基于有限状态机模型的全自动烫印机控制系统设计

2021-01-22赖森财曾显杰

工程设计学报 2020年6期

闻霞，任雯，赖森财，曾显杰

（1.三明学院装备智能控制福建省高校重点实验室，福建三明 365004；2.三明学院机电工程学院，福建三明 365004；3.三明恒顺印刷机械有限公司，福建三明 365001）

烫印机作为一种重要的印刷加工设备，可以完成独特的烫印工艺，被广泛应用于高端礼品包装、现代家居和建筑装潢材料等的表面装饰品印刷［1-2］。传统烫印机的自动化水平和信息化水平较低，主要表现在：需人工借助夹具配合完成整个烫印流程，半自动化的操作模式导致工作效率低；主流控制系统人机界面多采用薄膜轻触面板，具有人机交互性差（显示单调、信息量小及无法进行复杂参数配置等）的固有缺陷［3］。此外，现有烫印机的生产模式多为特色定制化小批量模式，烫印工艺流程复杂多样，逻辑动作灵活多变，这给基于PLC（programmable logic controller，可编程控制器）的传统固定路径顺序指令编程模式带来了挑战［4-5］，即需要工程师根据工艺变换在较短工期内对烫印动作时序控制算法进行频繁更新，导致测试时间无法保证，而未经优化的算法容易造成气缸等执行机构的动作发生干涉、交叉等故障，致使控制系统可靠性降低。近年来，有限状态机（finite state machine，FSM）模型凭借能够有效支持复杂逻辑动态行为建模的优势，成为工控领域硬件与控制算法设计的一类具有广阔应用前景的图形化设计工具［6-7］。例如：文献［8］对微制造数控系统的实时有限状态机建模进行了研究；文献［9］基于对动气缸动态特性的仿真分析，利用Stateflow实现了贴片晶振封装基座移载装置动作时序的规划并构建了有限状态机模型。此外，有限状态机模型还在智能锅炉控制器设计［10］、交会对接飞行任务规划［11］、弯管机控制系统设计［12］和电机霍尔传感器故障诊断与补偿［13］等方面进行了探索性应用。

基于上述分析，笔者利用三维参数化设计方法对全自动烫印机的结构进行设计，以三菱新一代FX3GE系列PLC和T5L智能触摸屏为核心，搭建全自动烫印机的网络化控制系统，并提出基于有限状态机模型的全自动烫印机控制程序设计方法，旨在为小批量、多品种、个性化烫印生产［14］提供有效的方法。

1 全自动烫印机的工作原理与结构组成

1.1 全自动烫印工艺原理

为了实现全自动烫印，需要采用自动化辅助机械手抓取上料、下料过程中的承印物。整个烫印流程如图1所示。在工位1时，自动化辅助机械手下降并进行吸附取料，其左侧吸盘吸附未印承印物，右侧吸盘吸附已印承印物；完成吸附后自动化辅助机械手先上升，由工位1右行至工位3后下降并开始放料，其左侧吸盘将未印承印物放到承印滑台上，右侧吸盘将已印承印物放到右侧自动传输带上；放料完成后自动化辅助机械手上升，左行返回至工位1；与此同时，承印滑台由工位0行至工位2，并对未印承印物实施烫印；完成烫印后，承印滑台返回工位0，即完成一次烫印流程。

图1 全自动烫印流程Fig.1 Automatic hot stamping process

全自动烫印工艺原理如图2所示。具有图案的烫印卷箔（烫金纸）在放料辊、前引导棍、后引导辊和收料辊的牵引作用下从固定在工位2上的未印承印物上方通过。当烫印卷箔上的图案到达预定位置时，烫印卷箔停止滚动或边烫边卷，烫印胶轮执行下降动作并在压力和温度的作用下将图案烫印至未印承印物上表面，达到烫印时间后烫印胶轮上移归位，完成烫印。一般情况下，烫印卷箔采用电化铝箔，受热后在铝层与电化铝基膜剥离的同时将烫印图案转印到未印承印物上。烫印胶轮为橡胶软质，能够满足不规则、多样化的印刷要求，加热温度通常为100～400℃。

图2 全自动烫印工艺原理Fig.2 Automatic hot stamping technology principle

1.2 全自动烫印机的结构组成

基于三维参数化设计方法对全自动烫印机的结构进行设计，其结构如图3所示，主要由底座、支架、控制系统机柜、自动传送带、上料机构、下料机构、自动化辅助机械手、电眼固定装置、触摸屏罩壳、立柱、升降臂、调节手轮、张力辊、引导棍、放料辊、收料辊、承印滑台、穿梭滑台、穿梭丝杠、烫印胶轮、吸盘伺服电机（上料电机、下料电机、烫轮电机、卷箔电机、穿梭电机和张力电机）以及气缸（吸盘气缸、烫印气缸和送印气缸等）等组成。

2 全自动烫印机控制系统的硬件设计

多台全自动烫印机控制系统的现场总线架构如图4所示，包括信息管理层和现场设备层。

2.1 信息管理层设计

在信息管理层中，工程师站通过MCGS（monitor and control generated system，监视与控制通用系统）组态软件搭建上位机监控系统，包括主监控窗口属性设置、设备驱动、用户动画界面和实时数据库的组态等；管理员站通过ERP（enterprise resource planning，企业资源计划）管理软件实现生产管理、数据报表和统计等功能；服务器通过企业局域网与互联网（Internet）云端的连接，实现远程网页浏览和远程控制。

图3 全自动烫印机的结构组成Fig.3 Structure composition of automatic hot stamping machine

2.2 现场设备层设计

单台全自动烫印机控制系统的现场设备层以PLC为主控制器，T5L智能触摸屏为协控制器和人机交互界面，其电路原理图如图5所示。PLC通过RS485串行总线与T5L智能触摸屏、伺服驱动模块实现数据通信，通过光电传感器感知工位信息，基于逻辑控制算法驱动气缸与伺服电机。烫印车间内布置的多台全自动烫印机基于TCP/IP（transmission control protocol/internet protocol，传输控制协议/网际协议），通过PLC内置的以太网通信接口与信息管理层通信。

定义全自动烫印机控制系统中PLC的输入信号名称及对应的变量符号，如表1所示。全自动烫印机控制系统的执行机构主要包括完成送印动作、机械手平移运动的气缸，完成卷取烫印卷箔、张力控制、驱动输送带、烫印轮穿梭和滚动印刷的伺服电机以及烫印胶轮加热装置。各执行机构及其功能如表2所示。

图4 全自动烫印机控制系统的现场总线架构Fig.4 Fieldbus architecture of control system of automatic hot stamping machine

图5 全自动烫印机控制系统现场设备层的电路原理图Fig.5 Circuit schematic diagram of field equipment layer of control system of automatic hot stamping machine

表1 全自动烫印机控制系统中PLC的输入信号Table 1 Input signal of PLC in the control system of automatic hot stamping machine

表2 全自动烫印机控制系统的执行机构及其功能说明Table 2 Executive mechanism and its function description of control system of automatic hot stamping machine

3 全自动烫印机控制系统的软件设计

3.1 烫印动作状态转换图设计

为了便于分析，定义描述全自动烫印机的有限状态机为：

式中：S={S1，S2，…，Sn}为 n 个状态的集合；A={A1，A2，…，An}为n个状态动作的集合；P={P1，P2，…，Pn}为n个状态参数的集合；C={C1，C2，…，Cn}为n个状态转换条件的集合，其中Ci为第i个状态向其他状态转换的条件集合。

上述4个集合的关系为：

为了便于分析和描述状态的转换流程，基于图论思想和式（1）定义有向图G：

将全自动烫印机的状态集合S抽象为有向图的顶点，将状态转换条件集合C抽象为有向图的边，则边集合E定义为：

式中：ci，j表示状态 Si转换为状态 Sj的条件，抽象为边(Si，Sj)的权，ci，j=0表示条件不成立，ci，j=1表示条件成立，ci，j=-1表示条件不存在。

定义Si的m个邻居顶点为：

在有向图G中，全自动烫印机状态的流向与其工位密切相关。根据图6所示的全自动烫印机俯视图和左视图，可以清晰地观察到烫印机各工位的分布情况。其中：运料气缸的行程（从A运行至B）为400 mm，送印气缸的行程（从B运行至C）为300 mm，穿梭电机的行程（从C运行至D）为150 mm，烫印气缸的行程（从E运行至F）为100 mm，吸盘气缸的行程与烫印气缸一致。

为了可靠、高速和有序地完成全自动烫印工艺流程，采用基于变量配置驱动的状态转换算法来设计烫印动作的逻辑控制。

步骤1：设计状态转换图。基于全自动烫印机的烫印原理和运动工位的分布、数量和逻辑关系，确定烫印动作的数量、功能以及转换为其他动作的条件。将全自动烫印机各烫印动作间的逻辑关系抽象为状态转换图，如图7所示。

步骤2：规划变量地址。在T5L智能屏的用户数据存储空间规划用于存储烫印动作状态转换图信息的变量地址。

图6 全自动烫印机的俯视图和左视图Fig.6 Top and left view of automatic hot stamping machine

图7 全自动烫印机烫印动作的状态转换图Fig.7 State transition diagram of hot stamping action of automatic hot stamping machine

步骤3：配置邻接链表。为了节省存储空间，采用动态邻接链表的方式存储状态转换图的信息，如图8所示。同时，根据客户定制化的烫印工艺，在运行前动态更新和配置邻接链表，并同步更新PLC中的S型和R型数据元件。

3.2 智能触摸屏的变量配置

根据基于变量配置驱动的状态转换算法的3个步骤，对T5L智能触摸屏进行变量配置。

步骤1：基于多种烫印工艺，确定全自动烫印机的工作模式，如表3所示。结合外部传感器的输入、输出变量（表1和表2），定义全自动烫印机的状态信息，如表4所示。其中：Timer_i(i=1，2，…，4)表示4个定时器，布尔变量Ti表示到达定时时间标志位；Count表示计数器，布尔变量Cx表示循环计数标志位；Speed_1和Speed_2分别表示卷箔电机的高速和低速参数；Speed_3和Position_3分别表示穿梭电机的速度控制参数和位置控制参数，布尔变量L表示穿梭电机位置到达信号标志位。

图8 全自动烫印机状态转换图信息的动态邻接链表Fig.8 Dynamic adjacency list for state transition diagram information of automatic hot stamping machine

表3 全自动烫印机的工作模式Table 3 Working mode of automatic hot stamping machine

步骤2：将T5L智能触摸屏用户数据空间中的0x0000至0x000F和0x1000至0x4FFF地址分别规划为系统变量和曲线变量地址，采用地址范围为0x5000至0xFFFF的空间来存储全自动烫印机的工作模式参数、状态信息以及动态邻接链表。

步骤3：假定配置5个工作模式的参数值均为0，则全自动烫印机实际运行时的状态转换过程如图9所示。

4 基于Stateflow的动作时序仿真分析

综合考虑全自动烫印机的烫印效率及其控制系统的运动稳定性，设置送印气缸的运行速度v0=200mm/s，运料气缸的运行速度v2=150mm/s，烫印气缸和吸盘气缸的运行速度v5=200mm/s，穿梭电机的运行速度v15=100mm/s。结合图7，计算得到全自动烫印机各气缸和穿梭电机的行程和运行时间，如表5所示。

基于Stateflow建立的全自动烫印机烫印动作的逻辑时序控制模型如图10所示，该模型共有3层，其第1层状态图如图11所示，包括紧急停车（estop）、正常停机（stop）、复位（reset）、暂停（pause）和自动运行（run）五个状态。

如图10所示，输入事件“E_on”“E_off”分别模拟全自动烫印机控制系统的开机按键（启动电源）和关机按键（关闭电源）；“E_estop”“E_stop”“E_reset”“E_pause”“E_run”分别模拟全自动烫印机控制系统中T5L智能触摸屏上的按键，用于控制图11所示的5个状态的转换。采用Simulink库中的Constant模块来模拟PLC输入变量X3至X15的状态，在run状态模块中设置工作模式M0至M5的值。如图11所示，烫印动作逻辑时序控制模型第1层中的5个状态采用内部转换模式，不仅能够降低Stateflow框图的复杂程度和提高Stateflow的执行效率，还能够使生成的代码变简短。

烫印动作逻辑时序控制模型的第2层和第3层状态图的原理如图7所示。其中，第2层面向功能设计，包括6个功能模块：初始化、印前定位、自动上料/下料、烫印/穿梭、印后定位和循环设置。第3层是对第2层中6个功能模块进行进一步细化，例如自动上料/下料模块包括S4至S10这7个状态。

设置全自动烫印机的5个工作模式的参数值均为1，利用基于Stateflow搭建的烫印动作逻辑时序控制模型进行仿真分析，结果如图12所示。