ST状态机编程模板：用 CASE 语句实现标准的顺序控制流程

ST状态机编程模板：用 CASE 语句实现标准的顺序控制流程

在电气自动化系统中，顺序控制是最常见、最核心的控制类型之一。它广泛应用于包装机械、装配线、灌装设备、电梯逻辑、锅炉启停等场景。这类任务的共性是：动作严格按阶段推进，每个阶段有明确的启动条件、执行动作、完成判据和转移路径。若用传统梯形图（LAD）实现复杂顺序，容易陷入“线网缠绕、跳转难查、调试费时”的困境；而结构化文本（ST）语言凭借其接近自然语言的逻辑表达能力、清晰的分支结构与变量管理机制，成为构建高可靠性顺序控制的理想载体。

本文提供一套经工业现场验证的 ST 状态机编程模板，完全基于 IEC 61131-3 标准的 CASE 语句实现，不依赖厂商扩展指令，可直接用于 Codesys、TIA Portal（SCL 模式）、Unity Pro、GX Works3（ST 编辑器）等主流 PLC 平台。全文聚焦“可读性、可维护性、抗干扰性”三大工程刚需，所有代码片段均可复制粘贴后编译运行。

一、为什么必须用状态机？——顺序控制的本质矛盾

顺序控制不是“一步到位”，而是“分步裁决”。典型问题包括：

• 同一物理输出（如电机启停）在不同阶段含义不同（阶段1启动→阶段2保持→阶段3停止）；
• 某一条件（如“门已关”）在阶段A是启动前提，在阶段B却是故障禁止条件；
• 手动干预（如急停、暂停）需中断当前流程，但不能丢失上下文。

若用 IF-ELSE 嵌套实现，代码将迅速退化为“意大利面条式逻辑”：

IF (Step1_Start AND NOT Step1_Done) THEN
  Motor := TRUE;
  IF Sensor_A THEN Step1_Done := TRUE; END_IF;
ELSIF (Step1_Done AND Step2_Start AND NOT Step2_Done) THEN
  Valve := TRUE;
  IF Timer2.Q THEN Step2_Done := TRUE; END_IF;
  // …… 几十层嵌套后，谁还记得 Step17 的退出条件？
END_IF;

而状态机将控制逻辑与状态数据分离：

• State 变量唯一标识当前所处阶段（如 STATE_IDLE, STATE_FILL, STATE_SEAL）；
• 每个 CASE 分支只专注本阶段的三件事：执行动作、判断转移条件、设置下一状态；
• 所有状态转移由显式 State := NEXT_STATE 控制，无隐式跳转，逻辑流向一目了然。

二、标准状态机四要素（缺一不可）

一个工业级状态机必须包含以下四个组成部分，否则无法应对真实产线需求：

1. 状态枚举定义（Type Declaration）
   使用 TYPE ... END_TYPE 明确定义所有合法状态，禁止用整数或字符串硬编码。

   TYPE T_State :
   (
       STATE_IDLE,        // 待机：等待启动命令
       STATE_STARTUP,     // 启动：上电自检、安全复位
       STATE_FILL,        // 填充：打开进料阀，启动输送带
       STATE_SEAL,        // 封口：下降压头，加热定时
       STATE_EJECT,       // 推出：打开出料气缸，延时返回
       STATE_ERROR        // 故障：所有输出置0，等待人工确认
   );
   END_TYPE

2. 状态变量与持久化存储
   State 必须声明为 RETAIN（保持型），确保 PLC 断电重启后不丢失当前阶段：

   VAR
       State : T_State := STATE_IDLE;  // 初始值设为待机
       State_Prev : T_State;            // 记录上一状态（用于边缘触发）
   END_VAR

3. 主状态机循环（Main CASE Block）
   在主程序组织块（POU）中，用 CASE State OF 包裹全部逻辑：

   CASE State OF
       STATE_IDLE:
           // 待机阶段动作
           Motor := FALSE;
           Valve := FALSE;
           Heater := FALSE;
           // 转移条件：收到启动信号且无故障
           IF Start_Button AND NOT Fault_Flag THEN
               State := STATE_STARTUP;
           END_IF;
   
       STATE_STARTUP:
           // 启动阶段动作：执行自检序列
           SelfTest_InProgress := TRUE;
           // 完成判据：所有传感器反馈正常 + 安全门关闭
           IF SelfTest_Done AND Safety_Door_Closed THEN
               State := STATE_FILL;
           ELSIF SelfTest_Failed THEN
               State := STATE_ERROR;
           END_IF;
   
       STATE_FILL:
           // 填充阶段动作
           Valve := TRUE;                // 打开进料阀
           Conveyor_Belt := TRUE;        // 启动输送带
           // 完成判据：料位传感器检测满料 OR 时间超限（防堵料）
           IF Level_Sensor_High OR Fill_Timer.Q THEN
               Valve := FALSE;           // 关阀
               Conveyor_Belt := FALSE;   // 停带
               State := STATE_SEAL;
           END_IF;
   
       STATE_SEAL:
           // 封口阶段动作
           Press_Down := TRUE;           // 下降压头
           Heater := TRUE;               // 启动加热
           // 完成判据：压头到位 + 加热时间到
           IF Press_Down_OK AND Heater_Timer.Q THEN
               Press_Up := TRUE;         // 抬起压头
               Heater := FALSE;
               State := STATE_EJECT;
           END_IF;
   
       STATE_EJECT:
           // 推出阶段动作
           Eject_Cylinder := TRUE;       // 推出气缸伸出
           // 完成判据：推出到位 + 延时确保工件落槽
           IF Eject_Ext_OK AND Eject_Delay.Q THEN
               Eject_Cylinder := FALSE;  // 气缸缩回
               State := STATE_IDLE;
           END_IF;
   
       STATE_ERROR:
           // 故障阶段动作：强制安全停机
           Motor := FALSE;
           Valve := FALSE;
           Heater := FALSE;
           Press_Down := FALSE;
           Press_Up := FALSE;
           Eject_Cylinder := FALSE;
           // 转移条件：故障复位按钮按下 + 故障已清除
           IF Reset_Button AND NOT Fault_Flag THEN
               State := STATE_IDLE;
           END_IF;
   END_CASE;

4. 状态变迁记录（可选但强烈推荐）
   为调试与追溯增加状态切换日志：

   // 在主 CASE 块外添加
   IF State <> State_Prev THEN
       State_Change_Time := T#NOW;  // 记录切换时刻
       State_Change_Count := State_Change_Count + 1;
   END_IF;
   State_Prev := State;

三、关键工程实践（避坑指南）

▶ 条件判断必须“去抖+闭锁”，严禁裸信号

传感器信号存在机械抖动、电磁干扰，直接使用 IF Sensor THEN 会导致状态反复跳变。正确做法：

• 对所有输入信号（尤其是按钮、限位开关）加 TP（脉冲定时器）或 R_TRIG（上升沿触发器）滤波；

• 对关键完成条件（如 Fill_Timer.Q）增加“确认延迟”：

  // 错误示例：Timer.Q 一变TRUE立即转移
  IF Fill_Timer.Q THEN State := STATE_SEAL; END_IF;
  
  // 正确示例：需连续200ms为TRUE才认可
  FILL_CONFIRM: TP(T#200MS);
  FILL_CONFIRM(IN := Fill_Timer.Q);
  IF FILL_CONFIRM.Q THEN State := STATE_SEAL; END_IF;

▶ 输出必须“双重约束”：状态驱动 + 安全使能

即使处于 STATE_FILL，若安全门意外打开，进料阀也必须立即关闭。因此所有输出需满足：

Valve := (State = STATE_FILL) AND Safety_Enable;
Conveyor_Belt := (State = STATE_FILL) AND Safety_Enable AND No_Jam;

其中 Safety_Enable 是全局安全使能信号（由急停、门锁、光幕等串联生成）。

▶ 支持暂停/恢复的增强设计

在 STATE_FILL 和 STATE_SEAL 等长周期阶段，增加暂停功能：

// 在 STATE_FILL 分支内插入
IF Pause_Button THEN
    Conveyor_Belt := FALSE;
    Valve := FALSE;
    Fill_Pause_Timer(IN := TRUE, PT := T#5S); // 暂停超时自动转入ERROR
    IF Fill_Pause_Timer.Q THEN State := STATE_ERROR; END_IF;
ELSIF Resume_Button THEN
    Conveyor_Belt := TRUE;
    Valve := TRUE;
END_IF;

▶ 故障处理必须分级响应

• 一级故障（如温度超限）：暂停当前阶段，尝试自动恢复；
• 二级故障（如安全门开）：立即转入 STATE_ERROR，切断所有输出；
• 故障代码必须写入 Fault_Code 全局变量，并通过 HMI 显示具体原因（如 Fault_Code := 102; // "Sealing temp too high"）。

四、完整可运行模板（含初始化与安全兜底）

以下为可直接部署的最小可行模板（适用于任何支持 ST 的 PLC）：

// ====== 声明区 ======
TYPE T_State : (STATE_IDLE, STATE_STARTUP, STATE_RUN, STATE_STOP, STATE_ERROR);
END_TYPE

VAR
    State : T_State := STATE_IDLE;
    State_Prev : T_State;

    // 输入信号（根据实际IO映射）
    Start_Button : BOOL;
    Stop_Button : BOOL;
    Safety_Enable : BOOL;  // 急停、门锁、光幕串联
    Sensor_Full : BOOL;

    // 输出信号
    Motor : BOOL;
    Valve : BOOL;

    // 内部定时器（需在PLC资源中配置）
    Startup_Timer : TON;
    Run_Timer : TON;
    Stop_Timer : TON;

    // 故障管理
    Fault_Flag : BOOL;
    Fault_Code : INT := 0;
END_VAR

// ====== 主逻辑区 ======
// 安全兜底：任何时刻 Safety_Enable 失效，强制进入 ERROR
IF NOT Safety_Enable THEN
    State := STATE_ERROR;
    Fault_Code := 1;
END_IF;

// 主状态机
CASE State OF
    STATE_IDLE:
        Motor := FALSE;
        Valve := FALSE;
        IF Start_Button AND NOT Fault_Flag THEN
            State := STATE_STARTUP;
        END_IF;

    STATE_STARTUP:
        Startup_Timer(IN := TRUE, PT := T#3S);
        IF Startup_Timer.Q THEN
            State := STATE_RUN;
        END_IF;

    STATE_RUN:
        Motor := TRUE;
        Valve := TRUE;
        Run_Timer(IN := TRUE, PT := T#10S);
        IF Sensor_Full OR Run_Timer.Q THEN
            State := STATE_STOP;
        END_IF;

    STATE_STOP:
        Motor := FALSE;
        Valve := FALSE;
        Stop_Timer(IN := TRUE, PT := T#2S);
        IF Stop_Timer.Q THEN
            State := STATE_IDLE;
        END_IF;

    STATE_ERROR:
        Motor := FALSE;
        Valve := FALSE;
        IF Stop_Button THEN  // 仅允许通过停止按钮复位
            Fault_Flag := FALSE;
            Fault_Code := 0;
            State := STATE_IDLE;
        END_IF;
END_CASE;

// 状态变迁记录（用于HMI诊断）
IF State <> State_Prev THEN
    State_Prev := State;
END_IF;

五、调试与验证清单

六、进阶提示：从 CASE 到模块化

当设备包含多个独立工序（如“主输送线+分拣臂+打标机”），应将每个工序封装为独立的 FB（功能块）：

FUNCTION_BLOCK FB_Filling_Station
VAR_INPUT
    Start_Cmd : BOOL;
    Safety_OK : BOOL;
    Full_Sensor : BOOL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Is_Running : BOOL;
    Error_Code : INT;
END_VAR
VAR
    State : T_State := STATE_IDLE;
    Timer : TON;
END_VAR
// 内部使用完全相同的 CASE 结构

主程序调用：

Filling_Station(Start_Cmd := Main_Start, Safety_OK := Safety_Main, Full_Sensor := Level_High);
Packing_Arm(Start_Cmd := Filling_Station.Is_Running, ...);

此设计实现高内聚、低耦合，任一单元故障不影响其他单元，且支持热插拔替换。

状态机不是编程技巧，而是对控制本质的敬畏。每一个 CASE 分支都是对物理世界一个确定阶段的忠实建模，每一次 State := ... 都是对系统演进路径的主动掌控。坚持使用本模板，你交付的将不再是“能跑的程序”，而是“可读、可测、可扩展、可传承”的自动化资产。