鐘 亮

（湖南省煙草公司衡陽(yáng)市公司，湖南 衡陽(yáng) 421000）

1 概述

煙草商業(yè)系統(tǒng)物流卷煙分揀環(huán)節(jié)中，采用自動(dòng)劃箱機(jī)實(shí)現(xiàn)件煙箱皮打開保證條煙快速補(bǔ)給、高速分揀已成為新的行業(yè)趨勢(shì)，傳統(tǒng)的人工劃箱方式不僅速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度高，而且存在人員數(shù)量多、用工成本高等問題，為此需要設(shè)計(jì)一種高度自動(dòng)化的劃箱機(jī)，其關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)。工業(yè)控制領(lǐng)域可編程控制器（PLC）具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，它不僅可以通過編程連接傳統(tǒng)輸入/輸出設(shè)備（電機(jī)、傳感器），還可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使用范圍涉及工業(yè)自動(dòng)化全部領(lǐng)域。

2 劃箱機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

劃箱機(jī)機(jī)械系統(tǒng)主要包括：①減速電機(jī)；②刺刀；③劃刀；④劃刀機(jī)構(gòu)；⑤對(duì)中機(jī)構(gòu)；⑥吸盤，如圖1所示。其工作流程為：件煙通過滾筒輸送至劃箱機(jī)，劃箱機(jī)啟動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)調(diào)整件煙姿態(tài)至合適位置，減速電機(jī)動(dòng)作壓緊煙箱，吸盤將煙箱皮吸起，刺刀突刺后啟動(dòng)劃刀機(jī)構(gòu)劃箱，劃刀機(jī)構(gòu)收回后啟動(dòng)劃刀，劃刀機(jī)構(gòu)帶著劃刀劃膠帶邊緣部分，劃箱完成后破真空，將件煙輸送離開等待下一個(gè)件煙到達(dá)。

2.2 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)通過控制電機(jī)、電磁閥從而完成相應(yīng)的劃箱動(dòng)作。電氣系統(tǒng)核心控制器PLC選用SIMENS 314C-2 DP，其中一個(gè)DP接口用于連接Festo閥島（氣動(dòng)設(shè)備），控制13個(gè)氣缸，另一個(gè)DP接口連接上級(jí)PLC件煙輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息交互。除了自帶的24位輸入點(diǎn)、16個(gè)輸出點(diǎn)，另擴(kuò)展32位輸入模塊2個(gè)、32位輸出模塊2個(gè)，控制器硬件組態(tài)如圖2所示，部分地址定義如圖3所示。另外為便于操作設(shè)置一個(gè)7寸觸摸屏SIMATIC Panel，主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制各環(huán)節(jié)，自動(dòng)運(yùn)行下狀態(tài)顯示、報(bào)警復(fù)位等。

圖1 劃箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 硬件組態(tài)

圖3 部分地址定義

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 狀態(tài)劃分

有限狀態(tài)機(jī)FSM（finite state machine）是一種描述有窮狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移的數(shù)學(xué)模型，其最大的特點(diǎn)在于狀態(tài)數(shù)量有限且系統(tǒng)某時(shí)刻只能處于其中一個(gè)狀態(tài)。狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)稱為事件。系統(tǒng)在不同階段的狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)及事件，就能判斷出下一時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)。其示意圖如圖4所示。圖中所示FSM包含3個(gè)狀態(tài)，當(dāng)前狀態(tài)為S1，通過事件2可轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S2。

圖4 有限狀態(tài)機(jī)示意圖

常用的有限狀態(tài)機(jī)有Moore和Mealy兩種，其區(qū)別在于Moore型狀態(tài)機(jī)輸出僅與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，Mealy型輸出與當(dāng)前狀態(tài)和輸入都有關(guān)?，F(xiàn)實(shí)中Mealy型有限狀態(tài)機(jī)應(yīng)用更為普遍。兩者的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

基于此理論，將控制系統(tǒng)所有狀態(tài)劃分為4個(gè)頂層狀態(tài)，即：初始化-S0、手動(dòng)運(yùn)行-S1、自動(dòng)運(yùn)行-S2、故障指示-S3，各頂層狀態(tài)下設(shè)計(jì)包含多個(gè)子狀態(tài)，見表1，狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移如圖5所示。

（1）初始化-S0：包含初始化一個(gè)狀態(tài)，在劃箱機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化引導(dǎo)、顯示設(shè)備自檢進(jìn)度、參數(shù)寫入的一個(gè)重要狀態(tài)。

（2）手動(dòng)運(yùn)行-S1：允許手動(dòng)操作劃箱機(jī)各個(gè)動(dòng)作機(jī)構(gòu)，如滾筒啟動(dòng)停止、刺刀突刺收回、真空發(fā)生與破真空、對(duì)中、劃刀開閉，此部分主要為調(diào)試、維修設(shè)計(jì)，也可用作每天設(shè)備的日常點(diǎn)檢。

表1 控制系統(tǒng)狀態(tài)表

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

①等待1狀態(tài)：此狀態(tài)是初始化完成后的一個(gè)狀態(tài)，等待操作者的下一步指令。

②全局控制狀態(tài)：手動(dòng)控制劃箱機(jī)任何動(dòng)作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，但是為了保護(hù)某些器件，控制某部分機(jī)構(gòu)時(shí)需提前完成一些別的動(dòng)作，如劃刀打開需要先把劃刀伸出后才可執(zhí)行。

（3）自動(dòng)運(yùn)行-S2：又稱為工作狀態(tài)，包括劃箱機(jī)劃箱過程的各個(gè)狀態(tài)，為保證安全，除了外部安置的急停按鈕，不允許人員進(jìn)行設(shè)備操作。

①等待2狀態(tài)：設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行，但當(dāng)前上位系統(tǒng)還未下達(dá)任務(wù)。

②運(yùn)行就緒狀態(tài)：上位系統(tǒng)下達(dá)任務(wù)后，件煙還未到達(dá)劃箱機(jī)劃箱位置。

③運(yùn)行狀態(tài)：設(shè)備處于自動(dòng)劃箱運(yùn)行中，該運(yùn)行狀態(tài)包含諸多子運(yùn)行狀態(tài)，如圖6所示。

（4）故障指示-S3：故障部分包含2個(gè)子狀態(tài)：故障狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)。區(qū)別在于：故障狀態(tài)不可直接返回到自動(dòng)運(yùn)行部分，報(bào)警則可以。

3.2 有限狀態(tài)機(jī)的PLC實(shí)現(xiàn)

有限狀態(tài)機(jī)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)劃分、狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件、狀態(tài)動(dòng)作之間的邏輯關(guān)系。PLC程序執(zhí)行過程大致可以分為輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段。結(jié)合兩者，PLC控制程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，PLC主循環(huán)OB1里運(yùn)行狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)狀態(tài)之間的切換，具體功能的實(shí)現(xiàn)由子程序完成。故障和報(bào)警狀態(tài)主要在“運(yùn)行”狀態(tài)子程序產(chǎn)生，為了減少嵌套深度和維護(hù)方便，將之合并為一個(gè)子程序并置于主循環(huán)，即每個(gè)掃描周期都檢測(cè)是否故障或報(bào)警，提高安全性。其程序結(jié)構(gòu)如圖7所示。

（1）狀態(tài)定義。將各個(gè)狀態(tài)以具體數(shù)字定義，便于程序編寫，具體見表2。

圖6 運(yùn)行狀態(tài)內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

表2 各狀態(tài)定義

（2）特殊狀態(tài)處理。初始化狀態(tài)是一個(gè)較為特殊的狀態(tài)，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，僅上電后出現(xiàn)一次。因此，在程序中，在OB100塊中直接置位該狀態(tài)為1。OB100程序塊僅在系統(tǒng)啟動(dòng)后執(zhí)行一個(gè)掃描周期。

（3）狀態(tài)執(zhí)行。程序編輯采用梯形圖編程語(yǔ)言，其優(yōu)點(diǎn)在于直觀、調(diào)試方便。假定當(dāng)前控制系統(tǒng)已經(jīng)完成初始化，即系統(tǒng)狀態(tài)為1。結(jié)合圖4，很容易轉(zhuǎn)化為PLC梯形圖。

4 結(jié)論

本文從劃箱機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面介紹了自動(dòng)劃箱機(jī)。在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)里，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)理論，對(duì)劃箱機(jī)各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行了定義，繪制了狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，同時(shí)給出了核心狀態(tài)（運(yùn)行狀態(tài)）的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，在此基礎(chǔ)上，利用PLC梯形圖實(shí)現(xiàn)該有限狀態(tài)機(jī)。目前，自動(dòng)劃箱機(jī)成品已在某煙草物流配送中心使用1年以上，劃箱效率達(dá)到10 600條/h。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化狀態(tài)機(jī)，配合設(shè)備維保方面，體現(xiàn)更多的智能特性，如維保提示、零件更換提示等方面數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用。

圖7 程序結(jié)構(gòu)框圖