_Table"["Digit"];

"T_1s"是调用 TON 时自动生成的背景数据块，名字可以改，但一个定时器只能对应一个背景块。NOT "T_1s".Q的写法让定时器到达 PT 后立刻复位并重新计时，周期稳定在 1 秒，误差不超过一个扫描周期，对实验演示完全够用。最后一行在梯形图里就是一个 MOVE 指令框：IN 端填 DB 数组元素，OUT 端填 %QB0，CPU 会把这一个字节一次性刷到 Q0.0 到 Q0.7 八个端子上，正好对应数码管八段。用 MOVE 而不是逐位赋值，好处是不会有中间态闪烁，切换数字时干净利落。

Digit这个变量建议放全局 DB，别用 FC 的临时变量。临时变量在块执行完后不保持，下一个扫描周期读到的就是随机值，现象是数码管跳着显示乱码，这类问题查起来很费时间，记住「需要跨周期保持的量一律进 DB」就能避开。

3.3 不用段码表的位控写法

实验指导书后面的思考题问得挺好：不查 16 进制段码，还能怎么显示。答案是把每一段当成一个独立的线圈，按数字去拼。

// 位控版本：不用编码表，逐段判断该不该亮（以显示 2 为例） "Seg_a" := ("Digit" = 0) OR ("Digit" = 2) OR ("Digit" = 3) OR ("Digit" = 5) OR ("Digit" = 6) OR ("Digit" = 7) OR ("Digit" = 8) OR ("Digit" = 9); "Seg_b" := ("Digit" = 0) OR ("Digit" = 1) OR ("Digit" = 2) OR ("Digit" = 3) OR ("Digit" = 4) OR ("Digit" = 7) OR ("Digit" = 8) OR ("Digit" = 9); // c、d、e、f、g 同理，按编码表反推每个数字点亮哪几段

这种写法的逻辑是「或运算拼段」：一个数字只要出现在某一段的点亮集合里，那一段就是 1。它的好处是不依赖编码表，改显示内容只要改集合；坏处是程序段长、可读性差，九个数码就要写七组或逻辑。实际项目里我一般用编码表，只有在需要现场改显示字形、又不想重新算码的时候才会退回位控写法。两种方式都写一遍，答辩时被问到「为什么用查表」，能答出「查表把字形数据和逻辑分离，改字形只改数据块」就很有说服力。

3.4 HMI 八段管画面：八个矩形拼图形加位动画

触摸屏上的八段管不是现成控件，得自己拼：从右侧工具箱拖八个矩形出来，摆成「日」字形的八段布局，a 在上横、b 在右上竖、c 在右下竖、d 在下横、e 在左下竖、f 在左上竖、g 在中横、dp 单独一个小方块放右下角。八个矩形统一填充灰色、无边框，间距调到视觉上像一根完整的数码管。

动画的做法是给每个矩形绑一个布尔量：选中矩形 → 属性 → 动画 → 外观 → 变量选「交通灯_DB」里对应的段位 → 类型选「范围」→ 值为 0 时前景灰，值为 1 时前景亮红或亮绿。八个矩形各绑一位，PLC 里 %QB0 输出什么，屏上就显示什么，两边永远是同一份数据。

另一种更省事的做法是把 %QB0 拆成八个内部布尔变量，在 HMI 里做位提取。这种做法要写八行脚本，不如直接在 PLC 侧把段位映射成 DB 里的八个 Bool 干净。我一般倾向后者：屏上只负责显示，逻辑全在 PLC。

3.5 三个八段管显示学号的扩展思路

课后作业要求用三个八段管显示学号后三位，这个扩展其实是在考「同一个功能怎么复用」。做法是把单个八段管的控制逻辑封装成一个 FC，输入参数是数字和输出字节起始地址，调用三次分别对应百位、十位、个位。三个管占用三个连续字节，第一个管 Q0.0 到 Q0.7，第二个 Q1.0 到 Q1.7，第三个 Q2.0 到 Q2.7，CPU 1214C 的 Q 区足够。每个 FC 内部各自有一个 1 秒节拍还是一起共用一个节拍，取决于你想让三位同时刷新还是轮流刷新，同时刷新更简单，共用一个节拍源即可。

4. 交通灯控制实现：DB 存状态、FC 写时序、HMI 管配时

交通灯实验比八段管复杂的地方在于它有四个相位和两种模式，程序一旦写成「一堆定时器串起来」就会失控。我的做法是把它当成一个状态机：状态存 DB，时长存 DB，FC 里只写「当前状态该亮什么灯、该计多久、计满了跳哪一步」。

4.1 四相位状态机：四个灯组状态的轮转

相位划分按最朴素的十字路口逻辑来：南北绿加东西红，南北黄加东西红，南北红加东西绿，南北红加东西黄，然后回到第一步。

表里的时长不是写死的常量，而是从 DB 里读 Int 型的秒数，现场在触摸屏上改了立刻生效。这也是把参数放进 DB 而不是写死在程序里的直接收益：改配时不用重新下载程序。

4.2 相位计时：一个定时器走完四个相位

新手最容易写成四个定时器各管一段，结果相位切换时定时器之间互相打架。正确的做法是只用一个 TON，相位变了就换 PT 并重新计时。

// FC1「交通灯」核心段：先定时长，再统一计时，计满跳相位 CASE "Traffic_DB".State OF 0, 2: "PT_Time" := T#1S * "Traffic_DB".Green_s; // 绿灯相位 1, 3: "PT_Time" := T#1S * "Traffic_DB".Yellow_s; // 黄灯相位 END_CASE; // 自复位计时：Q 为真时 IN 拉低一个周期，下个相位从 0 开始计 "Phase_T"(IN := "Traffic_DB".Run AND NOT "Phase_T".Q, PT := "PT_Time"); IF "Phase_T".Q THEN "Traffic_DB".State := ("Traffic_DB".State + 1) MOD 4; // 0→1→2→3→0 END_IF;

T#1S * "Green_s"这一句是 Time 类型乘以 Int 型，结果是 Time 型，TIA 里支持这种写法，比手工写T#30S灵活得多。MOD 4让步号在 0 到 3 之间循环，不用写四个 IF 判断。注意"Phase_T".Q触发跳步的那一个扫描周期里，IN 已经变成 FALSE，定时器自动复位，下一个相位从头计时，整个过程不需要额外的复位指令。

4.3 手自动切换的互锁：一个开关决定两条链路

I0.1 是手动自动切换开关，低电平自动、高电平手动，这个极性要在变量注释里写清楚，否则过两周自己都记不住。两条链路的灯位输出必须互斥，切换瞬间还要强制复位。

// 自动模式：状态机算出来的灯位送输出 IF "Traffic_DB".Auto THEN "NS_Green" := ("Traffic_DB".State = 0); "NS_Yellow" := ("Traffic_DB".State = 1); "NS_Red" := ("Traffic_DB".State = 2) OR ("Traffic_DB".State = 3); "EW_Green" := ("Traffic_DB".State = 2); "EW_Yellow" := ("Traffic_DB".State = 3); "EW_Red" := ("Traffic_DB".State = 0) OR ("Traffic_DB".State = 1); ELSE // 手动模式：两个按钮互锁，按下哪个方向就放行哪个方向 "NS_Green" := "Man_NS" AND NOT "Man_EW"; "EW_Green" := "Man_EW" AND NOT "Man_NS"; "NS_Red" := "Man_EW"; "EW_Red" := "Man_NS"; "NS_Yellow" := FALSE; "EW_Yellow" := FALSE; END_IF; // 模式切换沿检测：切过去的一瞬间全部复位，避免两个方向同时绿 "Auto_Edge"(CLK := "Traffic_DB".Auto); IF "Auto_Edge".Q THEN "Traffic_DB".State := 0; "QB0" := 16#00; // 八个灯位一次性清零 "Phase_T"(IN := FALSE, PT := T#1S); // 定时器强制复位 END_IF;

手动分支里的两个互锁不能省："Man_NS" AND NOT "Man_EW"保证两个按钮同时按下时谁都不亮，而不是两个方向一起绿。切换沿检测用 R_TRIG 实例，只在模式真正变化的那一个扫描周期动作，"QB0" := 16#00一次性把所有灯灭掉，比逐个赋值干净。

4.4 HMI 画面：灯位动画加配时输入域

画面左边画路口：南北和东西各三个圆形指示灯，按红黄绿竖排。每个圆的动画绑定 DB 里对应的灯位布尔量，0 时填充暗灰，1 时填充对应的红、黄、绿。这种「位绑颜色」的动画比绑可见性稳，灯灭的时候还能看到灯罩轮廓，界面更像真实路口。

右边放两个 IO 域，一个绑 Green_s，一个绑 Yellow_s，模式选「输入/输出」，格式选十进制，这样操作员既能看见当前值也能直接改。IO 域的过程变量必须是 Int 型，不要直接绑 Time 型，Time 在屏上显示成一串毫秒数，看着很别扭。改完值不需要按确认，HMI 每个扫描周期都会把值写回 DB，下一个相位开始时自动生效。

再放一个启动按钮、一个停止按钮和一个手动自动切换开关，都绑到 PLC 变量表里对应的 I 区地址或者 DB 里的运行标志。按钮的事件里不要写脚本，直接绑变量最省事。

4.5 仿真验证：PLCSIM 加 HMI 仿真加强制表

程序写完先别急着下载到实物，走一遍仿真：点 PLC 工具栏的「开始仿真」，弹出 PLCSIM 窗口后下载程序；再点 HMI 的「开始仿真」，两块屏会同时起来。仿真里改配时、按启动、切手动，观察 Q 区的灯位变化，整个过程和实物一致。

强制表是排查利器：把"Traffic_DB".State、"Phase_T".Q、Green_s这几个关键量加进监视表，运行中能直接看到步号什么时候跳、定时器什么时候到。现象和预期对不上时，先看 State 卡在哪个值，再看Phase_T的 PT 是不是比实际配时短，九成的逻辑问题都能这样定位。

5. 避坑与排查：五个亲手翻过的坑

这部分是血泪经验，每一条都是当时调了半天才想明白的。

5.1 定时器编号重复：复制粘贴带出来的同一个背景块

现象：程序里有好几段各有一个定时器，下载后只有一段在计时，其他段的延时完全不起作用，或者所有段同时到时间。

原因：写程序时图快，直接复制粘贴已经写好的程序段，粘贴出来的 TON 沿用了原来那个背景数据块。TIA 不会因为地址变了就自动新建实例，几个网络共用同一个背景块，后执行的覆盖先执行的，逻辑全乱。

解决：把可疑的定时器全部删掉，从右侧「基本指令 → 定时器操作」重新拖一个进来，拖的时候软件会自动分配新的背景块编号。写完编译一次，在「程序信息」里看有没有背景块重复的警告。更彻底的做法是用多重背景，把定时器实例放进数组里统一管理，但这属于进阶用法，课程设计阶段老老实实一个个拖最稳。

5.2 段码位序反了：显示的不是数字而是乱码

现象：按共阴码 0x3F 输出，数码管上亮的是几段不相干的笔画，或者本该显示 0 的时候亮了半圈。

原因：a 到 g 对应 Q0.0 到 Q0.6 的接线顺序和编码表的假设不一致，或者实验箱上的数码管实际是共阳，程序按共阴给了码，整张表全部取反才对。

解决：写一段单点测试程序，让 QB0 依次等于 0x01、0x02、0x04、0x08、0x10、0x20、0x40、0x80，每两秒换一个，记录每一段亮的是哪根笔画，重新排出真实位序，再改编码表。共阴共阳的判断更简单：给全 0 看亮不亮，亮就是共阳，不亮就是共阴。

5.3 HMI 变量选错：两个同名变量看不出区别

现象：画面上灯位动画不跟着 PLC 走，或者按了按钮没反应，检查程序逻辑一点问题没有。

原因：DB 里建了同名成员，HMI 变量表里有两条看起来一样的记录，一条指向 PLC 的连接，一条是 HMI 内部变量，选的时候点错了。还有一种情况是 KTP700 的连接列显示空白，等于根本没组态到 PLC。

解决：命名统一加前缀，PLC 侧加DB_，HMI 内部变量加HMI_，从名字上就分得开。选完变量后看一眼变量表里的「连接」列是不是 PLC_1，不是就重选。实在找不到，用交叉引用查这个变量在哪几个块里被用过，能很快定位到底是哪一条在起作用。

5.4 手自动切换不复位：切过去两个方向同时绿

现象：自动运行中拨到手动，或者手动拨回自动，路口会出现短暂的两个方向绿灯同时点亮，实物上是绝对不允许的。

原因：模式切换只是改变了 IF 分支的走向，但没有清掉上一个模式留下的灯位状态和相位步号。上一轮自动跑到状态 0，切手动时南北绿还没清，手动分支又给了东西绿，两个绿灯就叠上了。

解决：加模式切换的沿检测，在切换的那一个扫描周期里把 QB0 清零、State 归零、定时器复位。这一条代码不长，但少了它整个系统就不安全，我建议把它写进标准骨架里，所有带模式切换的项目都挂上。

5.5 仿真连不上：IP 不在同一网段或下载顺序错了

现象：点开始仿真，PLCSIM 窗口起来了，但 HMI 仿真报错连不上 PLC，或者编译提示 IP 地址冲突。

原因：一是 PLC 和 HMI 的 IP 不在同一网段，比如 PLC 是 192.168.0.200、HMI 是 192.168.1.201；二是先启动了 HMI 仿真再启动 PLC 仿真，连接建立时对方还没起来；三是电脑上装了其他虚拟机软件，把 PLCSIM 要用的端口占了。

解决：两个 IP 统一到 192.168.0.x，子网掩码一致；启动顺序固定为先 PLC 后 HMI；仿真前把虚拟机网络适配器停掉。下载的时候用工具栏的「开始仿真」按钮，不要单独点下载，仿真模式下的下载入口和实物下载不是同一个。

6. 验收与答辩：用一张表把两份实验讲成一个完整方案

答辩最怕的是讲成流水账：先讲怎么建项目，再讲怎么拖指令，讲完老师问一句「你这个方案解决了什么问题」就卡住了。我后来固定用一个顺序：先说需求，再说架构，再说关键实现，最后现场演示验收点。需求就一句话——用一台 PLC 同时覆盖循环显示和路口时序两类典型控制；架构就是 S7-1200 加 KTP700 的两级结构，PLC 管逻辑，屏管人机交互；关键实现挑两个讲，八段管的编码表加节拍器，交通灯的四相位状态机加手自动互锁；最后按验收表逐项演示。

验收表我一般提前打印出来，演示时按行打勾，评委看得清楚，自己也不会漏项：

这张表的价值在于它把「程序能跑」变成了「可验证的交付」。演示到第 7 项的时候，评委通常会点头，因为他知道这一条是真正做过项目的人才会想到的。

答辩提问里出现频率最高的是「为什么用 MOVE 而不是逐位赋值」和「手自动切换为什么必须复位」，这两个问题在前面都埋好了答案。还有一类是扩展题，比如「三个管显示学号怎么改」，答「把单管逻辑封装成带参数的 FC，调用三次，各自分配一个输出字节」就够了，不用现场写代码。

从那以后我每次交课程设计，都会在最后附一张这样的验收表，把每条预期结果写死，演示时照着走。带过的几届学生里，凡是认真填过这张表的，答辩时被追问细节都不慌。希望帮到你。

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