基于FSM的件烟划箱机控制系统设计与实现

钟 亮

（湖南省烟草公司衡阳市公司，湖南 衡阳 421000）

1 概述

烟草商业系统物流卷烟分拣环节中，采用自动划箱机实现件烟箱皮打开保证条烟快速补给、高速分拣已成为新的行业趋势，传统的人工划箱方式不仅速度慢、劳动强度高，而且存在人员数量多、用工成本高等问题，为此需要设计一种高度自动化的划箱机，其关键在于控制系统。工业控制领域可编程控制器（PLC）具有无可比拟的优势，它不仅可以通过编程连接传统输入/输出设备（电机、传感器），还可以通过现场总线构成分布式网络系统，使用范围涉及工业自动化全部领域。

2 划箱机系统结构

2.1 机械结构

划箱机机械系统主要包括：①减速电机；②刺刀；③划刀；④划刀机构；⑤对中机构；⑥吸盘，如图1所示。其工作流程为：件烟通过滚筒输送至划箱机，划箱机启动对中机构调整件烟姿态至合适位置，减速电机动作压紧烟箱，吸盘将烟箱皮吸起，刺刀突刺后启动划刀机构划箱，划刀机构收回后启动划刀，划刀机构带着划刀划胶带边缘部分，划箱完成后破真空，将件烟输送离开等待下一个件烟到达。

2.2 电气系统

电气系统通过控制电机、电磁阀从而完成相应的划箱动作。电气系统核心控制器PLC选用SIMENS 314C-2 DP，其中一个DP接口用于连接Festo阀岛（气动设备），控制13个气缸，另一个DP接口连接上级PLC件烟输送系统，实现信息交互。除了自带的24位输入点、16个输出点，另扩展32位输入模块2个、32位输出模块2个，控制器硬件组态如图2所示，部分地址定义如图3所示。另外为便于操作设置一个7寸触摸屏SIMATIC Panel，主要实现手动控制各环节，自动运行下状态显示、报警复位等。

图1 划箱结构示意图

图2 硬件组态

图3 部分地址定义

3 控制系统实现

3.1 状态划分

有限状态机FSM（finite state machine）是一种描述有穷状态及状态转移的数学模型，其最大的特点在于状态数量有限且系统某时刻只能处于其中一个状态。状态之间的转移驱动称为事件。系统在不同阶段的状态，根据当前时刻的状态及事件，就能判断出下一时刻系统状态。其示意图如图4所示。图中所示FSM包含3个状态，当前状态为S1，通过事件2可转移到状态S2。

图4 有限状态机示意图

常用的有限状态机有Moore和Mealy两种，其区别在于Moore型状态机输出仅与当前状态有关，Mealy型输出与当前状态和输入都有关。现实中Mealy型有限状态机应用更为普遍。两者的数学表达式如下：

基于此理论，将控制系统所有状态划分为4个顶层状态，即：初始化-S0、手动运行-S1、自动运行-S2、故障指示-S3，各顶层状态下设计包含多个子状态，见表1，状态之间转移如图5所示。

（1）初始化-S0：包含初始化一个状态，在划箱机上电后，系统进行初始化引导、显示设备自检进度、参数写入的一个重要状态。

（2）手动运行-S1：允许手动操作划箱机各个动作机构，如滚筒启动停止、刺刀突刺收回、真空发生与破真空、对中、划刀开闭，此部分主要为调试、维修设计，也可用作每天设备的日常点检。

表1 控制系统状态表

图5 状态转移图

①等待1状态：此状态是初始化完成后的一个状态，等待操作者的下一步指令。

②全局控制状态：手动控制划箱机任何动作机构的状态，但是为了保护某些器件，控制某部分机构时需提前完成一些别的动作，如划刀打开需要先把划刀伸出后才可执行。

（3）自动运行-S2：又称为工作状态，包括划箱机划箱过程的各个状态，为保证安全，除了外部安置的急停按钮，不允许人员进行设备操作。

①等待2状态：设备进入自动运行，但当前上位系统还未下达任务。

②运行就绪状态：上位系统下达任务后，件烟还未到达划箱机划箱位置。

③运行状态：设备处于自动划箱运行中，该运行状态包含诸多子运行状态，如图6所示。

（4）故障指示-S3：故障部分包含2个子状态：故障状态和报警状态。区别在于：故障状态不可直接返回到自动运行部分，报警则可以。

3.2 有限状态机的PLC实现

有限状态机程序设计的关键，在于整个系统的状态划分、状态转换条件、状态动作之间的逻辑关系。PLC程序执行过程大致可以分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。结合两者，PLC控制程序采用模块化的设计思路，PLC主循环OB1里运行状态机，实现各个状态之间的切换，具体功能的实现由子程序完成。故障和报警状态主要在“运行”状态子程序产生，为了减少嵌套深度和维护方便，将之合并为一个子程序并置于主循环，即每个扫描周期都检测是否故障或报警，提高安全性。其程序结构如图7所示。

（1）状态定义。将各个状态以具体数字定义，便于程序编写，具体见表2。

图6 运行状态内部状态转移图

表2 各状态定义

（2）特殊状态处理。初始化状态是一个较为特殊的状态，在整个系统运行过程中，仅上电后出现一次。因此，在程序中，在OB100块中直接置位该状态为1。OB100程序块仅在系统启动后执行一个扫描周期。

（3）状态执行。程序编辑采用梯形图编程语言，其优点在于直观、调试方便。假定当前控制系统已经完成初始化，即系统状态为1。结合图4，很容易转化为PLC梯形图。

4 结论

本文从划箱机硬件结构、电气系统、控制系统软件设计三个方面介绍了自动划箱机。在控制系统软件设计里，结合有限状态机理论，对划箱机各个状态进行了定义，绘制了状态转移图，同时给出了核心状态（运行状态）的状态转移图，在此基础上，利用PLC梯形图实现该有限状态机。目前，自动划箱机成品已在某烟草物流配送中心使用1年以上，划箱效率达到10 600条/h。后续将进一步优化状态机，配合设备维保方面，体现更多的智能特性，如维保提示、零件更换提示等方面数据采集与应用。

图7 程序结构框图