基于有限狀態機模型的全自動燙印機控制系統設計

聞 霞，任 雯，賴森財，曾顯杰

（1.三明學院裝備智能控制福建省高校重點實驗室，福建 三明 365004；2.三明學院機電工程學院，福建 三明 365004；3.三明恒順印刷機械有限公司，福建 三明 365001）

燙印機作為一種重要的印刷加工設備，可以完成獨特的燙印工藝，被廣泛應用于高端禮品包裝、現代家居和建筑裝潢材料等的表面裝飾品印刷［1-2］。傳統燙印機的自動化水平和信息化水平較低，主要表現在：需人工借助夾具配合完成整個燙印流程，半自動化的操作模式導致工作效率低；主流控制系統人機界面多采用薄膜輕觸面板，具有人機交互性差（顯示單調、信息量小及無法進行復雜參數配置等）的固有缺陷［3］。此外，現有燙印機的生產模式多為特色定制化小批量模式，燙印工藝流程復雜多樣，邏輯動作靈活多變，這給基于PLC（programmable logic controller，可編程控制器）的傳統固定路徑順序指令編程模式帶來了挑戰［4-5］，即需要工程師根據工藝變換在較短工期內對燙印動作時序控制算法進行頻繁更新，導致測試時間無法保證，而未經優化的算法容易造成氣缸等執行機構的動作發生干涉、交叉等故障，致使控制系統可靠性降低。近年來，有限狀態機（finite state machine，FSM）模型憑借能夠有效支持復雜邏輯動態行為建模的優勢，成為工控領域硬件與控制算法設計的一類具有廣闊應用前景的圖形化設計工具［6-7］。例如：文獻［8］對微制造數控系統的實時有限狀態機建模進行了研究；文獻［9］基于對動氣缸動態特性的仿真分析，利用Stateflow實現了貼片晶振封裝基座移載裝置動作時序的規劃并構建了有限狀態機模型。此外，有限狀態機模型還在智能鍋爐控制器設計［10］、交會對接飛行任務規劃［11］、彎管機控制系統設計［12］和電機霍爾傳感器故障診斷與補償［13］等方面進行了探索性應用。

基于上述分析，筆者利用三維參數化設計方法對全自動燙印機的結構進行設計，以三菱新一代FX3GE系列PLC和T5L智能觸摸屏為核心，搭建全自動燙印機的網絡化控制系統，并提出基于有限狀態機模型的全自動燙印機控制程序設計方法，旨在為小批量、多品種、個性化燙印生產［14］提供有效的方法。

1 全自動燙印機的工作原理與結構組成

1.1 全自動燙印工藝原理

為了實現全自動燙印，需要采用自動化輔助機械手抓取上料、下料過程中的承印物。整個燙印流程如圖1所示。在工位1時，自動化輔助機械手下降并進行吸附取料，其左側吸盤吸附未印承印物，右側吸盤吸附已印承印物；完成吸附后自動化輔助機械手先上升，由工位1右行至工位3后下降并開始放料，其左側吸盤將未印承印物放到承印滑臺上，右側吸盤將已印承印物放到右側自動傳輸帶上；放料完成后自動化輔助機械手上升，左行返回至工位1；與此同時，承印滑臺由工位0行至工位2，并對未印承印物實施燙印；完成燙印后，承印滑臺返回工位0，即完成一次燙印流程。

圖1 全自動燙印流程Fig.1 Automatic hot stamping process

全自動燙印工藝原理如圖2所示。具有圖案的燙印卷箔（燙金紙）在放料輥、前引導棍、后引導輥和收料輥的牽引作用下從固定在工位2上的未印承印物上方通過。當燙印卷箔上的圖案到達預定位置時，燙印卷箔停止滾動或邊燙邊卷，燙印膠輪執行下降動作并在壓力和溫度的作用下將圖案燙印至未印承印物上表面，達到燙印時間后燙印膠輪上移歸位，完成燙印。一般情況下，燙印卷箔采用電化鋁箔，受熱后在鋁層與電化鋁基膜剝離的同時將燙印圖案轉印到未印承印物上。燙印膠輪為橡膠軟質，能夠滿足不規則、多樣化的印刷要求，加熱溫度通常為100～400℃。

圖2 全自動燙印工藝原理Fig.2 Automatic hot stamping technology principle

1.2 全自動燙印機的結構組成

基于三維參數化設計方法對全自動燙印機的結構進行設計，其結構如圖3所示，主要由底座、支架、控制系統機柜、自動傳送帶、上料機構、下料機構、自動化輔助機械手、電眼固定裝置、觸摸屏罩殼、立柱、升降臂、調節手輪、張力輥、引導棍、放料輥、收料輥、承印滑臺、穿梭滑臺、穿梭絲杠、燙印膠輪、吸盤伺服電機（上料電機、下料電機、燙輪電機、卷箔電機、穿梭電機和張力電機）以及氣缸（吸盤氣缸、燙印氣缸和送印氣缸等）等組成。

2 全自動燙印機控制系統的硬件設計

多臺全自動燙印機控制系統的現場總線架構如圖4所示，包括信息管理層和現場設備層。

2.1 信息管理層設計

在信息管理層中，工程師站通過MCGS（monitor and control generated system，監視與控制通用系統）組態軟件搭建上位機監控系統，包括主監控窗口屬性設置、設備驅動、用戶動畫界面和實時數據庫的組態等；管理員站通過ERP（enterprise resource planning，企業資源計劃）管理軟件實現生產管理、數據報表和統計等功能；服務器通過企業局域網與互聯網（Internet）云端的連接，實現遠程網頁瀏覽和遠程控制。

圖3 全自動燙印機的結構組成Fig.3 Structure composition of automatic hot stamping machine

2.2 現場設備層設計

單臺全自動燙印機控制系統的現場設備層以PLC為主控制器，T5L智能觸摸屏為協控制器和人機交互界面，其電路原理圖如圖5所示。PLC通過RS485串行總線與T5L智能觸摸屏、伺服驅動模塊實現數據通信，通過光電傳感器感知工位信息，基于邏輯控制算法驅動氣缸與伺服電機。燙印車間內布置的多臺全自動燙印機基于TCP/IP（transmission control protocol/internet protocol，傳輸控制協議/網際協議），通過PLC內置的以太網通信接口與信息管理層通信。

定義全自動燙印機控制系統中PLC的輸入信號名稱及對應的變量符號，如表1所示。全自動燙印機控制系統的執行機構主要包括完成送印動作、機械手平移運動的氣缸，完成卷取燙印卷箔、張力控制、驅動輸送帶、燙印輪穿梭和滾動印刷的伺服電機以及燙印膠輪加熱裝置。各執行機構及其功能如表2所示。

圖4 全自動燙印機控制系統的現場總線架構Fig.4 Fieldbus architecture of control system of automatic hot stamping machine

圖5 全自動燙印機控制系統現場設備層的電路原理圖Fig.5 Circuit schematic diagram of field equipment layer of control system of automatic hot stamping machine

表1 全自動燙印機控制系統中PLC的輸入信號Table 1 Input signal of PLC in the control system of automatic hot stamping machine

表2 全自動燙印機控制系統的執行機構及其功能說明Table 2 Executive mechanism and its function description of control system of automatic hot stamping machine

3 全自動燙印機控制系統的軟件設計

3.1 燙印動作狀態轉換圖設計

為了便于分析，定義描述全自動燙印機的有限狀態機為：

式中：S={S1，S2，…，Sn}為 n 個狀態的集合；A={A1，A2，…，An}為n個狀態動作的集合 ；P={P1，P2，…，Pn}為n個狀態參數的集合 ；C={C1，C2，…，Cn}為n個狀態轉換條件的集合，其中Ci為第i個狀態向其他狀態轉換的條件集合。

上述4個集合的關系為：

為了便于分析和描述狀態的轉換流程，基于圖論思想和式（1）定義有向圖G：

將全自動燙印機的狀態集合S抽象為有向圖的頂點，將狀態轉換條件集合C抽象為有向圖的邊，則邊集合E定義為：

式中：ci，j表示狀態 Si轉換為狀態 Sj的條件，抽象為邊(Si，Sj)的權，ci，j=0表示條件不成立，ci，j=1表示條件成立，ci，j=-1表示條件不存在。

定義Si的m個鄰居頂點為：

在有向圖G中，全自動燙印機狀態的流向與其工位密切相關。根據圖6所示的全自動燙印機俯視圖和左視圖，可以清晰地觀察到燙印機各工位的分布情況。其中：運料氣缸的行程（從A運行至B）為400 mm，送印氣缸的行程（從B運行至C）為300 mm，穿梭電機的行程（從C運行至D）為150 mm，燙印氣缸的行程（從E運行至F）為100 mm，吸盤氣缸的行程與燙印氣缸一致。

為了可靠、高速和有序地完成全自動燙印工藝流程，采用基于變量配置驅動的狀態轉換算法來設計燙印動作的邏輯控制。

步驟1：設計狀態轉換圖。基于全自動燙印機的燙印原理和運動工位的分布、數量和邏輯關系，確定燙印動作的數量、功能以及轉換為其他動作的條件。將全自動燙印機各燙印動作間的邏輯關系抽象為狀態轉換圖，如圖7所示。

步驟2：規劃變量地址。在T5L智能屏的用戶數據存儲空間規劃用于存儲燙印動作狀態轉換圖信息的變量地址。

圖6 全自動燙印機的俯視圖和左視圖Fig.6 Top and left view of automatic hot stamping machine

圖7 全自動燙印機燙印動作的狀態轉換圖Fig.7 State transition diagram of hot stamping action of automatic hot stamping machine

步驟3：配置鄰接鏈表。為了節省存儲空間，采用動態鄰接鏈表的方式存儲狀態轉換圖的信息，如圖8所示。同時，根據客戶定制化的燙印工藝，在運行前動態更新和配置鄰接鏈表，并同步更新PLC中的S型和R型數據元件。

3.2 智能觸摸屏的變量配置

根據基于變量配置驅動的狀態轉換算法的3個步驟，對T5L智能觸摸屏進行變量配置。

步驟1：基于多種燙印工藝，確定全自動燙印機的工作模式，如表3所示。結合外部傳感器的輸入、輸出變量（表1和表2），定義全自動燙印機的狀態信息，如表4所示。其中：Timer_i(i=1，2，…，4)表示4個定時器，布爾變量Ti表示到達定時時間標志位；Count表示計數器，布爾變量Cx表示循環計數標志位；Speed_1和Speed_2分別表示卷箔電機的高速和低速參數；Speed_3和Position_3分別表示穿梭電機的速度控制參數和位置控制參數，布爾變量L表示穿梭電機位置到達信號標志位。

圖8 全自動燙印機狀態轉換圖信息的動態鄰接鏈表Fig.8 Dynamic adjacency list for state transition diagram information of automatic hot stamping machine

表3 全自動燙印機的工作模式Table 3 Working mode of automatic hot stamping machine

步驟2：將T5L智能觸摸屏用戶數據空間中的0x0000至0x000F和0x1000至0x4FFF地址分別規劃為系統變量和曲線變量地址，采用地址范圍為0x5000至0xFFFF的空間來存儲全自動燙印機的工作模式參數、狀態信息以及動態鄰接鏈表。

步驟3：假定配置5個工作模式的參數值均為0，則全自動燙印機實際運行時的狀態轉換過程如圖9所示。

4 基于Stateflow的動作時序仿真分析

綜合考慮全自動燙印機的燙印效率及其控制系統的運動穩定性，設置送印氣缸的運行速度v0=200mm/s，運料氣缸的運行速度v2=150mm/s，燙印氣缸和吸盤氣缸的運行速度v5=200mm/s，穿梭電機的運行速度v15=100mm/s。結合圖7，計算得到全自動燙印機各氣缸和穿梭電機的行程和運行時間，如表5所示。

基于Stateflow建立的全自動燙印機燙印動作的邏輯時序控制模型如圖10所示，該模型共有3層，其第1層狀態圖如圖11所示，包括緊急停車（estop）、正常停機（stop）、復位（reset）、暫停（pause）和自動運行（run）五個狀態。

如圖10所示，輸入事件“E_on”“E_off”分別模擬全自動燙印機控制系統的開機按鍵（啟動電源）和關機按鍵（關閉電源）；“E_estop”“E_stop”“E_reset”“E_pause”“E_run”分別模擬全自動燙印機控制系統中T5L智能觸摸屏上的按鍵，用于控制圖11所示的5個狀態的轉換。采用Simulink庫中的Constant模塊來模擬PLC輸入變量X3至X15的狀態，在run狀態模塊中設置工作模式M0至M5的值。如圖11所示，燙印動作邏輯時序控制模型第1層中的5個狀態采用內部轉換模式，不僅能夠降低Stateflow框圖的復雜程度和提高Stateflow的執行效率，還能夠使生成的代碼變簡短。

燙印動作邏輯時序控制模型的第2層和第3層狀態圖的原理如圖7所示。其中，第2層面向功能設計，包括6個功能模塊：初始化、印前定位、自動上料/下料、燙印/穿梭、印后定位和循環設置。第3層是對第2層中6個功能模塊進行進一步細化，例如自動上料/下料模塊包括S4至S10這7個狀態。

設置全自動燙印機的5個工作模式的參數值均為1，利用基于Stateflow搭建的燙印動作邏輯時序控制模型進行仿真分析，結果如圖12所示。

5 結 論

1）采用三維參數化設計方法設計了全自動燙印機的結構，通過合理布局工位1和工位3，使得自動上料和下料動作同步執行，并與燙印機構、傳送帶配合動作，不僅可以實現單機全自動燙印過程，還可以搭建多機自動多工位燙印流水線。通過設置工作模式M5的參數值，可以根據燙印工藝選擇半自動/全自動模式。

表4 全自動燙印機的狀態信息Table 4 Status information of automatic hot stamping machine

圖9 全自動燙印機實際運行時的狀態轉換過程Fig.9 State transition process of automatic hot stamping machine during actual operation

表5 全自動燙印機各氣缸和穿梭電機的行程和運行時間Table 5 Stroke and running time of each cylinder and shuttle motor of automatic hot stamping machine

圖10 全自動燙印機燙印動作邏輯時序控制模型Fig.10 Logical sequential control model of hot stamping action of automatic hot stamping machine

2）采用T5L智能觸摸屏代替傳統薄膜輕觸面板，提升了人機交互體驗。基于有限狀態機模型的全自動燙印機控制程序開發模式與傳統指令編程模式相比，在提高觸摸屏顯示與觸摸功能以及內嵌鄰接鏈表配置與開發效率的同時，通過串口透傳模式同步配置PLC的存儲元件，實現了系統級變量配置。

3）基于有限狀態機模型，運用Stateflow搭建了全自動燙印機的燙印機動作邏輯時序控制模型，并通過仿真驗證了氣缸與伺服電機時序的正確性，可保證其動作不會干涉和交叉，提高了控制系統的可靠性。

圖12 全自動燙印機燙印動作邏輯時序仿真結果Fig.12 Simulation results of logic sequence of hot stamping action of automatic hot stamping machine