基于模型的PLC程序设计一 状态机介绍

本文介绍了状态机在PLC程序设计中的应用,对比了状态机与SFC的概念,并通过实例详细阐述了一个状态机模型如何表示特定的控制任务。状态机包含多个状态,如Ready、Run、M1、M12、M2,通过转移线和优先级进行状态转换。控制任务涉及两个泵M1和M2,以及Start、Stop按钮的操作。根据状态机,可以自动生成PLC程序,实现控制逻辑。

状态机的一般概念

状态机是UML中的概念,在嵌入式开发中应用很广,但在PLC编程中基本没有流行。它和PLC编程中的SFC概念很相似,但远比它强大。下面是一张用matlab画的状态机,包含了大部分基本元素。

泵交替允许状态机控制图


这里我简要解释一下,具体可以参考《Stateflow逻辑系统建模》作者:张威。

  • 圆角的框框是一个状态,这里一共有五个状态,分别是ReadyRunM1M12M2

  • Ready上方,有一条线,一头是实心点,另一头是一个箭头,箭头指向Ready状态,说明Ready状态是初始状态,一旦整个状态机启用,Ready状态首先激活,相当于SFC中的初始状态。

  • 在两个状态间的线是转移线,只允许向箭头所指的状态转移。Ready状态有两个转移出去的和从其它状态转移进来的。在转移出去先线上分别标有数字12,说明他们的转移优先级,如果条件12同时满足,那么先指向1

  • 父状态

<think>好的,我现在需要回答用户关于PLC程序设计中三层次状态机的实现方法和教程的问题。首先,我要回顾下用户提供的引用内容,特别是引用[3],里面提到了基于模型的三层次状态机设计,包括父状态running和子状态runSlow、runFast,以及通过按钮切换子状态的方法。用户希望了解具体的实现方法和教程,所以我的回答需要结构清晰,分步骤说明,并可能结合示例代码或流程图。 首先,我需要明确三层次状态机的定义和结构。状态机PLC程序中常用于控制流程,层次化设计可以提高可维护性和扩展性。三层次可能指的是父状态、子状态,可能还有个更底层的子子状态,或者另种层级划分。但根据引用[3],示例中的结构是父状态包含子状态,所以可能需要解释层次状态机的嵌套结构。 接下来,我应该分解实现步骤。通常,状态机的实现需要定义状态变量、状态转移条件以及每个状态下的动作。对于层次化的状态机,可能需要处理父状态和子状态之间的激活关系,比如父状态激活时必须有且只有个子状态激活,子状态的切换不影响父状态的激活状态。 然后,考虑使用具体的PLC编程语言,比如梯形图或者结构化文本(ST)。引用[3]提到生成ST程序,所以可能以ST为例更合适。需要展示如何用代码结构实现层次状态机,比如使用CASE语句或IF-ELSE结构来管理不同状态。 此外,用户可能需要了解设计时的注意事项,比如默认状态的设置、状态转移的条件处理、如何避免竞争条件或死锁,以及如何测试和调试层次状态机。 还要考虑引用中提到的内容,比如父状态running下的子状态runSlow和runFast,通过按钮切换。需要确保在程序中正确捕获按钮信号,并在状态转移时更新状态变量。同时,需要处理初始状态的设置,确保系统启动时进入正确的父状态和默认子状态。 可能还需要比较层次状态机与平铺状态机的优势,比如模块化、易于维护和扩展,适用于复杂控制系统。同时,可以提到些实际应用案例,比如引用[2]中的压饼机程序,说明层次状态机如何在实际项目中应用。 最后,生成相关问题,引导用户进步学习,比如设计模式、状态机优化、与SCADA系统的集成等。确保问题与主题相关,帮助用户深入理解。 现在需要组织这些思路,用中文分步骤说明,结构清晰,结合示例代码,并引用提供的参考文献中的相关内容。同时,检查LaTeX格式是否正确,数学表达式用$...$,独立公式用$$...$$,但可能在这个问题中数学公式不多,主要关注状态机的逻辑结构。确保回答真实可靠,参考引用[3]中的层次状态机例子,并可能扩展其他相关资料。</think>### PLC三层次状态机设计方法详解 三层次状态机PLC程序设计中常用于实现复杂控制逻辑的分层管理,其核心结构包含**父状态-子状态-动作**三级嵌套关系[^3]。以下为具体实现步骤: --- #### 、层次状态机结构定义 1. **父状态层**:定义系统主运行模式 ```structuredtext CASE mainState OF IDLE: //待机状态 IF start_button THEN mainState := RUNNING; RUNNING: //父状态 //子状态在RUNNING内部处理 FAULT: //故障状态 IF reset_signal THEN mainState := IDLE; END_CASE ``` 2. **子状态层**:在父状态下划分具体工作模式 $$子状态转移条件 = f(传感器输入, 定时器, 计数器)$$ ```structuredtext IF mainState = RUNNING THEN CASE subState OF RUN_SLOW: IF speed_up THEN subState := RUN_FAST; RUN_FAST: IF speed_down THEN subState := RUN_SLOW; END_CASE END_IF ``` 3. **动作执行层**:在子状态下配置具体输出 ```structuredtext IF subState = RUN_SLOW THEN motor_speed := 500 RPM; conveyor_power := ON; ELSIF subState = RUN_FAST THEN motor_speed := 1200 RPM; conveyor_power := PWM(80%); END_IF ``` --- #### 二、关键设计要点(参考三菱FX3G实践[^2][^3]) 1. **状态激活规则**: - 父状态激活时**必须**有个默认子状态(如RUN_SLOW) - 使用`SFC(Sequential Function Chart)`语言时可通过`INITIAL STEP`声明默认状态 - 子状态切换需保持父状态持续激活 2. **信号处理技巧**: ```structuredtext // 按钮信号边沿检测 speed_up_trig := speed_up AND NOT last_speed_up; last_speed_up := speed_up; ``` 3. **安全保护机制**: - 在父状态层设置独立故障检测 - 使用`TON`定时器实现状态超时保护 ```structuredtext TON(IN:= (subState = RUN_SLOW), PT:= T#30S, Q=>timeout_flag); IF timeout_flag THEN mainState := FAULT; ``` --- #### 三、开发流程示例(基于GX Works2) 1. **创建状态映射表** | 层级 | 状态变量 | 地址 | 触发条件 | |------|-----------|--------|----------------| | 父 | RUNNING | M100 | 启动按钮按下 | | 子 | RUN_SLOW | M101 | 速度降低命令 | | 子 | RUN_FAST | M102 | 速度提升命令 | 2. **编写ST程序框架** ```structuredtext PROGRAM MainStateMachine VAR mainState: (IDLE, RUNNING, FAULT) := IDLE; subState: (RUN_SLOW, RUN_FAST) := RUN_SLOW; END_VAR CASE mainState OF IDLE: IF start_signal THEN mainState := RUNNING; subState := RUN_SLOW; //重置子状态 END_IF RUNNING: CASE subState OF RUN_SLOW: IF speed_up_trig THEN subState := RUN_FAST; RUN_FAST: IF speed_down_trig THEN subState := RUN_SLOW; END_CASE FAULT: // 故障处理程序 END_CASE ``` --- #### 四、调试技巧 1. **状态追踪**:通过`MOV`指令将状态码写入HMI显示 2. **强制测试**:使用编程软件强制修改状态变量 3. **时序验证**:在GX Simulator中模拟I/O信号时序 > 实际应用案例:压饼机程序通过三级状态机实现送料-压制-退模的嵌套控制,其中压制阶段包含快速加压/保压/泄压三个子状态[^2]。 ---
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