PLC 编程：设备状态机的实现

PLC 编程：设备状态机的实现

引言 (Foreword/Motivation)

在自动化控制系统中，许多设备或工艺过程并非总是处于一个恒定的工作状态。它们通常会经历一系列有序或受特定条件触发的阶段或模式。例如，一个传送带可能依次经历：停止 -> 启动中 -> 运行中 -> 停止中 -> 停止；一个阀门可能在：关闭 -> 打开中 -> 打开 -> 关闭中 -> 关闭 等状态之间切换。

管理这些设备状态以及定义状态之间转换的条件和执行的动作，是 PLC 控制程序的核心任务之一。如果仅使用大量的 IF-THEN-ELSE 或复杂的继电器逻辑来描述所有可能的状态组合和转换，代码会变得非常庞杂、难以理解、维护困难，并且容易引入错误。

状态机（State Machine）是一种强大的抽象工具，它提供了一种结构化、图形化（概念上）的方式来建模这种基于状态和转换的控制逻辑。在 PLC 编程中实现状态机，可以使程序逻辑清晰、易于阅读、方便调试和修改，是编写高质量控制代码的重要技巧。

环境准备 (Environment Setup)

实现和测试 PLC 状态机代码，您需要：

1. PLC 编程软件 (IDE): 能够编写和模拟 IEC 61131-3 标准语言（特别是 Structured Text, ST）的 PLC 编程软件。常见的有：
   • 西门子 TIA Portal (支持 SCL, 类似于 ST)
   • 罗克韦尔 RSLogix 5000 / Studio 5000 (支持 Structured Text)
   • 倍福 TwinCAT (完全支持 IEC 61131-3，包括 ST)
   • 欧姆龙 Sysmac Studio (支持 Structured Text)
   • 基于 CoDeSys 的 IDE (如施耐德 EcoStruxure Machine Expert, Wago e!COCKPIT 等)
     选择其中一种您熟悉的 IDE。
2. PLC 控制器或仿真器: 您需要一个物理 PLC 控制器，或者使用编程软件自带的仿真器来运行和测试您的代码。
3. 基础 PLC 编程知识: 了解 PLC 的基本概念（扫描周期、输入/输出）、数据类型以及您所选 IDE 的基本操作。

完整代码实现 (Full Code Implementation)

我们将以一个简单的电机状态机为例，使用 Structured Text (ST) 语言来演示如何在 PLC 中实现设备状态机。这个电机有以下状态和转换：

• 状态: 空闲 (Idle), 启动中 (Starting), 运行中 (Running), 停止中 (Stopping), 故障 (Fault)。
• 输入: 启动命令 (Start_Cmd), 停止命令 (Stop_Cmd), 故障检测 (Fault_Detected), 故障复位 (Reset_Cmd), 启动完成信号 (Start_Complete - 模拟，实际可能来自变频器或延时定时器), 停止完成信号 (Stop_Complete - 模拟，实际可能来自电机反馈或延时定时器)。
• 输出: 运行指示 (Motor_Running_Light), 启动控制 (Motor_Start_Relay), 停止控制 (Motor_Stop_Relay), 故障指示 (Fault_Light)。

Structured Text (ST) 代码示例:

// PROGRAM <Program Name> // 在你的IDE中创建一个程序块或功能块

// --- 数据声明 (Variables Declaration) ---

// 状态枚举 (推荐使用枚举类型提高可读性，如果IDE支持)
// TYPE E_MotorState : (STATE_IDLE, STATE_STARTING, STATE_RUNNING, STATE_STOPPING, STATE_FAULT); END_TYPE;
// VAR
//     nCurrentState : E_MotorState := E_MotorState.STATE_IDLE; // 当前状态变量，初始化为空闲
// END_VAR

// 如果IDE不支持枚举，可以使用整数常量表示状态 (兼容性更好)
VAR CONSTANT // 声明状态常量
    STATE_IDLE      : INT := 0;  // 空闲
    STATE_STARTING  : INT := 1;  // 启动中
    STATE_RUNNING   : INT := 2;  // 运行中
    STATE_STOPPING  : INT := 3;  // 停止中
    STATE_FAULT     : INT := 99; // 故障
END_VAR

VAR // 输入/输出变量
    // 输入 (来自外部信号或操作界面)
    Start_Cmd       : BOOL; // 启动命令按钮
    Stop_Cmd        : BOOL; // 停止命令按钮
    Fault_Detected  : BOOL; // 外部故障信号 (例如过载、急停)
    Reset_Cmd       : BOOL; // 故障复位按钮

    // 模拟过程信号或内部标志 (简化实际复杂的启动/停止过程完成判断)
    Start_Complete  : BOOL; // 模拟启动完成信号 (例如延时器TON输出)
    Stop_Complete   : BOOL; // 模拟停止完成信号 (例如电机速度为零反馈)

    // 输出 (控制设备或指示灯)
    Motor_Running_Light : BOOL; // 运行指示灯输出
    Motor_Start_Relay   : BOOL; // 控制电机启动接触器或变频器启动信号
    Motor_Stop_Relay    : BOOL; // 控制电机停止 (例如变频器停止信号)
    Fault_Light         : BOOL; // 故障指示灯输出

    // 内部状态变量
    nCurrentState   : INT := STATE_IDLE; // 当前状态变量，初始化为空闲 (如果使用枚举就用枚举类型)
    nNextState      : INT;               // 下一个状态的临时变量
END_VAR

// --- 逻辑实现 (Logic Implementation) ---

// 状态机逻辑通常放在一个周期性执行的程序块或功能块中

// 在每个扫描周期开始时，将下一个状态变量重置为当前状态
// 如果在状态逻辑中没有触发转换，下个扫描周期将保持当前状态
nNextState := nCurrentState;

// --- 检测全局性故障 (在所有状态下都可能发生并进入故障状态) ---
// 除了已经在故障状态时，检测到故障信号且不是正在复位，就进入故障状态
IF Fault_Detected AND (nCurrentState <> STATE_FAULT OR NOT Reset_Cmd) THEN
    nNextState := STATE_FAULT;
END_IF;


// --- 状态转换和动作逻辑 (使用 CASE 语句根据当前状态执行不同逻辑) ---
CASE nCurrentState OF

    STATE_IDLE: // 空闲状态
        // 动作：关闭所有输出，除了可能需要亮的故障灯
        Motor_Start_Relay := FALSE;
        Motor_Stop_Relay  := FALSE;
        // Motor_Running_Light := FALSE; // 由全局输出控制部分处理

        // 转换：
        // 如果接收到启动命令 并且 没有故障信号 -> 进入启动中状态
        IF Start_Cmd AND NOT Fault_Detected THEN
            nNextState := STATE_STARTING;
        END_IF;

        // 如果在空闲状态下检测到故障 -> 进入故障状态 (尽管由全局故障检测处理，但这里可以再次确认)
        IF Fault_Detected THEN
            nNextState := STATE_FAULT;
        END_IF;


    STATE_STARTING: // 启动中状态
        // 动作：发出启动指令，关闭停止指令
        Motor_Start_Relay := TRUE;
        Motor_Stop_Relay  := FALSE;
        // Motor_Running_Light := FALSE; // 由全局输出控制部分处理

        // 转换：
        // 如果检测到启动完成信号 -> 进入运行中状态
        IF Start_Complete THEN
            nNextState := STATE_RUNNING;
        END_IF;

        // 如果接收到停止命令 -> 进入停止中状态 (可以在启动过程中被停止)
        IF Stop_Cmd THEN
            nNextState := STATE_STOPPING;
        END_IF;

        // 如果检测到故障 -> 进入故障状态 (由全局故障检测处理)


    STATE_RUNNING: // 运行中状态
        // 动作：保持启动指令（或运行指令），关闭停止指令，打开运行指示灯
        Motor_Start_Relay := TRUE; // 或 Motor_Run_Command := TRUE; 具体取决于设备接口
        Motor_Stop_Relay  := FALSE;
        // Motor_Running_Light := TRUE; // 由全局输出控制部分处理

        // 转换：
        // 如果接收到停止命令 -> 进入停止中状态
        IF Stop_Cmd THEN
            nNextState := STATE_STOPPING;
        END_IF;

        // 如果检测到故障 -> 进入故障状态 (由全局故障检测处理)


    STATE_STOPPING: // 停止中状态
        // 动作：发出停止指令，关闭启动指令，关闭运行指示灯
        Motor_Start_Relay := FALSE;
        Motor_Stop_Relay  := TRUE;
        // Motor_Running_Light := FALSE; // 由全局输出控制部分处理

        // 转换：
        // 如果检测到停止完成信号 -> 进入空闲状态
        IF Stop_Complete THEN
            nNextState := STATE_IDLE;
        END_IF;

        // 如果检测到故障 -> 进入故障状态 (由全局故障检测处理)


    STATE_FAULT: // 故障状态
        // 动作：关闭所有控制输出，打开故障指示灯
        Motor_Start_Relay   := FALSE;
        Motor_Stop_Relay    := FALSE;
        // Motor_Running_Light := FALSE; // 由全局输出控制部分处理

        // 转换：
        // 如果接收到复位命令 并且 故障信号已经消失 -> 进入空闲状态
        IF Reset_Cmd AND NOT Fault_Detected THEN
            nNextState := STATE_IDLE;
        END_IF;


    ELSE // 处理未定义的状态 (理论上不应发生)
        // 可以将其强制回到安全状态，例如空闲或故障
        nNextState := STATE_FAULT; // 检测到异常状态就进入故障

END_CASE;


// --- 更新状态 (在每个扫描周期末尾更新状态变量) ---
// 将计算出的下一个状态赋值给当前状态变量
nCurrentState := nNextState;


// --- 全局输出控制 (根据当前状态统一控制输出) ---
// 这部分可以放在状态机逻辑之后，确保输出是根据最终确定的状态设置的
// 也可以部分放在 CASE 语句的各状态分支内部，但统一控制更清晰
// 这里仅以指示灯为例
Fault_Light := (nCurrentState = STATE_FAULT); // 故障状态时故障灯亮
Motor_Running_Light := (nCurrentState = STATE_RUNNING); // 运行状态时运行灯亮

// Motor_Start_Relay 和 Motor_Stop_Relay 已经在 CASE 语句中设置了，这里不再重复设置控制输出
// 但可以根据需要在这里进行一些安全互锁等处理，例如确保 Motor_Start_Relay 和 Motor_Stop_Relay 不同时为 TRUE

说明:

• 代码使用 Structured Text (ST) 语言编写，符合 IEC 61131-3 标准。
• VAR_CONSTANT 声明状态的常量值，增加可读性。如果您的 IDE 支持枚举 (ENUM)，使用枚举是更好的实践。
• VAR 声明输入、输出和内部变量。
• nNextState 临时变量用于存储下一个状态的计算结果，避免在一个扫描周期内多次状态跳变（尽管对于简单的状态机可能不是必须的）。
• CASE nCurrentState OF ... END_CASE 是状态机逻辑的核心，每个 CASE 分支对应一个状态。
• 在每个状态分支内部，首先执行该状态对应的动作（设置输出或内部标志），然后检查离开当前状态的转换条件。如果条件满足，更新 nNextState。
• 在 CASE 语句之后，更新状态：nCurrentState := nNextState;。这个赋值发生在每个扫描周期末尾，确保状态在一个扫描周期内是稳定的。
• 全局输出控制部分根据最终确定的 nCurrentState 统一设置输出变量。这比在每个状态分支内重复设置输出更清晰。

运行结果 (Execution Results)

PLC 程序在每个扫描周期都会从头到尾执行一遍。当这段状态机代码运行时：

1. 初始化: nCurrentState 被设置为 STATE_IDLE (0)。所有输出默认为 FALSE。
2. 空闲状态: 在 PLC 监控工具中，nCurrentState 的值是 0。Motor_Running_Light, Motor_Start_Relay, Motor_Stop_Relay, Fault_Light 都是 FALSE。
3. 接收启动命令: 当 Start_Cmd 输入变为 TRUE (假设 Fault_Detected 是 FALSE)，在下一个扫描周期：
   • nNextState 在 STATE_IDLE 分支中被设置为 STATE_STARTING (1)。
   • nCurrentState 被更新为 1。
4. 启动中状态: nCurrentState 的值是 1。Motor_Start_Relay 变为 TRUE，其他控制输出为 FALSE。Fault_Light 和 Motor_Running_Light 仍然是 FALSE。
5. 启动完成: 当 Start_Complete 输入变为 TRUE (假设 Stop_Cmd 是 FALSE)，在下一个扫描周期：
   • nNextState 在 STATE_STARTING 分支中被设置为 STATE_RUNNING (2)。
   • nCurrentState 被更新为 2。
6. 运行中状态: nCurrentState 的值是 2。Motor_Start_Relay 保持 TRUE，Motor_Running_Light 变为 TRUE。其他控制输出为 FALSE。
7. 接收停止命令: 当 Stop_Cmd 输入变为 TRUE，在下一个扫描周期：
   • nNextState 在 STATE_RUNNING 分支中被设置为 STATE_STOPPING (3)。
   • nCurrentState 被更新为 3。
8. 停止中状态: nCurrentState 的值是 3。Motor_Stop_Relay 变为 TRUE，Motor_Start_Relay 和 Motor_Running_Light 变为 FALSE。
9. 停止完成: 当 Stop_Complete 输入变为 TRUE，在下一个扫描周期：
   • nNextState 在 STATE_STOPPING 分支中被设置为 STATE_IDLE (0)。
   • nCurrentState 被更新为 0。
10. 故障发生: 如果在任何非故障状态（如 STATE_RUNNING）下，Fault_Detected 输入变为 TRUE，在下一个扫描周期：
    • 全局故障检测逻辑将 nNextState 设置为 STATE_FAULT (99)。
    • nCurrentState 被更新为 99。
11. 故障状态: nCurrentState 的值是 99。Motor_Start_Relay 和 Motor_Stop_Relay 变为 FALSE，Fault_Light 变为 TRUE。
12. 故障复位: 当 Reset_Cmd 输入变为 TRUE 并且 Fault_Detected 已经变为 FALSE，在下一个扫描周期：
    • nNextState 在 STATE_FAULT 分支中被设置为 STATE_IDLE (0)。
    • nCurrentState 被更新为 0。

测试步骤以及详细代码 (Testing Steps and Detailed Code)

测试 PLC 状态机主要通过编程软件的监控或仿真功能，手动模拟输入信号，观察状态变量和输出变量的变化。

1. 将 ST 代码输入到 IDE: 在您的 PLC 编程软件中创建一个新的程序块或功能块，选择 Structured Text 语言，将上面的代码复制进去，并声明对应的变量。
2. 分配输入/输出地址 (如果使用物理 PLC): 如果您连接了物理 PLC，需要将 Start_Cmd 等输入变量和 Motor_Running_Light 等输出变量映射到实际的物理 I/O 地址或内部标志。
3. 使用仿真器或连接物理 PLC:
   • 如果使用仿真器，启动仿真器并加载您的程序。
   • 如果连接物理 PLC，将程序下载到 PLC，并使 PLC 处于运行状态 (RUN)。
4. 打开监控/观察表 (Watch Table): 在编程软件中创建一个监控表，将以下变量添加到表中进行实时监控：
   • Start_Cmd, Stop_Cmd, Fault_Detected, Reset_Cmd, Start_Complete, Stop_Complete (输入和模拟输入)
   • nCurrentState, nNextState (内部状态变量)
   • Motor_Running_Light, Motor_Start_Relay, Motor_Stop_Relay, Fault_Light (输出变量)
5. 手动模拟输入信号，验证每个转换:
   • 测试 Idle -> Starting -> Running -> Stopping -> Idle 正常流程:
     • 确保所有输入（除了 nCurrentState）都为 FALSE。验证 nCurrentState 为 STATE_IDLE (0)，所有输出为 FALSE。
     • 将 Start_Cmd 设置为 TRUE。观察 nNextState 在下一个扫描周期变为 1，nCurrentState 随后变为 1 (STATE_STARTING)。验证 Motor_Start_Relay 变为 TRUE。
     • 将 Start_Cmd 设置回 FALSE。
     • 将 Start_Complete 设置为 TRUE。观察 nNextState 在下一个扫描周期变为 2，nCurrentState 随后变为 2 (STATE_RUNNING)。验证 Motor_Start_Relay 保持 TRUE，Motor_Running_Light 变为 TRUE。
     • 将 Start_Complete 设置回 FALSE。
     • 将 Stop_Cmd 设置为 TRUE。观察 nNextState 在下一个扫描周期变为 3，nCurrentState 随后变为 3 (STATE_STOPPING)。验证 Motor_Running_Light 变为 FALSE，Motor_Stop_Relay 变为 TRUE。
     • 将 Stop_Cmd 设置回 FALSE。
     • 将 Stop_Complete 设置为 TRUE。观察 nNextState 在下一个扫描周期变为 0，nCurrentState 随后变为 0 (STATE_IDLE)。验证 Motor_Stop_Relay 变为 FALSE。
     • 将 Stop_Complete 设置回 FALSE。
   • 测试 Fault 转换和复位:
     • 让电机处于 STATE_RUNNING 状态。
     • 将 Fault_Detected 设置为 TRUE。观察 nNextState 变为 99，nCurrentState 随后变为 99 (STATE_FAULT)。验证 Motor_Start_Relay, Motor_Stop_Relay, Motor_Running_Light 变为 FALSE，Fault_Light 变为 TRUE。
     • 在故障状态，尝试将 Start_Cmd 设置为 TRUE，验证 nCurrentState 仍然是 99，没有进入启动中。
     • 将 Fault_Detected 设置回 FALSE。
     • 将 Reset_Cmd 设置为 TRUE。观察 nNextState 变为 0，nCurrentState 随后变为 0 (STATE_IDLE)。验证 Fault_Light 变为 FALSE。
     • 将 Reset_Cmd 设置回 FALSE。
   • 测试边缘转换: 例如，在 STATE_STARTING 中直接接收到 Stop_Cmd，看是否能正确进入 STATE_STOPPING。
   • 测试异常状态: 尝试强制修改 nCurrentState 为一个未定义的值（例如 50），观察 CASE 语句的 ELSE 分支是否能将其导向 STATE_FAULT。
6. 记录和分析: 记录测试过程中发现的任何异常行为，对照状态转换图和代码逻辑进行分析和修改。

代码示例 (监控表中的变量)

| Variable Name       | Data Type    | Address/Alias | Current Value | Comment                      |
|---------------------|--------------|---------------|---------------|------------------------------|
| Start_Cmd           | BOOL         |               | FALSE         | 启动命令按钮                 |
| Stop_Cmd            | BOOL         |               | FALSE         | 停止命令按钮                 |
| Fault_Detected      | BOOL         |               | FALSE         | 外部故障信号                 |
| Reset_Cmd           | BOOL         |               | FALSE         | 故障复位按钮                 |
| Start_Complete      | BOOL         |               | FALSE         | 模拟启动完成信号             |
| Stop_Complete       | BOOL         |               | FALSE         | 模拟停止完成信号             |
| nCurrentState       | INT (or ENUM)|               | 0             | 当前状态 (期望值: 0,1,2,3,99) |
| nNextState          | INT (or ENUM)|               | 0             | 下一个状态的计算值           |
| Motor_Running_Light | BOOL         |               | FALSE         | 运行指示灯输出               |
| Motor_Start_Relay   | BOOL         |               | FALSE         | 控制电机启动                 |
| Motor_Stop_Relay    | BOOL         |               | FALSE         | 控制电机停止                 |
| Fault_Light         | BOOL         |               | FALSE         | 故障指示灯输出               |

在监控表中，你可以手动修改 BOOL 变量的值（模拟输入），观察 nCurrentState, nNextState 和输出变量的变化。

部署场景 (Deployment Scenarios)

实现设备状态机的 PLC 代码通常部署在以下场景：

1. 单机设备控制: 控制单个设备（如包装机、冲压机、机械手）的复杂工作流程。
2. 生产线自动化: 控制生产线上的一个工位或多个设备的协同工作流程。
3. 过程控制: 控制流体处理、化学反应等需要按特定顺序和状态进行的过程。
4. 楼宇自动化: 控制暖通空调系统、照明系统、安防系统等设备的运行模式。
5. 机器人控制: 控制机器人的不同操作模式（如初始化、待机、运行、报警）。

代码会被编译后下载到连接物理 I/O 模块的 PLC 控制器中，控制器根据程序逻辑实时读取输入状态，更新内部状态，并控制输出驱动设备。

疑难解答 (Troubleshooting)

1. 状态机卡在某个状态:
   • 原因: 离开当前状态的转换条件永远无法满足。
   • 排查: 检查该状态分支中的所有 IF 语句，确认转换条件中涉及的输入信号或内部标志是否正常变化，以及逻辑判断是否正确。例如，启动中卡住，可能是 Start_Complete 信号没有如期到来或判断条件写反。
2. 状态机跳变异常:
   • 原因: 在某个状态下，多个离开该状态的转换条件同时满足；或者进入该状态的全局性转换条件被意外满足。
   • 排查: 检查每个状态分支中的转换条件是否相互排斥。在每个状态分支的末尾打印或监控 nNextState 的值，看它在下一个扫描周期更新前是多少。检查全局性转换（如故障检测）的条件是否过于宽松。
3. 状态被跳过:
   • 原因: 进入某个状态的转换条件满足，但该状态在下一个扫描周期内立即满足了离开的条件并跳到下下个状态。或者状态值被非法修改。
   • 排查: 检查进入和离开该状态的转换条件是否在同一扫描周期内都为真。检查代码中是否有地方非法修改了 nCurrentState 的值。
4. 输出控制错误:
   • 原因: 设置输出的逻辑错误；输出控制部分与状态机逻辑不匹配；安全互锁逻辑错误。
   • 排查: 检查 CASE 分支内部或全局输出控制部分设置输出的逻辑。确保输出是根据最终确定的 nCurrentState 设置的。检查是否有多处逻辑同时控制同一个输出。
5. 状态机初始化问题:
   • 原因: nCurrentState 没有被正确初始化；程序启动后，由于某些输入条件初始就为真，导致状态机立即进入了非预期的状态。
   • 排查: 确保 nCurrentState 在声明时有合适的初始值（通常是空闲或初始状态）。在程序启动后观察输入信号的初始状态，并检查状态机逻辑是否会因此立即触发转换。

未来展望 (Future Outlook)

• SFC (Sequential Function Chart): IEC 61131-3 标准中的 SFC 语言就是专门为顺序控制和状态机设计的。未来更多的复杂顺序控制将倾向于使用 SFC，它以图形化的方式天然地表达状态和步骤。
• 面向对象编程 (OOP) 与状态机: 在支持 OOP 的高级 PLC 编程环境中，可以将设备的状态、动作和状态转换逻辑封装到一个功能块或对象中，提高代码的模块化和重用性。
• 模型驱动开发: 可能会出现更多工具，允许开发者以图形化方式设计状态机，然后自动生成 PLC 代码。
• 与上位系统集成: 状态机的当前状态可以方便地上报给 HMI 或 SCADA 系统进行监控，或接收来自上位系统的命令进行状态切换。

技术趋势与挑战 (Technology Trends and Challenges)

技术趋势:

• 模块化和可重用性: 将状态机封装到功能块中，方便在不同设备或项目中重用。
• 图形化编程发展: SFC 和更直观的状态图工具将更广泛应用。
• 集成诊断: 状态机结构清晰，有利于集成故障诊断逻辑，定位问题。
• OOP 在 PLC 中的应用: 提高代码结构性和可维护性。

挑战:

• 复杂状态机管理: 当设备或工艺过程有大量状态和复杂交错的转换时，状态机依然可能变得非常复杂。
• 调试并发和交互: 当多个设备的状态机需要协同工作时，它们之间的交互和同步可能引入并发问题。
• 应对意外输入: 如何设计状态机使其在接收到不符合预期顺序或在错误状态下的输入信号时保持稳定。
• 状态持久化: 在 PLC 断电重启后，如何恢复设备的状态（例如，需要保存某些状态值到掉电保持区域）。

总结 (Conclusion)

状态机是 PLC 编程中解决复杂设备状态和顺序控制问题的强大工具。通过使用 Structured Text 的 CASE 语句或其他语言结构（如 SFC），我们可以清晰地定义设备的状态、每个状态下的动作以及触发状态转换的条件。这种结构化的方法使得控制程序更加清晰、易于理解和维护。

实现一个状态机通常包括定义状态、声明状态变量、使用 CASE 或 IF/ELSIF 实现状态逻辑、在每个状态中执行动作和检查转换条件、以及在每个扫描周期末尾更新状态变量。掌握状态机的概念和实现技巧，是编写高效、健壮、可维护的 PLC 代码的关键能力之一。虽然面临复杂性管理和调试挑战，但它提供的清晰度和结构性使其成为复杂控制逻辑的首选方案。