状态机在PLC中的应用

文章目录

PLC基础
状态机
- 状态机综述
- 状态机四要素
- 状态机表示方法
状态机在PLC中的应用之横着写
BUG

PLC基础

我们先来看一个简单的程序。

一个输入控制一个输出，这时候我们如果需要将输出保持，就需要一些改造。

这个时候我们发现当X0 OFF时，Y0还是处于ON状态，即达到了保持的目的。
但我们不能一直让Y0保持ON，还是需要对Y0的状态进行控制的，这时要加入一个断开的控制。

这就是比较经典的启动、保持、停止电路。

但是在PLC程序中，我们比较少用这样的写法，这个写法算是电气时代的遗留，给电气工程师过度之用。

下面看看PLC中的写法。

这样X0为启动，X1为停止，Y0为输出，语义就相对清晰了。下面我们加上注释。语义会更明显。

语义不明，即逻辑不明，是写程序和调试程序最大的敌人。

现在有了基础结构，我们用这个结构写一个跑马灯程序。

这是一个间隔10S的跑马灯程序。为了进一步说明，我们用状态图对上面的程序进行表达。

在这里，我们对定时器进行了抽象，即定时器与动作在逻辑上是等价的。在实际应用中，这个动作，可以是定时器，也可以是气缸动作，也可以是伺服运动等等，甚至可以是多个动作组成的动作集合。

到这里我们完成了PLC的基础部分，用这个逻辑，我们可以无限延展下去，一般的程序，完全可以用这个逻辑扩展。

那我们看看可不可以在上图的基础上，进一步抽象。我们换一种表达方式。二维图表。

	状态1	状态2	状态3
动作1	条件1->状态2
动作2		条件2->状态3
动作3			条件3->状态1

在这里我们看到了与状态图不太一样的视角，但是两种表达是等价的。那这个图表对我们有什么用呢？
我们在这个图表上进一步抽象，给每一步动作加上一个序号看看。

序号		状态1	状态2	状态3
100	动作1	条件1->状态2
110	动作2		条件2->状态3
120	动作3			条件3->状态1

那这幅表格对我们写程序有什么意义呢，我们可以根据这个表格，对我们上面的程序进行一下改造。

这样我们将程序改造成，序号、状态、条件、序号转移，写在一起；而动作单独分开。
这样的好处是，我们可以直接从表格出发，直接写程序，逻辑更严谨的同时，也不会增加心智负担。
并且我们将动作与之分离，动作改写更加方便，尤其是多个动作组成的动作组等情况。

我们来看看这种情况用ST表达的样式。

在表达上更加简洁和直观，如果有从高级编程语言兼职PLC的，可以参考一下，不见得一定用梯形图来表达。

这个模式，被称为操作票模式，序号即是操作票，我个人更愿意称之为状态机竖着写。

那么状态机是什么？

状态机

“一般来说，在理论上，你需要知道如何计算”时间复杂度“和”空间复杂度“（time and space complexity）；如果你要写一个解析器，可能还需要知道状态机（state machine）的概念；除此之外，并不需要知道特别多的理论。”——《黑客与画家》

在plc编程中，极少需要讨论数据结构以及算法的复杂度问题，也不是本文讨论的主题。我们主要看状态机。

状态机百科

状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作、完成特定操作的控制中心。有限状态机简写为FSM（Finite State Machine），主要分为2大类：

第一类，若输出只和状态有关而与输入无关，则称为Moore状态机

第二类，输出不仅和状态有关而且和输入有关系，则称为Mealy状态机

以上是百科给的相关资料，我们在PLC只研究第二类。

状态机综述

状态机是有向图形，由一组节点和一组相应的转移函数组成。
状态机通过相应一系列事件而“运行”。
每个事件都在属于“当前”节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。
函数返回“下一个”（也许是同一个）节点。
这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态，状态机停止。

有限状态机是一种概念性机器，它能采取某种操作来响应一个外部事件。具体采取的操作不仅能取决于接收到的事件，还能取决于各个事件的相对发生顺序。之所以能做到这一点，是因为机器能跟踪一个内部状态，它会在收到事件后进行更新。为一个事件而响应的行动不仅取决于事件本身，还取决于机器的内部状态。另外，采取的行动还会决定并更新机器的状态。

这样一来，任何逻辑都可建模成一系列事件/状态组合。

下面这个就是状态机的有向图形的表达形式，之前我们已经见过了。

状态机四要素

现态、条件、动作、次态

现态：是指当前所处的状态
条件：又称为“事件”，当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态转移。
动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新的状态。
次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。

在上文中，事件有两种，一种是启动事件；另外一种是定时器的计时事件。
上文中条件满足时，没有触发动作，都是进行的状态转移。动作都是在现态下执行的。

状态机表示方法

一组状态集（states）
一个起始状态（start state）
一组输入符号集（alphabet）
一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数（transition function）的计算模型
状态、状态转换函数、与动作映射列表

本文中的状态集合为：（状态1,状态2,状态3）

起始状态，在这里并没有明确表达，在ST表达中，我们给了一个默认的0，即开机之后，未启动之前，状态值为0，这算是本文的起始状态，也是有向图中的第一个起始点。

一组输入符号集，在本例中，集合中只有一个元素，启动。实际工作中，这个集合可能比较大，几十几百都有可能。

计算模型，这里我们是通过梯形图或者ST语言来表达的。

映射列表，这个可以看作是状态机的核心，因为如果写不出状态机的映射列表，那么就说明对业务梳理的不到位，有含糊的地方，在写程序的时候，就会不知所措。

我们可以用有向图，也可以用二维表来表示映射列表。

	状态1	状态2	状态3
动作1	条件1->状态2
动作2		条件2->状态3
动作3			条件3->状态1

现在再看这个表格，不知道大家有没有更清晰一些。
之前我们是从上向下的分析这个表格，写出了操作票模式的程序，那我们可不可以从左到右理解这个表格？我们横着写试试。