STEP7斷點(diǎn)調(diào)試功能對(duì)PLC的探索與研究

兌幸福

摘 要：PLC（程序邏輯控制器）采用循環(huán)掃描的方式執(zhí)行用戶程序，邏輯執(zhí)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)運(yùn)行結(jié)果監(jiān)視，需借助斷點(diǎn)功能或其他工具對(duì)PLC的存儲(chǔ)器和寄存器等內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行查詢。該文借助西門子編程軟件STEP7斷點(diǎn)功能，闡述如何在程序調(diào)試中設(shè)置斷點(diǎn)，通過斷點(diǎn)操作，逐步執(zhí)行程序，觀察程序運(yùn)行時(shí)狀態(tài)字和累加器的數(shù)值改變，既可監(jiān)視程序的運(yùn)行情況，又可查看程序數(shù)據(jù)塊、背景數(shù)據(jù)塊、堆棧指針等數(shù)值的變化，通過實(shí)際的邏輯結(jié)果監(jiān)視和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢，對(duì)PLC的運(yùn)行過程進(jìn)行分析與探索，揭示PLC的工作原理。

關(guān)鍵詞：斷點(diǎn)功能 PLC測(cè)試 循環(huán)處理 存儲(chǔ)器 寄存器

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0100-06

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為基礎(chǔ)的工業(yè)用PLC（程序邏輯控制器），已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備及生產(chǎn)線過程的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，它功能強(qiáng)大、使用方便，成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的主要技術(shù)支柱之一。目前各廠商推出的PLC產(chǎn)品，基本結(jié)構(gòu)相同，工作原理相似，隨著國際標(biāo)準(zhǔn)化編程語言IEC61131-3的推出，編程方式也趨于統(tǒng)一，但不同品牌又各有特點(diǎn)，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)出專用的功能模塊，對(duì)PLC性能進(jìn)行優(yōu)化；編程軟件的輔助功能也在進(jìn)行功能拓展，應(yīng)用于特殊的編程、測(cè)試、仿真等。

西門子公司編程軟件STEP7中的斷點(diǎn)調(diào)試功能，以其功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單、設(shè)置方便、界面友好等特點(diǎn)，成為最好的探索PLC工作原理的工具之一，通過斷點(diǎn)調(diào)試功能結(jié)合PLC SIM仿真軟件或在線監(jiān)控PLC硬件運(yùn)行，可以分解程序運(yùn)行步驟，觀察累加器和狀態(tài)字寄存器、塊寄存器、輸入/輸出變量、位存儲(chǔ)器等內(nèi)部核心器件的運(yùn)行狀態(tài)，了解PLC的工作過程。

1 PLC的運(yùn)行工作過程

PLC的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序，操作系統(tǒng)用來處理PLC的啟動(dòng)、刷新輸入/輸出過程映像區(qū)、調(diào)用用戶程序、處理中斷和錯(cuò)誤、管理存儲(chǔ)區(qū)和通訊等任務(wù)。PLC采用循環(huán)掃描方式執(zhí)行由若干條指令組成的用戶程序，指令在存貯器中順序排列。從第一條指令開始，逐條順序執(zhí)行，直至掃描到最后一條，其間還會(huì)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令和塊調(diào)用指令，在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入/輸出過程映像區(qū)或其他存儲(chǔ)區(qū)讀入數(shù)據(jù)，按指令執(zhí)行相應(yīng)邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫入指定的存儲(chǔ)區(qū)域，因此與程序執(zhí)行相關(guān)的執(zhí)行器存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容會(huì)隨著程序的執(zhí)行而變化，觀察和跟蹤這些核心器件內(nèi)數(shù)據(jù)的變化過程，可以實(shí)現(xiàn)了解PLC的運(yùn)行過程和工作原理的目的。

2 STEP7斷點(diǎn)測(cè)試功能

STEP7的斷點(diǎn)測(cè)試功能是在程序運(yùn)行過程中產(chǎn)生斷點(diǎn)，該功能的初衷是調(diào)試程序，在設(shè)備運(yùn)行初期或出現(xiàn)故障時(shí)，通過斷點(diǎn)操作，逐行在線掃描程序，同時(shí)觀察寄存器里狀態(tài)字的變化，累加器、存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的運(yùn)算以及檢測(cè)程序的運(yùn)行結(jié)果，從而查找編程錯(cuò)誤或故障點(diǎn)，最終解決問題。正是這樣逐步觀察程序運(yùn)行的過程，為探索PLC的運(yùn)行原理提供了技術(shù)手段。

2.1 斷點(diǎn)測(cè)試功能的內(nèi)容

在STEP7測(cè)試模式下，斷點(diǎn)的限制數(shù)目可以通過選項(xiàng)設(shè)置，使用斷點(diǎn)可以在用戶程序的指定點(diǎn)停止程序處理。當(dāng)PLC在程序中執(zhí)行到斷點(diǎn)時(shí)，CPU會(huì)切換到STOP模式?；跀帱c(diǎn)，可以逐步運(yùn)行程序處理，檢測(cè)每條語句執(zhí)行的結(jié)果，并通過窗口顯示PLC內(nèi)部寄存器的內(nèi)容、狀態(tài)和數(shù)值，如圖1所示。

2.2 斷點(diǎn)測(cè)試功能設(shè)置步驟

此例使用西門子的S7 PLC SIM仿真器進(jìn)行演示，使用真實(shí)PLC時(shí)，要盡量隔離I/O信號(hào)，如果必須在線調(diào)試程序，就要做好相關(guān)設(shè)備的防護(hù)措施，減少設(shè)備誤動(dòng)作造成的損害。注意：并非所有的PLC都可以使用斷點(diǎn)測(cè)試功能，測(cè)試前要查閱相關(guān)可編程控制器的文檔，確定PLC是否支持該功能。

2.2.1 設(shè)置斷點(diǎn)測(cè)試運(yùn)行模式

在西門子STEP7編程軟件中打開需要調(diào)試的程序，在編程窗口使用調(diào)試/操作……菜單命令，就會(huì)打開操作窗口，如圖2所示，可以在過程操作和測(cè)試操作之間選擇需要的操作模式。

兩種模式是有區(qū)別的，過程操作模式下，測(cè)試功能程序狀態(tài)被限定為要保證在掃描周期時(shí)間上處理的程序最少，這就意味著不允許任何子程序調(diào)用，也不能進(jìn)行HOLD測(cè)試和單步執(zhí)行程序。測(cè)試操作模式下，所有的測(cè)試功能都可用，且不受限制，PLC掃描周期時(shí)間會(huì)明顯增加，這是因?yàn)椋枰謩?dòng)控制程序的進(jìn)程，并且程序回路中的語句狀態(tài)在每個(gè)周期都被記錄。

2.2.2 設(shè)置程序狀態(tài)

通過離線/在線伙伴命令按鈕，可以切換PLC的離線/在線狀態(tài)，只有PLC處于在線狀態(tài)時(shí)，才能運(yùn)行斷點(diǎn)測(cè)試功能，此時(shí)，頂部狀態(tài)欄會(huì)顯示為淺藍(lán)色，用來區(qū)分離線/在線狀態(tài)，如圖3所示。

2.2.3 在程序中設(shè)置斷點(diǎn)

將PLC設(shè)置為在線狀態(tài)后，使用視圖>斷點(diǎn)欄命令可以調(diào)出斷點(diǎn)工具欄，按鈕功能如圖4所示。

將光標(biāo)移動(dòng)到需要測(cè)試或觀察的程序行前端，點(diǎn)擊設(shè)置/刪除斷點(diǎn)按鈕，即可在此處設(shè)置斷點(diǎn)測(cè)試的起點(diǎn)，該程序行前端出現(xiàn)一個(gè)空心圓圈標(biāo)記，如圖5所示，再點(diǎn)擊斷點(diǎn)激活（開/關(guān)），斷點(diǎn)變?yōu)閷?shí)心圓圈標(biāo)記，同時(shí)彈出圖1所示的PLC寄存器內(nèi)容窗口。

此時(shí)要將PLC切換到RUN-P模式，然后點(diǎn)擊下一個(gè)語句按鈕，即可顯示一個(gè)箭頭，指向要運(yùn)行的程序，隨著按鈕的點(diǎn)擊，程序逐步開始執(zhí)行，執(zhí)行過程中的狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)都可以通過PLC寄存器內(nèi)容窗口觀察到，直至程序結(jié)束。注意：斷點(diǎn)測(cè)試只能在STL視圖模式下進(jìn)行。建議不要調(diào)用整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試，而是逐個(gè)調(diào)用功能塊，應(yīng)當(dāng)從調(diào)用子程序體系最深的嵌套層開始。

3 斷點(diǎn)測(cè)試實(shí)例

為了能夠全面了解斷點(diǎn)測(cè)試功能，在編寫的測(cè)試程序中盡量涉及PLC的典型應(yīng)用實(shí)例，包括邏輯判斷、數(shù)據(jù)運(yùn)算、子程序調(diào)用、數(shù)據(jù)塊調(diào)用、背景數(shù)據(jù)塊等，基本能夠滿足對(duì)PLC運(yùn)行和工作原理的探索與研究。

3.1 編寫測(cè)試程序

3.1.1 測(cè)試程序的功能

基于以上目的，編寫一個(gè)按鈕控制16盞燈的測(cè)試程序，當(dāng)按鈕按下2次后16盞燈全亮，當(dāng)按鈕按到第3次時(shí)16盞燈全滅，然后重新開始循環(huán)，具體過程如下。

（1）在主程序OB1中滿足M0.0=1條件后，調(diào)用子程序功能塊FB1，背景數(shù)據(jù)塊為DB3。

（2）在子程序FB1功能塊中點(diǎn)擊按鈕I0.0，點(diǎn)擊次數(shù)記錄在全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB1的DB1.DBW0中。

（3）調(diào)用結(jié)束，回到主程序OB1。

（4）如果DB1.DBW0>=1（記錄到按鈕按下次數(shù)為1或以上），將DB2.DBW0賦值為1。

（5）DB1.DBW0和DB2.DBW0相加，計(jì)算結(jié)果送到MW100中。

（6）如果MW100>=3（即按鈕按下2次），PQW0控制下的16盞燈全亮。

（7）如果MW100>=4（即按鈕按下3次），PQW0控制下的16盞燈全滅，此時(shí)DB1.DBW0、DB2.DBW0、MW100復(fù)位為0，程序結(jié)束。

3.1.2 程序控制邏輯

程序邏輯如圖6所示。

滿足M0.0=1條件后，程序跳轉(zhuǎn)到功能FB1，完成按鈕計(jì)數(shù)后，轉(zhuǎn)回主程序，再對(duì)計(jì)數(shù)進(jìn)行判斷，滿足條件燈亮，否則燈滅。

3.1.3 編寫程序

首先編寫子程序FB1功能塊，在變量聲明表中設(shè)置內(nèi)部變量，“a”為布爾型數(shù)據(jù)，“zhongjian”為整數(shù)型數(shù)據(jù)。

在FB1中編寫程序如下：

程序段1

A I 0.0

FP #a

CU C 1

BLD 101

A M 0.3

L C#1

S C 1

A M 0.4

R C 1

L C 1

T #zhongjian

NOP 0

NOP 0

程序段2

L #zhongjian

T DB1.DBW 0

NOP 0

在OB1中編寫主程序，在程序段1中有條件調(diào)用功能塊FB1，會(huì)提示自動(dòng)生成背景數(shù)據(jù)塊，這里指定的背景數(shù)據(jù)塊為DB3。

程序段1

A M 0.0

JNB _001

CALL FB 1 ， DB3

a ：=M0.1

zhongjian：=DB1.DBW2

_001： NOP 0

程序段2

A（

L DB1.DBW 0

L 1

>=I

）

JNB _002

L 1

T DB2.DBW 0

_002： NOP 0

程序段3

L DB1.DBW 0

L DB2.DBW 0

+I

T MW 100

NOP 0

程序段4

L MW 100

L 4

>=I

= M 0.4

程序段5

A M 0.4

= L 20.0

A L 20.0

JNB _003

L 0

T MW 100

_003： NOP 0

A L 20.0

JNB _004

L 0

T DB1.DBW 2

_004： NOP 0

A L 20.0

JNB _005

L 0

T DB2.DBW 0

_005： NOP 0

程序段6

L MW 100

L 3

>=I

JN noze

L DW#16#FFFF

T PQW 0

JU next

noze： L 0

T PQW 0

next： NOP 0

3.2 測(cè)試程序下載和運(yùn)行

保存編寫完成的程序，STEP7會(huì)對(duì)編寫的程序進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)問題會(huì)給出錯(cuò)誤提示，幫助編程人員修改程序，然后下載到PLC的裝載存儲(chǔ)器中，工作時(shí)，由CPU調(diào)度指揮，將程序和系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)放在工作存儲(chǔ)器中運(yùn)行，再將結(jié)果送回各個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)器，具體功能如下。

3.2.1 裝載存儲(chǔ)器

編寫的程序和系統(tǒng)數(shù)據(jù)（組態(tài)、連接和模塊參數(shù)）被下載到CPU的裝載存儲(chǔ)器內(nèi)。程序運(yùn)行時(shí)，CPU把程序中的可執(zhí)行部分復(fù)制到工作存儲(chǔ)器內(nèi)。隨PLC的型號(hào)不同，裝載存儲(chǔ)器可能是RAM和FEPROM等。

3.2.2 工作存儲(chǔ)器

集成高速存取的RAM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)CPU運(yùn)行時(shí)的用戶程序和數(shù)據(jù)。在CPU斷電或復(fù)位操作時(shí)，RAM中的程序會(huì)被清除。

3.2.3 系統(tǒng)存儲(chǔ)器

系統(tǒng)存儲(chǔ)器是CPU為用戶程序提供的存儲(chǔ)器組件，被劃分為若干個(gè)地址區(qū)域，用于存放用戶程序的操作數(shù)據(jù)，如過程映像輸入/輸出、位存儲(chǔ)器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)塊與背景數(shù)據(jù)塊、塊堆棧、中斷堆棧和診斷緩沖區(qū)等，該區(qū)域還提供臨時(shí)存儲(chǔ)器，可以存放程序塊的臨時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶生成塊時(shí)，可以聲明臨時(shí)變量，該區(qū)域只在執(zhí)行該塊時(shí)有效，執(zhí)行完后被覆蓋，該例在FB1功能塊中聲明的布爾量“a”和整數(shù)“zhongjian”即為臨時(shí)變量。

如圖7所示：掃描循環(huán)開始時(shí)，CPU讀取過程映像輸入/輸出區(qū)域里的I0.0（按鈕）的輸入信號(hào)，在計(jì)數(shù)器存取區(qū)域記錄FB1功能塊中點(diǎn)擊按鈕的次數(shù)，并存儲(chǔ)在臨時(shí)存儲(chǔ)器里，背景數(shù)據(jù)塊DB3與之相關(guān)聯(lián)，然后送到共享數(shù)據(jù)塊DB1中的DB1.DBW0，同時(shí)使共享數(shù)據(jù)塊DB2中的DB2.DBW0等于1，DB1.DBW0與DB2.DBW0相加，結(jié)果送到位存儲(chǔ)器MW100中，通過對(duì)MW100的判斷，如果大于等于3，將FF賦值給過程映像輸入/輸出區(qū)域PQW0，控制16盞燈全部亮起，如果大于等于4，則將0賦值給PQW0，燈全部滅。

4 斷點(diǎn)測(cè)試過程

CPU中的狀態(tài)字寄存器和累加器寄存器擔(dān)負(fù)著PLC的程序控制和數(shù)值運(yùn)行，通過斷點(diǎn)測(cè)試可以觀察到狀態(tài)字的狀態(tài)變化與控制程序運(yùn)行的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及累加器寄存器中數(shù)值的計(jì)算過程。

4.1 運(yùn)行測(cè)試程序

在OB1的程序段1中設(shè)置斷點(diǎn)，在線開始測(cè)試，該行程序是一個(gè)條件調(diào)用，當(dāng)M0.0=0時(shí)，程序向下進(jìn)行，當(dāng)M0.0=1時(shí)，調(diào)用FB1功能塊。

當(dāng)M0.0=0時(shí)，狀態(tài)字寄存器的/FC=0，表示一行程序的開始，STA=1，與命令A(yù)相對(duì)應(yīng)，隨著程序執(zhí)行到第二行，/FC=1，表示程序正在執(zhí)行中，繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，由于沒有滿足調(diào)用條件，程序沒有執(zhí)行調(diào)用FB1功能塊，而是直接跳過，進(jìn)入下一段程序。

當(dāng)M0.0=1時(shí)，程序執(zhí)行到第二行，狀態(tài)字寄存器/FC=1、STA=1、ROL=1，狀態(tài)為存儲(chǔ)的是尋址位的狀態(tài)，邏輯位為1，表示能流可以到達(dá)該運(yùn)算處（滿足條件），可以跳轉(zhuǎn)，兩種條件下狀態(tài)字寄存器對(duì)比如圖8所示。

程序執(zhí)行到第三行時(shí)，狀態(tài)字寄存器/FC=1、STA=1、ROL=1，表示程序重新開始，因此，一行程序的開始并不是以段落和行來劃分的，而是由狀態(tài)字根據(jù)程序執(zhí)行的狀態(tài)，結(jié)合狀態(tài)位、邏輯位的結(jié)果來決定的。此時(shí)要點(diǎn)擊“執(zhí)行調(diào)用”按鈕，程序執(zhí)行調(diào)用，自動(dòng)在編程窗口打開FB1程序塊，箭頭指示到程序段1的第一行，此時(shí)在PLC寄存器內(nèi)容中可以看到，背景數(shù)據(jù)塊為DB3。

在FB1中，當(dāng)I0.0=0時(shí)，/FC=1、STA=0、BR=1、ROL=0，程序執(zhí)行到此處時(shí)，邏輯結(jié)果為0；當(dāng)I0.0=1時(shí)， /FC=1、STA=1、BR=1、ROL=1，說明程序執(zhí)行到該行時(shí)，對(duì)I0.0的信號(hào)做出狀態(tài)和邏輯判斷，邏輯結(jié)果為1，在隨后執(zhí)行的程序中計(jì)數(shù)器值為1，記錄到按鈕的點(diǎn)擊次數(shù)，其余程序與此類同，不再分析。

4.2 狀態(tài)字寄存器

通過上面的實(shí)例，可以看出狀態(tài)字是一個(gè)16位的寄存器（高7位未用），用于存儲(chǔ)CPU執(zhí)行指令的狀態(tài)。狀態(tài)字中的某些位用于決定指令是否執(zhí)行和以什么樣的方式執(zhí)行，此時(shí)，狀態(tài)字中的變化為了解程序的運(yùn)行提供了參考，指示程序運(yùn)行的情況，而且，位邏輯指令和字邏輯指令還可以訪問和檢測(cè)狀態(tài)字，將狀態(tài)位信號(hào)直接集成到程序中，控制程序執(zhí)行的流程。

狀態(tài)字的每個(gè)位都與程序運(yùn)行相關(guān)，如圖9所示。

4.2.1 /FC：首位檢測(cè)位

第0位稱為首次檢測(cè)位，F(xiàn)C前面的斜杠表示對(duì)FC取反，用于判斷一個(gè)邏輯串（一系列的邏輯運(yùn)算指令）的起止。 /FC為0，表明一個(gè)新邏輯串的開始，邏輯串指令執(zhí)行過程中/FC為1，邏輯串指令結(jié)束時(shí)，/FC位清零。

4.2.2 RLO：邏輯運(yùn)算結(jié)果位

第1位為RLO，位稱為邏輯運(yùn)算結(jié)果（Result of Logic Operation）。該位用來存儲(chǔ)執(zhí)行位邏輯指令或比較指令的結(jié)果。RLO的狀態(tài)為1，表示有能流流過運(yùn)算點(diǎn)處；為0則表示無能流流過該點(diǎn)?？梢杂肦LO觸發(fā)跳轉(zhuǎn)指令。

4.2.3 STAT：狀態(tài)位

第2位為狀態(tài)位，用以保存被尋址位的值。狀態(tài)位不能用指令檢測(cè)，它只是在程序測(cè)試中被CPU解釋并使用。如果一條指令是對(duì)存儲(chǔ)區(qū)操作的位邏輯指令，則無論是對(duì)該位的讀或?qū)懖僮?，STA總是與該位的值取得一致；對(duì)不訪問存儲(chǔ)區(qū)的位邏輯指令來說，STA位沒有意義，此時(shí)它總被置為1。

4.2.4 BR：二進(jìn)制結(jié)果位

第8位為二進(jìn)制結(jié)果位，它將字處理程序與位處理聯(lián)系起來，在一段既有位操作又有字操作的程序中，用于表示字邏輯是否正確。如果字邏輯指令或者功能、功能塊出現(xiàn)錯(cuò)誤，把BR置為0，能流中斷，下條指令不被執(zhí)行。字邏輯指令或者功能、功能塊被正確執(zhí)行后，使BR位為1，能流就可以傳遞到下條指令。

其余的OR、OV、OS、CC0、CC1位也與指令的邏輯操作和字運(yùn)算等相關(guān)聯(lián)，都可以通過邏輯位來訪問，作為狀態(tài)位常開/常閉觸點(diǎn)用于編程。

4.3 程序運(yùn)算測(cè)試

在FB1功能塊將記錄的按鈕動(dòng)作次數(shù)送入DB1.DBW 0中（為了更清楚地分析數(shù)據(jù)，假設(shè)這里已經(jīng)記錄了兩次，即DB1.DBW 0=2），并返回OB1，運(yùn)行到到程序段3 L DB1.DBW 0時(shí)，先將DB1.DBW 0中的數(shù)值2內(nèi)容裝入ACCU1（全局?jǐn)?shù)據(jù)塊為DB1），再執(zhí)行L DB2.DBW 0，將數(shù)值1裝入ACCU1（全局?jǐn)?shù)據(jù)塊為DB2），ACCU1原來的2移動(dòng)到ACCU2中，執(zhí)行整數(shù)相加命令后，結(jié)果送入ACCU1，此時(shí)ACCU1=3，ACCU執(zhí)行前后對(duì)比如圖10所示。

4.4 CPU的累加器

從上面的測(cè)試可以看出，累加器是CPU中的專用寄存器。S7_300有兩個(gè)累加器，S7_400有4個(gè)累加器，數(shù)據(jù)的傳送與變換一般通過累加器進(jìn)行，而不是在存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行，還可以把操作數(shù)送入累加器，在累加器中進(jìn)行運(yùn)算和處理，處理后的運(yùn)算結(jié)果保存在累加器1中，并可傳送到存儲(chǔ)區(qū)。數(shù)據(jù)運(yùn)行原理如圖11所示。

5 結(jié)語

通過西門子STEP7斷點(diǎn)功能測(cè)試，為觀察PLC程序運(yùn)行找到了一種技術(shù)途徑。編輯完成的程序下載到裝載存儲(chǔ)器，再將程序和系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)調(diào)入工作存儲(chǔ)器中運(yùn)行，由CPU狀態(tài)寄存器里的控制字控制執(zhí)行程序，由累加器完成數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳遞，使人們對(duì)PLC的工作原理有了更深入的了解。

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