基于有限状态机的全自动编织袋套袋机控制策略设计 61页

分类号TP273.1密级UDC621学校代码10500硕士学位论文（全日制学术学位）题目：基于有限状态机的全自动编织袋套袋机控制策略设计英文题目：ControlStrategyDesignoftheAutomaticBaggingMachinebasedonFiniteStateMachine学位申请人姓名：鲁梦昆申请学位学科专业：精密仪器及机械指导教师姓名：何涛二○一六年五月 分类号TP273.1密级UDC621学校代码10500硕士学位论文题目：基于有限状态机的全自动编织袋套袋机控制策略设计英文题目：ControlStrategyDesignoftheAutomaticBaggingMachinebasedonFiniteStateMachine研究生姓名（签名）指导教师姓名（签名）职称申请学位学科名称精密仪器及机械学科代码080401论文答辩日期20160522学位授予日期20160630学院负责人（签名）评阅人姓名石端伟评阅人姓名李刚炎年月日 学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 摘要随着我国传统制造业人力成本的不断提高，利润不断减少，越来越多的纸袋生产企业迫切需要采用自动编织袋套袋机代替手工生产。由于编织袋柔软，切口容易脱丝，因此，编织袋套袋工艺复杂，且对编织袋套袋机动作协调性要求极高，所以，本论文研究应用有限状态机原理改进包装机械常用的PLC主控技术，解决自动编织袋套袋机PLC智能控制上的难题，有重要的工程应用价值。本文主要内容有：（1）针对国内包装机械与国外包装机械在控制技术方面的差距，研究了一种采用有限状态机模型来解决复杂包装机械控制的理论问题。即，将自动包装机的运行、暂停、复位等各种控制状态视为有限状态机的子状态进行智能控制，同时，将机械运行中的各种工艺动作状态（制袋、套袋等）视为子状态进行智能控制。（2）创新性地通过类比有限状态机建立正则表达式的方式，从数学原理证实了PLC控制程序应用有限状态机原理的可行性，并将PLC控制程序的三种基本结构改为拥有有限状态机数学关系的新型状态转移模型，使其能适应有限状态机的状态转移模式，实现基于状态的智能控制。（3）根据全自动编织袋套袋机的功能，设计了相应的电气控制系统和触摸屏控制界面。根据研究的基于有限状态机的PLC新型状态转移模型及全自动编织袋套袋机的功能，明确各种状态转移规则，提出了一种状态式主控程序模型，开发出全自动编织袋套袋机控制程序和各功能模块程序，完成全部套袋工艺动作控制。（4）全自动编织袋套袋机在试验中能完成所有设计功能，并且能根据检测到的各种故障自动暂停并报警，在人工干预解决故障后恢复正常运行，并完成指定生产任务，说明基于有限状态机的全自动编织袋套袋机在控制技术方面的先进性。基于有限状态机的PLC智能控制技术，不仅能用于全自动编织袋套袋机，还可以用于其它包装机械的智能控制。关键词：编织袋，套袋机，智能控制，PLC，有限状态机I AbstractWiththecontinuousimprovementofChina"straditionalmanufacturinglaborcosts,profitsshrinking,moreandmorepaperproductionenterprisesurgentlyneedtoadoptautomaticbagbaggingmachinetoreplacemanualproduction.Duetothesoftbag,incisioneasytotakeoffasilk,therefore,wovenbagbaggingtechnologyiscomplex,andtomakecoordinationwithwovensackmotorrequirementisextremelyhigh,so,thisthesisresearchreferencefinitestatemachinetheorytoimprovepackagingmachinerycommonlyusedPLCcontroltechnology,tosolvetheautomaticbagfortheproblemofbaggingmachinePLCintelligentcontrol,hasimportantvalueforengineeringapplication.Inthisarticle,themaincontentsare:(1)Inviewofthecontroltechnologygapofdomesticpackagingmachineryandpackagingmachineryabroad,researchastatemachinemodeltodealwithcomplexpackagingmachinerycontroltheory.Thatis,totheoperationoftheautomaticpackingmachine,suspend,andresetallsortsofcontrolstateasalowerstateofthefinitestatemachinetorealizeintelligentcontrol,atthesametime,variousoperatingstate(bag,sack,etc.)oftherunningtimeaslowerstatetorealizeintelligentcontrol.(2)creativelyimitatingtheprocessoffinitestatemachineestablishingregularexpression,confirmedthefeasibilityoftheapplicationofthefinitestatemachineprincipleinPLCcontrolprogramfromthemathematicalprinciples,andconvertthethreebasicstructureofPLCcontrolprogramtonewstatetransitionmodelwithmathematicalrelationship,makeitadapttothestatemachineprocessofstatetransitionmodel,realizetheintelligentcontrolbasedonstate.(3)Accordingtothefunctionoftheautomaticbaggingmachine,designthecorrespondingelectriccontrolsystemandtouchscreeninterface.AccordingtothePLCnewstatetransitionmodelbasedonstatemachineandthefunctionofautomaticbaggingmachine,thisarticleproposesaheuristicmastercontrolprogrammodel,developthecontrolprogramandeachfunctionmoduleoffullyautomaticbaggingmachine,realizethecompletingcontrolofallbaggingprocess.(4)Automaticbaggingmachinecancompleteallfunctionduringthetest,andvoluntarilydetectaccordingtovariousfaultpauseandalarmautomatically,resumenormaloperationaftermanualintervention,andthencompleteproductiontask,certifytheprogressivenessoftheautomaticbaggingmachinebasedonstatemachine.ThisPLCintelligentcontroltechnologybasedonthefinitestatemachinecannotonlybeusedforautomaticbaggingmachine,canalsobeusedforintelligentcontrolofotherpackagingmachinery.Keywords:wovenbags,baggingmachine,intelligentcontrol,PLC,finitestatemachineII 目录摘要......................................................................IAbstract.....................................................................II目录....................................................................III第1章绪论..................................................................11.1课题来源................................................................11.2课题的意义和目的........................................................11.3国内外发展现状..........................................................21.3.1有限状态机技术的发展及应用........................................21.3.2包装机械控制控制智能化技术发展现状................................31.3.3状态机应用于包装机械智能控制技术的可行性分析......................41.4本文的主要研究工作......................................................5第2章有限状态机原理..........................................................62.1有限状态机..............................................................62.2有限状态机的数学模型....................................................62.3本章小结................................................................8第3章基于状态机模型的PLC状态转移图研究.....................................103.1有限状态机与正则表达式.................................................103.2控制程序应用有限状态机原理进行状态转移逻辑运算.........................113.3利用有限状态机原理简化状态转移图的方法.................................133.4本章小结...............................................................15第4章编织袋套袋机的功能及硬件设计...........................................164.1全自动编织袋套袋机.....................................................164.1.1全自动编织袋套袋机设计的背景.....................................164.1.2全自动编织袋套袋机的功能及参数设计...............................174.2全自动编织袋套袋机控制系统硬件设计.....................................224.2.1全自动编织袋套袋机控制系统硬件选型...............................224.2.2全自动编织袋套袋机电气控制系统设计...............................23III 4.3全自动编织袋套袋机人机界面及组态设计...................................254.3.1人机界面及组态软件概述...........................................254.3.2全自动编织袋套袋机触摸屏控制界面设计.............................274.4本章小结...............................................................30第5章基于有限状态机的编织袋套袋机软件设计...................................315.1智能控制的结构化、模式化编程模型.......................................315.2基于状态机原理的主控程序状态转移模型...................................335.3基于状态机原理的结构化快速复位状态转移图设计...........................355.4基于状态机原理的模块化正常运行状态转移图设计...........................365.5运行结果分析...........................................................415.5.1主要伺服电机运行状况在线监测效果.................................415.5.2各种故障的仿真测试及分析.........................................435.5.3全自动套袋机先进性对比分析.......................................455.6本章小结...............................................................46第6章总结与展望............................................................486.1本文总结...............................................................486.2展望...................................................................49参考文献.....................................................................50致谢.........................................................................53附录.........................................................................54IV 第1章绪论1.1课题来源本课题来源于湖北工业大学与江苏万乐自动化有限公司合作项目“全自动编织袋套袋机研发”。1.2课题的意义和目的上世纪90年代以来，我国包装机械由于包装制品的大量需求出现了高速发展，[1]年平均增长率为30%。21世纪以来，相比传统包装机械，新型包装机械要求具有配套完善、简洁化、生产率高及自动化等特点。未来包装机械要求满足工业自动化趋势，促使包装机械总体水平提高，如将编码器、智能数控系统、负载控制等新型智能设备应用于包装机械，使操作者在操作时具有操作正确性、灵活性、兼[2]容性、独立性和高效率。我国还停留在仿制阶段，自行开发能力弱，缺少科研试验基地，缺少大型智能化和高精度的产品，无法满足市场需求。控制与驱动技术是包装机械中最关键的技术，而我国包装机械产品与发达国家相比，差距主要表[3]现在控制技术和产品可靠性方面，且技术更新速度慢，导致寿命短、稳定性和可靠性差，整体产品质量无法与发达国家竞争。如何提高包装机械可靠性及智能化水平已成为当前我国包装机械行业亟需解决的问题。智能机器最主要的特点是不仅可以代替人类的体力劳动，更可以代替一部分脑力劳动。在研究和设计包装机械智能控制系统时，主要精力不应放在数学公式的表达、计算和处理等方面，而应放在对任务模型的描述、环境和符号的识别及知识库的推理方面，即智能机器的关键技术问题不是研制常规控制器，而是设计智能机器的控制模型。智能机器的控制模型设计需要利用信息处理、启发式程序[4]设计、自动推理与决策等技术。在计算机程序方面，有限状态机原理是一种比较简单有效的智能控制模型，拥有较好的程序自我决策能力，例如在AI游戏程序设计中,充分验证了有限状态机简单而高效的智能逻辑实现能力,并且贯穿于游戏的策划、脚本、编码等所有过[5]程。在智能仪器控制方面，有限状态机原理已成为智能仪器设计时一种指导性设[6]计模型，多次成功应用于基于C语言，LABVIEW等平台的智能仪器设计。但因计算机语言与PLC程序语言本身的差异，有限状态机原理还没有成为PLC平台的启1 发式程序设计模型，至今没有基于PLC平台的大型智能机器上成功应用的案例。本课题的研究目的是设计研发一款全自动编织袋套袋机，并利用有限状态机原理对其控制程序进行结构化、模块化编程，使其拥有智能机器的特点，不仅要使全自动编织袋套袋机能满足当前国内包装公司的生产需求，更需要在控制技术上达到国内外领先水平，使其在日趋激烈的市场竞争中占据优势地位。1.3国内外发展现状1.3.1有限状态机技术的发展及应用有限状态机(FiniteStateMachine，简称FSM)又称有限状态自动机。1956年，语言学家乔姆斯基(Chomsky)从产生语言的角度研究语言，他通过抽象地将语言定义为一个由字母表中的字母组成的字符串的集合：对于任何语言L,∗存在有一个字母表，使得L⊆，可在字母表上按一定的顺序规则定义一个文法(grammar)，该文法生成的所有语句的集合就是该文法生成的语言。1951-1956年，克林(Kleene)从语言识别的角度研究语言，研究产生了语言的另一种描述。他在研究神经细胞时建立了自动机，按照一定规则构造的自动机都可以定义成一个语言，并且这个语言可由该自动机所能识别的所有语句组成。1959年，乔姆斯基通过将他本人的研究结果与克林的研究结果相结合，不仅成功确定了自动机和文法可以从生成和识别的角度表达语言，而且证明了自动机[7]与文法的等价性。此时自动机的形式语言真正诞生，并被置于数学的光芒之下。形式语言出现后，很快就被应用于计算机科学与技术领域。20世纪50年代，人们成功地用巴克斯范式(BackusNormalForm，BNF)对高级语言ALGOL-60进行了描述，BNF被作为计算机程序设计时最佳的语言文法近似描述获得重视并被进行[8]了较深入的研究。后来，该文法又被应用于模式匹配、模型化处理等很多方面，这些内容都是算法描述与分析、可计算性、计算复杂性等理论研究的基础。自动机理论能有效实现计算机程序的自动化，培养程序员的“计算思维能力”——形式化、抽象思维、逻辑思维能力，算法分析与设计能力，计算机系统认知、分析和程序设计能力。因此，美国的一些计算机学者将程序员是否掌握自动机理论作[9]为其是否受过良好的计算机科学专业训练的一个判定标准。游戏程序开发过程中，通常使用限状态机对游戏程序进行模块化管理。在MMORPG(MultiplayerOnlineRole-PlayingGame)中,状态机是一个被充分验证的[10]简单、高效的AI(ArtificialIntelligence)逻辑实现的式,贯穿在游戏的策划、脚本、编码等全过程，利用有限状态机的状态图可以很容易并且直观地对程序结2 构进行描述，也容易进行调试，便于捕捉AI的行为，有限状态机能用于绝大部分AI问题。状态机最常用于实现NPC和玩家对话，设NPC有n个状态，根据用户的选择从当前的第k个状态跳转至第m个状态。开发人员只要做到在对应的某个状态让玩家接受相应的任务，比如：获得宝物、触发新任务、升级等就可以实现游[11]戏的AI控制。[12]在智能仪器控制领域，有限状态机是一种控制系统设计的规范方法，适用于控制程序分支流程多，状态间的跳转较为复杂的程序，通过对状态寄存器及状态转移条件进行编码，各编码实际作为指针参与程序运行，从而简化程序运行流程，使程序的状态转移路径更为清晰。状态机具有较大实际应用价值，已经被多次成功应用于基于C语言、VHDL、LabVIEW以及FPGA/CPLD等平台的各种复杂控制程序中。发表于2003年的《一种应用VHDL语言设计有限状态机控制器的方法》，文中首先分析被控对象的时序状态，根据控制对象的行为，确定控制器状态机的各个状态与输入输出条件，然后应用VHDL语言设计状态转移图，最后用EDA软件[13]进行编译、适配和仿真，并利用逻辑分析仪对设计结果进行验证。发表于2007年的《基于LabVIEW的状态机模型研究》，文中所述状态机模型在基于LabVIEW平台的“便携式舰载导弹舰面测试系统”项目中的应用，取得了较好的效果。该测试系统要求实现对导弹上信号的实时测试与监控,功能不易实现,所以设计时把整个测试系统划分成多个状态,这样导致状态机内部逻辑变得复杂。处理此问题的策略是:把大的状态看成一个从状态机,按树型结构组织主、从状态机。最终该系[14]统被分为4个主状态:待机、测试、回放和暂停。虽然状态机技术在很多方面都有成功应用，推动了智能仪器控制技术的发展，但却没有成功应用于包装机械智能控制技术的案例。1.3.2包装机械控制控制智能化技术发展现状1967年Leondes等人首先提出“智能控制”的概念，智能控制是指驱动智能机器自主实现目标的过程，是无需人的干预就能驱使智能机器实现目标的高度自[15]动化控制。80年代以来智能控制获得了迅速的发展，计算机应用技术已被广泛应用于包装工业的各个领域，智能控制技术在国外包行行业获得重视，如智能传感器、智能化仪表和智能控制器等高科技产品的实际应用，大幅提高了包装机械的生产质量和速度，生产效率得以明显提高。在经典控制理论中，为了使控制任务和目标变得明确，被控对象和干扰一般严格使用数学函数与方程式表示，很多控制对象具有不确定性，外界环境也是不断变化的，在变化量较小的情况下，一般反馈控制就可以满足性能要求，反馈控3 制具有自动检测，决策的能力，因而反馈控制具有一定的智能。当被控对象的难以捕捉，周围环境变化明显时，可以采用自适应控制，实现对控制器的参数进行自动调节，虽然自适应控制具有一定的智能化水平，但在80年代初期，人们发现自适应控制在实际应用时，需求条件过于严格，甚至会使算法失去鲁棒性，经过研究，产生了鲁棒自适应控制，扩宽了自适应系统的应用条件，从一定程度上提[16]高了自适应控制的智能水平。随着微电子技术，计算机技术的发展及应用，出现了以微处理器为核心的智能控制系统，国内外包装机械的智能化水平也得到了大幅度提升。随着科学技术的发展进步，各种包装产品相继出现，对包装机械性能提出了新的要求，包装机械产品竞争日趋激烈，自动化程度高、功能多、智能化水平高、[17]效率高、消耗低的包装机械越来越受到包装企业的青睐。包装机械行业发展潜力巨大，21世纪工业机器人、图像传感技术等新技术和新材料将如雨后春笋般中广泛的应用于新型包装机械，因此，包装机械研制企业必须积极引入和学习新技术，加大研发力度，研制生产可靠性好、功能齐全、自动化程度高、效率高的包装机械，引领包装机械向集成化、智能化、高效化方向发展。从包装行业的市场需求及发展来看，我国包装机械技术相对落后，设备陈旧等因素制约着企业的发展，我国包装机械研制企业必须不断创新才能摆脱现状，随着市场对包装机械质量要求的逐渐提高，相关技术走向高端是发展的必然趋势[18]，我国包装行业必须接轨世界市场，与包装机械技术较为领先的国家及企业进行市场竞争。目前我国多数企业的包装机械关键技术水平不够先进，难以制造出先进的设备，不能满足市场需求。与发达国家相比，我国包装机械产品质量差距主要表现在智能控制技术和产品可靠性方面。虽然如PLC，FPGA等智能芯片及仪器拥有极高的智能控制能力，但如何将这些智能芯片的强大功能高效地利用于包装机械的智能控制系统设计已成为当前研究人员亟需解决的问题。1.3.3状态机应用于包装机械智能控制技术的可行性分析本文研究将智能仪器控制技术中的状态机技术应用于包装机械智能控制领域，最终推动包装机械智能控制技术发展，以满足国内外市场需求。有限状态机的状态转移原理最大的特点是适合处理多任务系统，机器运行时易于实现各机构的同时工作，并且互不干扰。状态图经常用于控制程序的开发，刻画了系统在运行过程中可能经历的各状态、状态间可能的转换及转换条件，从而得到程序的运行全过程，通常一个状态只对应一个子程序。其主控程序用来表示满足状态转移条件的各子程序的运行过程。状态机的状态转移图可以表示多任4 务之间的关系，是多任务系统的静态结构和动态结构都清晰可见，同时也为多任务系统的调试与维护提供很大方便。状态机原理在游戏AI设计及在智能仪器控制设计的成功应用成果表明，应用有限状态机原理可以设计出包装机械智能控制系统，建立智能机器控制模型。其多任务的模型更能满足全自动编织袋套袋机复杂的动作工艺和较好的动作协调性的要求。1.4本文的主要研究工作本文主要的研究工作如下：1）通过对有限状态机的状态转移原理进行数学分析，并与控制程序的状态转移方式进行对比研究，将有限状态机的基本规则应用于PLC程序的状态转移过程中。建立起基于有限状态机原理的一种启发式控制程序模型，明确其状态转移规则；2）说明全自动编织袋套袋机拟实现功能及参数要求，根据机械设计进行电气控制系统设计，在“全自动编织袋套袋机研发项目”的控制程序设计中应用基于有限状态机原理的控制程序模型；最后将该项目的控制程序进行相应的结构化模块化设计；3）首先对全自动编织袋套袋机实际运行状况进行在线测试，对测试结果进行分析，然后将“全自动编织袋套袋机”与“高速纸袋塞缝机”的实际运行状况进行对比说明基于有限状态机原理设计的控制程序的先进性。5 第2章有限状态机原理2.1有限状态机有限状态机(FiniteStateMachine，简称FSM)又称有限状态自动机，简称状态机或自动机，它是一种具有有限个状态的概念机，是用来表示基于状态的系统结构中，状态间转移的数学模型。状态机由多个状态组成，各状态间通过代表转移的有向链接在一起。其中，状态是指对象执行的某活动。转移是指由事件触发状态切换，执行特定的操作或评估后导致特定的结束状态。当某状态满足指定转移条件时，此状态中的对象将执行某些操作后进入下一个状态，即发生了转移。发生转移前的状态作为源状态，发生转移后的状态作为目标状态。[19]状态图用于显示状态机指定对象所在的状态序列，使对象拥有状态机的特征。状态机主要作用是对动态行为进行建模，一个转移可能有多个源状态，此时状态图呈现为多个并行状态向单个状态转移的结合点；一个转移也可能有多个目标状态，此时状态图呈现为单个状态到多个并行状态的叉形图。2.2有限状态机的数学模型有限状态机的物理结构主要由存储带、读头、有限状态控制器组成。存储带：带被划分为多个单元，从最左端开始每个单元储存一个输入字符，形成输入字符串，右端可以无限扩充。读头：初始时，读头指向储存带的最左单元，进行读取操作时每读取一个字符读头自动右移一个单元。有限状态控制器(Finitestatecontroller，简称FSC)：FSC能同时控制很多个状态及其转换，当读头与带上字符发生耦合时，就可以通过FSC读出此时带上读头指向单元的字符。有限状态机的一个动作流程为：①读头读出带上单元的字符；②根据系统状态和已读出的字符，FSC更新有限状态机的状态；③读头右移一个单元。有限状态机本质上应用广泛的数学模型，主要有以下几个方面的特点：6 (1)系统含有有限个状态，各状态分别有不同功能，根据实际情况，模型可以在指定状态下实现相应功能；(2)输入字符串中的全部字符可以合并为一个字母表，所有系统需要操作的字符串都对应在这个字母表上；(3)在某一状态下，系统先从输入字母表中读取一个字符串，然后FSC根据当前状态和读取到的字符串转移到新状态。有限状态机的物理模型如图2.1所示。图2.1有限状态机机的物理模型有限状态机的形式定义是一个五元组。M=(Q,Σ,δ,q,F)(2.1)0在式2.1中，Q：状态的非空有限集合，q∈Q称为有限状态机的一个状态；Σ：输入字母表，输入字符串均是Σ上的字符串；q：有限状态机的初始状态，或叫开始状态；0F：终止状态的集合，q∈F称为状态机终止状态，或接受状态。δ：状态转移函数，其表示为：δ：Q×Σ→Q(2.2)对∀(q,a)∈Q×Σ,δ(q,a)=p表示：状态机在状态q读入字符a，转向状态p,读头[20]右移一个单元，指向输入字符串的下个字符。有限状态机是为探索有限个状态及其计算过程和特殊语言类而概括的一种数[21]学模型，一般由下几个部分组成：一个描述系统所含有的全部状态的有限状态集；一个描述系统所接收到的全部输入信息的输入集；一个描述系统在接收到不同输入信息时按照一定的规则从某一状态转移到另一个状态的状态转移规则集。即包含以下数学关系：有限输入集合I={x0,x1,x2xn};有限状态集合P={P0,P1,P2Pn}，其中P0为初始状态;状态转移函数：P(n+1)=Pn×xn。控制程序的典型结构对应于计算机控制程序,可能按规定顺序执行操作,也可能根据外部实时响应的操作者的命令、输入信号、传感器的状态以及内部程序执[22]行的不同结果转移到对应的功能程序去执行操作。7 有限状态机是一种可以根据外部输入信息的不同执行指定行为的概念性机器。实际执行的行为既可取决于输入量，也可取决于输入信息的相对处理次序。状态机通过跟踪一个收到事件后进行更新的内部状态，实时响应外部输入信息。实际执行的操作可由外部输入信息和状态机内部状态决定，执行操作后会更新状态机的当前状态，因此，一切逻辑模型都能建模成输入信息与状态的组合。[23]状态机一般总结为现态、条件、动作、次态四个要素。现态：指系统当前状态；条件：当满足条件时，会执行操作或状态迁移；动作：动作并非必需的，条件满足后，可以不执行动作，直接进行状态迁移；次态：是指现态转移条件满足后迁往的新状态。次态实际上是下一个现态。状态机含两种特殊状态，即系统的初始状态与最终状态。系统的初始状态只有一个，是指系统最开始默认的那个状态；系统的最终状态可以有一个或多个，也可以没有，是指系统完成所有状态转移后到达的状态。状态是与转换相关联的，每个转换都有对应的输入事件，当对应的事件发生时，当前状态将根据相关转换[24]转移到新的状态。按照输入输出间的关系可以将有限状态机分为两类：若输出只与状态有关而与输入无关，称为Moore状态机；若输出不仅与状态有关而且与输入有关，称为[25]Mealy状态机，也称为经典状态机。经典状态机原理如图2.2所示。图2.2经典状态机原理图图2.2中，x(t)为当前输入，z(t)为当前输出，状态寄存器输出s(t)为现态，组合逻辑电路输出s(t+1)为次态，clear为状态清除信号，clk为外部时钟信号。现态s(t)在当前输入x(t)条件下进行逻辑组合得到次态s(t+1)，存储于状态寄存器中，也是当前输出，即z(t)=s(t+1)=s(t)×x(t)。当再次接受到当前输入信号x(t+1)时，下一运行周期开始，s(t+1)成为现态。2.3本章小结本章分析了状态机的模型。状态机理论是算法描述与分析、可计算性、计算8 复杂性等理论研究的基础，可用于培养程序员的建模思维能力，实现计算机程序的自动化。然后从计算机物理模型的角度分析了状态机的数学逻辑关系，定义了组成状态机的四个要素及各要素之间的关系。9 第3章基于状态机模型的PLC状态转移图研究3.1有限状态机与正则表达式[26]正则表达式语言可以利用包含两种符号的字母表建立：φε，(,)，∗与+1：一组在正则表达式中具有特殊意义特殊符号，如，∪，。2：字母表ε中包含了正则表达式要匹配的各符号。[27]Kleene定理：任何可以用正则表达式定义的语言都可以被某个有限状态机接受。任何可以被某个有限状态机接受的语言都可以用正则表达式定义。因此可以用有限状态机(FSM)来定义模式。从FSM建立正则表达式，算法思路如下：把整个正则表达式作为卷标。这个算法的目标是由输入FSM的原正则表达式M构造新一个输出机M′,使M和M′等价，而M′只有两个状态，只有一个转变的接受状态，即从开始状态到接受状态的转变，该转变的卷标就是所要得到的正则表达式，可以让原机M从开始状态转入新的接受状态。对于任意FSM的M，建立M′时要先从M开始，然后逐个删除开始状态到接受状态间的全部状态。删除状态时，需要修改其余转变，并使M′从开始状态向结束状态转变时的字符串集不变。只要第4步能正确执行，下列算法就可以生成定义L(M)的正则表达式fsmtoregexheuristic(M:FSM)通过以下方法获得：①从M删除无法从开始状态到达的任何状态。如果φ。M没有接受状态，停止转变，返回简单的正则表达式如果M的开始状态来自某个转变并且在循环中，则生成新开始状态s，然后通过ε转变将s与M′的开始状态连接，此时的新开始状态不来自于任何转变。如果M有多个接受状态或者虽然只有一个，但其后面还接有转变，则生成新接受状态，通过ε转变将其与M′的每个接受状态连接。将接受状态集中旧的接受状态删除，此时新的接受状态后没有转变。②此如果M只有一个状态，则这个状态既是开始状态同时也是接受状态，M没有转变，因此L(M)={}ε，停止转变，返回简单正则表达式ε。③一直计算到只剩下开始状态和接受状态为止：首先从rip；任意选择除开始状态和接受状态之外的其它任何M删除某个状态10 状态进行操作。然后从ripM中删除；最后修改其余状态的转变，使M接受相同的字符串。改写转变的卷标可以是任何正则表达式。④返回开始状态和接受状态间的转变后余下的卷标作为正则表达式。例从FSM的状态转移模型建立正则表达式，设模型M如图3.1所示。图3.1初始状态转移模型M图3.2简化状态4的模型图3.3简化状态3的模型由图3.3可得最简状态机与状态机中的正则表达式。有限状态机的数学模型及其简化过程有着很重要的意义，为控制程序应用有限状态机原理提供了理论依据，后文中将应用上述理论对控制程序进行分析，并将控制程序进行模块化处理。3.2控制程序应用有限状态机原理进行状态转移逻辑运算复杂的控制程序结构都是由大量的基础结构组合而成，基础结构包括顺序结[28]构、循环结构和分支结构，如图3.4所示。11 图3.4控制程序基础结构将图3.4控制程序基础结构中的各功能模块视为状态机的不同状态P,控制程序根据外部实时响应的操作者的命令、输入信号、传感器的状态以及内部程序执行的不同结果转移到对应的功能程序去执行操作，这几类信号可以视为状态机的输入I，P和I都是有限并且可知的，程序的执行过程是程序在不同状态之间的转移，因此控制程序实际上有有限状态机的特征，可以利用为有限状态机数学模型进行分析，如图3.5所示。图3.5控制程序基础结构的状态机数学模型其中(a)顺序结构，P1=P0×x1，P2=P1×x2，P3=P2×x3，Pn=P()n−1×xn；所以Pn=P0×x1×x2×x3xn(3.1)由计算结果得知，顺序结构中，最终状态取决于初始状态及各状态之间的转移条件。(b)是分支结构，P1=P0×x1，P2=P1×x2，P3=P2×x3，P3a=P2×x3，Pna=P()n−1a×xna，P3b=P2×x3，Pnb=P()n−1b×xnb；12 于是Pna=P0×x1×x2×x3xna，(3.2)Pnb=P0×x1×x2×x3xnb；(3.3)由计算结果得知，分支结构中，最终状态取决于初始状态及各分支状态之间的转移条件。′(c)是循环结构，P1=P0×x1=P(n-1)×[]x(n-1)，P2=P1×x2，P3=P2×x3，P(n-1)=P()n-2×x(n-1)，Pn=P()n-1×xn；于是Pn=P0×x1×x2x(n−1)×xnP(n−1)=P0×x1×x2x(n−1)(3.4)[]′P1P1=P(n−1)×x(n−1)P(n−1)=[]′(3.5)x(n−1)P1P0×x1×xnPn=′×xn=′(3.6)[]x(n−1)[]x(n−1)由计算结果得知，循环结构中，退出循环的状态只与进入循环时的状态和返回循环的状态转移条件有关，无论循环多少次，只要不改变循环返还条件，最终状态都不改变。综上所述，最终状态Pn是初始状态P0在状态转移条件下进行逻辑运算的结果，均可用含有初始状态P0及转移条件的方程式表示。3.3利用有限状态机原理简化状态转移图的方法对于复杂的状态机，可以将其进行分级处理，简化状态转移图。如图3.6。13 图3.6控制程序状态转移图的简化对图3.6中(d)所示状态转移图，进行状态机逻辑运算分析：对于A区域，设有限输入集合为I:I={x4a,x5ax(m−1)a};有限状态集合为P:P={P3a,P4a,P5aP(m-1)a};P3a为初始状态，状态转移函数为：Pm×xm=P(m+1)(3.7)则此区域构成一个简单的状态机，定义为PA。PA=P(m−1)a=P3a×x4a×x5ax(m−1)a(3.8)对于B区域，设有限输入集合为I:I={x4b,x5bx(n−1)b};有限状态集合为P:P={P3b,P4b,P5bP(n-1)b};P3b为初始状态状态转移函数为：Pn×xn=P(n+1)(3.9)则此区域构成一个简单的状态机，定义为PB。P3b×xnbPB=P(n−1)b=′(3.10)[]x(n−1)b将A区域与B区域直接用PA，PB代替，其中PA=P(m−1)a=P3a×x4a×x5ax(m−1)a(3.11)14 P3b×xnbPB=P(n−1)b=′(3.12)[]x(n−1)b由此得到此状态机的最简二分支结构，如图3.6中(e)所示。运用上述理论，可对比较复杂的状态机进行分级，将其简化，子状态机视为复杂状态机的一个状态。在子状态机中，各状态间的转移独立运算，不影响上级状态机的运行，同级别的状态机运算优先级相同，将这种状态机称为多级状态机[29]。实际应用时，可赋予子状态机唯一二进制编码，存放于独立内存单元中，需要时进行调用。将状态机的数学模型应用于机器设备的自动化控制系统，机器设备的不同状态P对应状态集，P0为初始状态；操作者的命令与传感器的输入信号x对应输入集，状态间的转移路线对应状态转移规则，机械控制程序即可应用有限状态机进行设计。3.4本章小结本章阐述了从FSM建立正则表达式的方法，举例进行叙述，证明了克林(Kleene)定理，FSM的简化过程正是状态转移并删减中间状态的过程。将PLC控制程序的状态转移过程与有限状态机的状态转移过程进行对比研究，发现只要不违反FSM状态转移的规则，控制程序的状态转移过程可以仿照FSM的状态转移过程，PLC控制程序的状态转移也可以进行简化，简化后的结果与FSM的简化正则表达式相类似，从而将FSM的状态转移原理应用于智能PLC控制程序状态转移程序设计，需要注意的是，必须建立与FSM状态转移规则相对应的PLC控制程序状态转移规则。15 第4章编织袋套袋机的功能及硬件设计4.1全自动编织袋套袋机4.1.1全自动编织袋套袋机设计的背景2013年,项目组研发了高速纸袋塞缝机，主要功能是将内膜袋套入成品纸袋[30]，经过三年的市场推广与实际应用，该套袋机技术已经成熟，运行十分稳定，已经成为量产机器，得到很多包装公司的引进与青睐，发展至今我国大多数化工企业均采用纸袋进行包装。但由于纸袋生产成本高，承受重物能力不好，易受潮等缺陷，相对比，编织袋则制造成本低很多，适用环境广泛，随着传统制造业利润不断减少，越来越多企业迫切期望降低生产成本，以保持盈利，谋求在激烈的市场竞争中获得优势。这些企业期望采用编织袋代替纸袋进行包装，但是因编织袋柔软，切口丝线不容易处理，丝线间有间隙，机械动作协调性要求高，加工工艺复杂等因素，导致编织袋套袋机的机械系统和控制系统均难以研发，尤其是智能水平要求较高的控制系统难以研发，国内包装机械与国外相比差距主要表现在控制技术方面，导致机器即使研发出来，生产速度，自动化程度以及机械的稳定性都难以保证。为了解决以上问题，本课题设计出基于状态机原理的全自动编织袋套袋机控制系统。实际运行情况表明，全自动编织袋套袋机不仅可以实现预先设定的功能，而且其基于有限状态机原理设计的控制程序自动化程度高，运行稳定，机械动作协调，拥有全套故障自动检测、报警及自动暂停功能，减轻了操作人员的劳动强度，提高了生产效率，其生产速度更是达到了国内外领先水平。全自动编织袋套袋机相对于高速纸袋塞缝机有如下优点：1.“三工位”动作模型。在高速纸袋套袋机的“双工位”创新设计的基础上，建立了“三工位”协调工作的动作工艺模型。三个活动工位每个工位各有一个袋子处于套袋不同阶段，且三个活动工位各自动作，互不干扰，实现了同时生产三个袋子的策略，与双工位套袋模式相比，生产速度更快，但每增加一个活动工位，机械的动作工艺会复杂一倍，运转精度也要求更高，使机械动作协调性要求极高。基于有限状态机原理的编制袋套袋机模块化控制系统设计，实现了不同工位间的互不干扰及其他机械部分同时协同工作，全自动编制袋套袋机生产速率也达到了20件/min，完全满足公司及市场的需求。16 2.自动化程度更高。继承了高速纸袋套袋机由触摸屏、PLC、传感器、伺服电机变频器等组成的电气控制系统，可对机械实现精准控制，触摸屏对整个机械系统进行实时监控，通过触摸屏对系统运行参数进行预先设定与在线修改。在此基础上，由于控制系统应用有限状态机原理进行设计，机器不仅拥有故障自动检测及报警功能，更添加了故障自动暂停功能，当系统出现故障可能对机械或操作人员造成伤害时，系统自动暂停并报警，当人工处理完故障后可实现继续运行，相当于机器有问题以后它自己会发出警报申请处理，这极大程度降低了操作人员劳动负担，一个操作人员可以同时操作几台机器，无需担心机器因小故障未及时发现而引起大事故。3.生产精度更高。PLC对伺服电机的位置控制采用速度控制模式，在电机接近满负载运行时，拥有更好的启停加减速效果，对于需要高速往返运动的伺服电机，不仅有一定保护作用，更能提高伺服电机的位置精准度，实际运行结果表明，伺服电机接近满速满载通过同步带带动机械运行，加减速运行700mm，机械最高线速度接近1.3m/s时，实际误差不超过正负2mm。高速纸袋塞缝机主要功能是将内膜切成指定长度袋套入纸袋，并进行缝纫，其纸袋本身都是指定长度的合格品。纸袋套入内膜袋功能示意图如图4.1所示：图4.1高速纸袋套袋机套袋功能示意图全自动编织袋套袋机设计的功能是将成卷的编织袋与成卷的内膜袋分别切成指定长度，将内膜袋套入编织袋。全自动编织袋套袋机套袋功能示意如图4.2所示，其中左图为成卷编织袋，中图为成卷内膜袋，右图为套袋成品。4.1.2全自动编织袋套袋机的功能及参数设计17 图4.2全自动编织袋套袋机套袋功能示意图全自动编织袋实现套袋功能需要按以下顺序及要求完成套袋动作：①将成卷的编织袋切成指定长度(该长度可由操作人员通过触摸屏进行设定)，切成段的外袋口要齐整，不允许出现粘连或者脱丝现象，外袋长度误差需保证在正负3mm以内；②将切断的外袋运输到指定位置，不允许出现倾斜及起皱现象，运送位置误差需保证在正负3mm以内；③三个活动工位各携带一个袋子，在伺服电机的带动下，运行700mm，正负误差需要保证在正负3mm以内，由于电机承受的负载大，运动速度快，需要保证伺服电机有合适的加减速，电机移动过程中，三个工位动作互不干扰，各自动作；④切断的外袋用上下两组真空吸盘吸住，上面一组组气缸一起收回，使外袋打开。编织袋属于丝织品，丝线间容易漏气，需要多次测试，设定一个合理的真空负压值，当负压高于设定值时，判定袋口吸开成功，负压低于设定值时，判定袋口吸开失败；⑤将成卷的内袋切成指定长度(该长度可由操作人员通过触摸屏进行设定)，内膜袋长度误差保证在正负5mm以内，内膜袋一端需要熔接。熔接后的袋边如图4.4所示；图4.3内膜袋一端熔口图⑥外袋口吸开成功，则用伺服电机将内袋拉入外袋内，该位置可由触摸屏设定，内袋在外袋内的位置误差保证在正负5mm以内，若外袋口吸开失败，则重新吸袋，直到吸开为止。18 ⑦套内袋成功的双层袋在普通电机的运输下送到指定位置，先用包边器将袋口卷两道边将切口卷入袋内，以增加袋子的承重能力，然后用缝纫机进行袋口缝纫，缝纫完成后将多余的缝纫丝切断。缝纫完的袋边如图4.4所示图4.4编织袋一端缝纫图对比全自动编织袋套袋机与高速纸袋塞缝机实现的功能及编织袋本身的柔软性等特征，可以知道全自动编织袋套袋机需要更为复杂的设计才能满足要求，经过实际测量，全自动编织袋套袋机是一个长9约米宽7约米的大型机器，并且其中有些机械部分需要设计为可单独工作的机构，比如制内袋机构脱离机器整体独立制造熔口内袋的功能。根据机器的不同功能将整个机器分为以下8个部分：制外袋机构、切外袋工位、送外袋机构、套内袋工位、拉内袋机构、备内袋工位、制内袋机构、缝袋口工位。1)制外袋机构控制设计：外袋的纵向偏移误差不可超过正负5mm，为此设计出自动纠偏机构，以两个光电传感器作为纠偏判定工具，当外袋处于两个光电传感器中间时，判定外袋纵向位置偏差合适，当外袋不处于两个光电传感器中间时，自动触发电机运转，推动外袋纵向移动，直到外袋处于两光电传感器中间位置时停止。供给外袋时需保证随时有规定长度外袋松弛程度合适，处于准备加工状态，为此设计出自动备袋机构，以一个传感器作为判定工具，当外袋低于此传感器位置时，判定外袋松弛合适，当外袋高于此传感器位置时，判定外袋拉得太紧或备袋处袋子长度不足，自动触发电机运转，输送一定长度袋子，直到外袋高度低于传感器位置时停止。当自动备袋机构中的电机运转，输送袋子时，外袋卷不可因惯性过度运转，为此设计一个制动机构，以一个磁粉制动器增加外袋滚筒上的阻力。自动纠偏机构和自动备袋机构由光电传感器自动触发，无需人工操作，无需PLC编程控制，因此，整个外袋供给机构与运转控制系统完全独立。2)切外袋机构控制设计：切外袋机构需要将成卷的编织袋切成规定长度，长19 度误差在正负3mm以内，为此设计伺服驱动输送机构，选择较高运动精度的同步带传动方式，采用位置精度较高的伺服电机速度控制指令，并且保证电机有良好的加减速运动。切成段的外袋口要齐整，不允许出现粘连或者脱丝现象。由于编织袋是由塑料丝编织而成，一般的刀片切割虽然可以保证切口的平整，但塑料丝必然会断，编织袋两端必然会有脱丝现象，无法适应企业需求，这也是编织袋套袋机难以设计的一大瓶颈。为此设计特殊的切刀机构，采用电热丝切割，切断的同时，利用电热丝的高温瞬间将塑料丝熔合，确保塑料丝不会出现脱丝现象，然而，这样切割极有可能造成上下袋口熔合在一起，为此设计搓袋机构，电热丝切断后在上下袋口熔合之前搓开袋口，时间必须精确到0.1秒。切外袋机构需要保证伺服电机的高精度运动，同时要保证切刀及搓滚等机构的及时动作，必须使用PLC控制系统进行精确控制。3)备外袋工位控制设计：备外袋机构需要保证切好的袋子准确送到指定位置，位置误差保证在正负4mm以内，当生产速度很快时，运输过程中的外袋可能打滑或者因为空气阻力偏移，为此必须设计与输送带线速度完全同步的压外袋机构，为此设计一个伺服电机带动的压袋机构，实际运动距离速度，加减速起始点及时间长短要求完全一致，在控制上是一大难点，为此采用特殊的PLC控制方式。4)套袋工位控制设计：套袋工位是整个机器系统的核心，机械结构复杂，动作灵敏度要求高，定位精度要求高，对于控制程序要求极其严格，控制程序稍差，机械运动稍微有些迟钝或者误差都会导致机构之间互相撞击，一般的程序即使能达到正常工作要求也会因为程序缺乏高效性而导致工作速度慢，无法在激烈的市场竞争中获得优势地位，为此必须设计基于状态机的PLC控制程序。将内袋拉入外袋完成套袋动作如图4.5所示。图4.5将内袋拉入外袋机械动作图20 5)制内袋机构控制设计：使用伺服控制机构将成卷的内袋切成指定长度，拉入外袋的一端需要融合，另一端要求齐整。为此设计特殊切割机构，需要两把切刀，两把刀挨在一起，其中一把刀用来将其切断，没有特殊要求，一般的刀刃即可，另一把刀则用来熔袋口，不切断。供给内袋时需保证随时有规定长度内袋松弛程度合适，处于准备加工状态，为此设计出自动备袋机构，以一个传感器作为判定工具，当内袋低于此传感器位置时，判定内袋松弛合适，当内袋高于此传感器位置时，判定内袋拉得太紧或备袋处袋子长度不足，自动触发电机运转，输送一定长度袋子，直到外袋高度低于传感器位置时停止。6)备内袋工位控制设计：切内袋工位加工好的内袋运输到备内袋工位，用气缸压紧，防止位置偏移，控制上的难点在于将气缸动作的时间排除在整体运行时间之外。备内袋工位如图4.6所示。图4.6备内袋工位图7)拉内袋机构控制设计：为了保证电机高速运动，且能精确定位到正负3mm，必须使用伺服电机，传动方式选择同步带传动，除此之外至少需要两个电磁传感器，8)缝袋口工位控制设计：外袋需要卷成约10mm宽度的底边，切口不可裸露在外，为此需特制卷边器一个，选择标准工业缝纫机一台，缝纫机电机一台，离合器一台，光电传感器2个，气缸控制的切刀一组，正常运行时缝纫电机持续转动，用离合器带动缝纫机，需要用PLC控制离合器的开合，外袋经过时，光电传感器亮，控制离合器合，带动缝纫机缝边，另一光电传感器检测到外袋缝纫完成时，根据需求的缝纫线长度择时切断缝纫线。21 4.2全自动编织袋套袋机控制系统硬件设计4.2.1全自动编织袋套袋机控制系统硬件选型根据机械工作系统要求，主要需要的电子元件包括：PLC、伺服电机及驱动器、接近传感器、光电传感器、真空压力传感器。伺服电机及驱动器需要6套，最终确定用两台标准PLC采用主从控制方式协调工作满足设计要求。1)PLC：在工业控制方面，PLC是一种应用广泛的专用计算机，拥有计算机基[31]本硬件结构,由CPU、ROM、RAM及专用的输入输出接口、电路等组成。PLC以基于数字逻辑运算的新控制装置取代了传统的继电器控制系统，使硬件系统实现软[32]件化,更加适应现代化的工业环境。PLC用可编程的逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作指令，有序地控制机械运行，有效提升了机器的灵活性与[33]可靠性。PLC及其相关设备在工业控制中都应当按照易于实现机械功能、易于功[34]能扩展的标准进行设计。如今PLC不仅完全具备了逻辑控制、顺序控制等基本功能的应用范围，更具备了数模转换、模数转换、PID控制、高级语言编程、远程通讯等功能。尤其配合先进的柔性制造单元(FMC)与柔性制造系统(FMS),更显示了[35]PLC在实现逻辑控制方面的优势。台达PLC不仅具有一般PLC的基础功能，还具有通信、人机对话、功率驱动、自检及记录等功能。既能控制一台机械实现生产，又能控制整个生产过程。此外，台达PLC还有价格便宜、稳定可靠、抗干扰能力强、功能齐全等优点，有效提升了包装机械的盈利能力，具有较高的市场应用价值。全自动编织袋套袋机的可编程序控制器选择台达DVP-80EH00R3型，作为DVP-E系列最高级主机，程序及数据寄存器容量更大，并且拥有输入输出点各40个，其中4个200kHz高速脉冲输出点，内置1个RS232口、1个RS485口，可扩展COM口，均支持MODBUS主/从站模式，适合各种复杂的应用场合。2)伺服电机及伺服驱动器：伺服电机是一种融合了新材料、电机、电子计算机、自动控制等多种现代高新技术的高科技产品，是现代兵器装备、工业及办公自动化等领域必不可少的重要设备。伺服电机与一般的变频调速电机相比，除了能实现基本的调速功能外，还能实现位置、速度、加速度、转矩等高要求的精确[36]控制与监测。另外，伺服电机的动态特性也远高于一般的变频调速电机。根据驱动方式的不同可以将伺服电机分为交流伺服电机和直流伺服电机两种，台达伺服电机属于交流伺服电机，相比于直流伺服电机，主要有以下优势：1.无电刷和换向器，因而工作更加可靠，对维护和保养的要求更低；2.定子绕组22 散热较好；3.转动惯量小，因而拥有更好的快速反应能力；4.对高速及大力矩的[37]工作环境适应力更强；5.同功率下体积和重量较小。全自动编织袋套袋机的伺服电机及驱动器选择台达ASD-B2系列，具体型号根据负载要求的不同进行选择。台达系列伺服电机及驱动器与其他品牌伺服相比较，优点是在负载惯量变化较大的情况下,阻尼刚性优良，低速转动特性优良，对命令与干扰有不同的补偿控制系统，完全可以保证运转稳定性，但缺点是控制参数需要通过复杂的数学计算得到,使用者无法自行调整。3)真空压力传感器：真空压力传感器最主要的传感元件是一个对气压的强弱反应敏感的薄膜和一个顶针控制，电路板上有一个柔性电阻器，当被测气体的压力降低或升高时，该电阻器的阻值将会改变，电阻值经过A/D转换并显示于电子压力表上，全自动编织袋套袋机套袋时必须将袋口吸开，但由于编织袋丝线间的间隙不同，则漏气情况不同，真空压力传感器检测到的压力也会不同，所以必须使用能根据检测值不同发出控制信号的高精度压力传感器。4)光电传感器：也称为光电接近开关，根据被检测物对光束的遮挡情况或检测物体反射光线判定被检测物的有或无。所有能反射光线的物体都可以被检测到，透明的物体则检测效果不明显。在全自动编织袋套袋机中，光电传感器主要用来检测各个工位编织袋的有无，但无法确定编织袋位置的精确度。5)接近传感器：接近传感器是一种用来代替限位开关等接触式检测方式的传感器，无需与被检对象接触就能对物体进行检测。将检测对象的移动和存在信息转换为电信号，以金属检测对象在电磁感应作用下产生的涡电流或被测物体的接近引起电容量的变化对物体进行检测。接近传感器主要有以下优点：1.以非接触方式进行检测，不会磨损和损伤检测对象物；2.与光检测方式相比，在水和油等环境下使用时，几乎不污渍和油、水等的影响；3.与接触式开关相比，实现了高速响应，适用于对精度要求更高的场合。在全自动编织袋套袋机中，接近传感器用于检测伺服电机带动的机械是否运动到位。4.2.2全自动编织袋套袋机电气控制系统设计电气控制系统设计包含电气原理图设计与电气工艺设计两部分。电气原理图设计是为了满足机械生产及工艺要求而进行的电气设计；电气工艺设计是为了满足电气控制器件本身的制造、运行、使用及维修要求进行的生产工艺设计。电气控制系统设计的核心是电气原理图的设计。电气工艺设计决定了电气控制设备使[38]用可行性，对电气原理图的性能目标及经济技术指标的实现有直接影响。工业产品的生产过程是把原始材料加工成为成品的全部生产环节的总和。任23 何自动化的生产过程，机械功能的实现都必须依靠电气控制系统的正常运行才能实现。相反，电气控制系统非正常运行将会造成事故甚至重大损失。只有严谨而正确的设计才能保证电气控制系统的正常运行，总体方案的设计和主要设备的选[39]择都要求正确、可靠、无安全隐患。电气原理图如图4.7及图4.8所示。图4.7全自动编织袋套袋机电气原理图124 图4.8全自动编织袋套袋机电气原理图2其中尤其应该注意的是威纶通触摸屏的接线方式，其接线方式必须依照触摸屏组态软件的设置进行接线，必要时需要使用RS485/RS232线口转换器。每个PLC有RS232和RS485通讯口各一个，一个通信口与PC机进行通讯，另外一个口与触摸屏进行通讯，则可保证触摸屏与PC机可同时使用，方便调试。4.3全自动编织袋套袋机人机界面及组态设计4.3.1人机界面及组态软件概述人机界面（humanmachineinterface简称HMI），泛指使用者与计算机进行[40]信息交流的所有设备。在工业控制领域，HMI特指使用者与控制系统进行信息交25 流的专用设备，即人与被控设备对话的窗口，人可以通过这个窗口下达控制指令，也可以通过这个窗口观测被控系统的运行状态。人机界面把控制过程变得清楚与透明。为了便于实现操作人员与计算机控制系统间的数据交流，一般要求控制系统具有较理想的人机界面交互功能。HMI作为工业控制系统最核心的部件之一，通过与PLC的紧密结合，可以将PLC的内部I/O状态甚至是各种系统数据信息以最直观的方法反馈给操作者，将操作人员发出的命令和设置的参数导入PLC。传统的为人机界面提供信息的按钮、开关和指示灯等装置信息量少且操作困难，数码管[41]与拨码开关又会占用大量的I/O资源，人机界面的出现彻底改变了这一现状，它具有集成化，操作简单，功能齐全等特点，对工业自动化的发展有着重要意义。人机界面可以承担主要任务有：1.过程可视化。将PLC采集的现场数据动态有序地显示于人机界面上。2.过程控制。操作员可用更集成与清晰易懂的图形界面进行过程控制，如利用触摸屏上设计的输入域输入或修改系统参数，又如用触摸屏上指定的虚拟按钮控制电机等。3.显示报警。过程中的故障会自动触发报警并使指定的故障显示灯亮。4.记录功能。按时间顺序记录报警信息和过程值，用户可以根据需要检索以前的生产数据或报警信息。5.输出过程值和报警记录。如可以在轮班结束时拷贝实际生产数量表，以记录个人生产产量。6.过程和设备的参数管理。过程和设备的参数可以进行复制，当某个人机界面成熟后，需要进行批量生产时，不用重新设计人机界面，全部复制拷贝即可。使用人机界面前，必须完成PC机、PLC、机器三者的通信问题和画面设计问题。组态软件功能强大，并且使用方便，很好地帮助使设计人员解决了这两个问题。PLC数字量的数值和开关量的状态以文字或图形动态地显示于人机界面，方便操作人员将数字量的设定值和开关量的命令传送给PLC。组态软件：组态软件是工控领域用于过程控制与数据处理的专用软件，以灵活多样的组态方式代替编程方式给用户提供开发界面及其设计方法，其自带的各种软件模块帮助设计者更高效地实现监控层功能设计，并且支持各种品牌的输入输出设备，与性能好的工控计算机网络系统结合后，能向用户提供多种软、硬件[42]接口，进行系统集成。组态软件最显著的特点是可以更精炼地实现工业控制的实时多任务。数据的输入输出、数据的处理、显示、存储及管理等多个任务需要在同一个系统中同步快速地运行。组态软件的用户是指工控系统的设计者，目的就是方便设计者更快26 速、高效地开发出符合工控环境的应用系统。4.3.2全自动编织袋套袋机触摸屏控制界面设计设计触摸屏控制界面时首先需要考虑的是用户界面如何设计，其中以开机的起始界面（或主界面）最为重要。用户界面是项目的中央组件，可以用来将系统、机械设备或过程创建先决条件。实际应用时可以在用户界面上创建许多带有显示元素和控件的画面，各画面之间可以进切换。现场的操作人员通过操作单元的控[43]件（一般是用按钮）来切换选择控制画面。触摸屏控制界面切换图如图4.9所示。图4.9触摸屏控制界面切换图全自动编织袋套袋机的触摸屏控制界面设计不仅需要符合触摸屏控制界面设计的一般规则，更需要将复杂的界面结构按照条理划分清楚，使界面结构清晰易懂，方便操作人员使用。全自动编织袋套袋机的控制界面结构图如图4.10所示。图4.10全自动编织袋套袋机的控制界面结构图全自动套袋机的起始界面（开机界面）主要功能是设置需要生产数量，设置完成后开始运行，界面上会显示当前已生产数量，当操作人员设置的生产数量达到时，全自动编织袋套袋机会将机器上残余袋子加工完成后自动停止生产，然后机器运行系统关闭，进入停止状态，等待再次生产命令。预先设置生产数量并完成生产，体现了全自动编织袋套袋机高超的智能控制水平，极大程度减轻了操作27 人员劳动强度，例如当操作人员中午下班吃饭时，不希望机器停止生产，但又不想生产太多的产品，此时便可以应用该功能，让其自行生产。这项功能起效的两个必须因素是：1.机器达到相当高的智能控制水平；2.机器运行非常稳定。两个因素缺一不可，机器目前的情况是机器生产并不是绝对稳定，偶尔会发生异常报警现象，比如柔软的袋子卡入运输的间隙中，此时机器会自动暂停，向操作人员申请清除异常状况后继续运行，如果操作人员此时不在现场，那么机器会持续暂停状态，直到操作人员处理，不会让异常袋子继续生产，造成机器故障等状况。全自动编织袋套袋机触摸屏开机界面如图4.11所示。图4.11全自动编织袋套袋机触摸屏开机界面全自动编织袋套袋机的控制界面结构采用“米”字型结构，米字的正中间是主操作界面，涵盖机器运行时的大部分监控内容，同时可以最快捷的切换至需要使用的界面。全自动编织袋套袋机主操作控界面如图4.12所示。图4.12全自动编织袋套袋机主操作控界面图人机交互界面主界面中，主要有暂停监控区，主控操作区，气压监控区，手动操作区和参数设置区。28 主控操作区：机器正常情况下，操作者只需要按主控操作区的健，机器即可工作，实现了机器的简单操作化；暂停监控区：由于控制程序是基于状态及原理的高自动化程序，并且考虑了所有控制方面的不确定因素，机器运行时出现异常状况均会自动暂停并发出警报申请操作者给予机器命令，所以暂停监控区及其重要，也是该控制系统的一大优点，操作者需要在暂停监控区查看暂停原因，并处理问题，之后操作者可以给机器继续运行命令或停止命令，在此功能的帮助下，机器暂停自动警报，操作者无需随时注意机器动态，一名操作员可以悠闲的同时运行几台此机器，极大减轻了操作者劳动强度，提高了生产效率。气压监控区：为了节约成本，简化机器结构，所有吸盘共用一个气压泵，5组吸盘之间任意一组吸盘的吸放气会导致其他吸盘气压的不稳定，另一方面由于编织袋丝线间的间隙也会会导致漏气，所以如何控制好气压是此机器最大的控制难点，为了让专业人员掌控气压节奏，气压的监控必不可少。参数设置区：高自动化的机器可适用的范围也会增加，很多参数均可人工设定，例如外袋长度参数需参照客户要求在机器允许生产范围内进行设定，此时就可以在参数设置区进行设定，此功能可以让机器加工不同长度的袋子，大幅拓宽了实际适用范围。切袋伺服电机参数设置及抄手手动操作界面1图4.13及图4.14所示。图4.13切袋伺服电机参数设置界面29 图4.14抄手手动操作界面14.4本章小结本章对全自动编织袋套袋机的电气控制系统进行了设计，包括主要电子元件的选型和电气原理图的绘制，分析PLC程序设计的内容和步骤，说明人机界面及组态软件的引入会大幅提高机器的智能控制水平。30 第5章基于有限状态机的编织袋套袋机软件设计智能机器的软件由系统软件和应用软件两部分组成。系统软件是指机器系统程序的管理软件。应用软件是为帮助用户操作使机器完成指定的任务而设计的软件程序。不管哪一类软件，其设计方法都有共同之处，如果采用一种好的设计方法，可使编制程序的工作做到事半功倍的效果；反之，则可能一开始就陷入繁琐[44]的细节，耗费大量的精力，编制出来的程序漏洞百出，无法运行。5.1智能控制的结构化、模式化编程模型软件通常的设计方法是根据程序需要实现的功能设计程序框图，再用高级语言或汇编语言编写程序。对于小规模的程序，这种方法尚可适用，但当程序规模大、结构复杂时，往往不容易设计整个程序框图。即使可以通过分解将大程序簇划分为小的程序模块，并根据实际需求连接它们以达到设计目的，但是在反复的划分连接过程中也很容易出错。模块化编程法则是一种用来表示程序文本及与其[45]对应的过程关系的清晰易懂的编程方法。模块化编程需要按照顺序完成下列几个方面的工作：①由顶向下设计，把整个设计分划分为多个层次，上层程序块逐级调用下层程序块。②结构化编程，尽可能避免无条件转移的使用，采用结构清晰的转移与控制程序。③模块化编程，模块间相对独立，单个模块的正确与否不对其他模块产生影响。自顶向下设计实质上是一种按照真实的系统环境进行直接设计的方法，符合人的逻辑思维及分析习惯，缺点是程序中间的某处错误或修改可能会对后续程序产生明显的影响，某一处的修改可能牵动全局，不利于设计人员进行修改；此外不太便于使用现成软件。因此，自顶向下的程序设计方法，仅适用于规模较小与实时检测及控制较简单的任务。对于功能任务复杂的较大系统及分布式多级多机系统的软件，宜采用模块化或分层模块化的结构。结构化设计的核心是“一个模块只有一个入口，也只有一个出口”。这里模块只有一个入口应理解为一个模块只允许有一个口被其他模块调用，而不是只能被一个模块调用。同样，只有一个出口应理解为不管模块内的结构如何，分支走31 向如何，最终应集中到一个出口退出模块。根据这个原则，凡是具有两个及两个以上不同入口的一个模块，应当重新划分为两个或两个以上的模块；凡是有两个或两个以上出口模块，要么将出口归纳为一个（若程序允许），否则也应重新组成两个或两个以上的模块。图5.1是同一程序两种结构的比较。图5.1同一程序的非结构化和结构化相比较模块化程序设计是把一个长的复杂的系统任务分成若干个模块，以便分别进[46]行独立设计、编程、测试查错工作，最终配置在一起，由主模块控制。由于每个模块再逻辑复杂性上都相对简化，程序缩小，又可分散给各个程序员分别设计，因而可以显著地简化程序设计，提高编程效率，便于利用成熟的软件包。系统模块划分时应遵循一定的原则，即模块功能应单一，可以相对独立，各模块间的联系应当尽量少，而模块内的联系应当紧密。但是无法做到模块完全独立，不与其他模块发生联系，一般情况下总存在数据或控制信息的联系，但这种联系应尽可能少。模块间也可能存在调用与被调用的关系，调用模块是指把数据或控制信息传导至被调用模块。一把地讲，仅数据参数的联系是比较松的联系，而用“控制信息”联系则是比较紧密的联系，当参数与控制信息同时存在时，则联系更为紧密。模块间的联系可以不了解其内部结构知道可完成哪些功能即可。模块化系统框图如图5.2所示，其中主控模块用以确定个子模块执行的顺序，实施指挥调度各模块的任务，其他各模块也都起到完成一定功能的作用在真个处理结束后可以关闭模块。主控模块的控制调度可以直接用CALL调度命令，也可以用多级中断请求方式，按优先级别转入相应的处理模块。32 图5.2模块化系统框图5.2基于状态机原理的主控程序状态转移模型根据有限状态机原理的模块化分级原理，将主控程序细分为几个大规模且级别相同的子状态机，每个子状态机含有相对独立的运行程序，指明状态机中各状态间的转移条件。一般主控系统中主要有开机、停止、复位和暂停四个状态，其中停止和复位并非立即完成，而是需要一定的时间完成，所以将停止状态细分为停止过程中及停止完成两个状态，将复位状态细分为复位过程中及复位完成两个状态，从停止过程中状态转移到停止完成状态与复位过程中状态转移到复位完成状态的状态转移条件是一定时间后必定完成。开机状态：指当机器刚刚上电后的起始状态；停止过程中状态：指机器从接到停止命令开始执行停止程序到停止彻底完成前的状态；停止完成状态：指机器停止彻底完成时的状态；复位过程中状态：指机器从接到复位命令开始执行复位动作到复位动作全部完成前的状态；复位完成状态：指机器复位动作全部完成，可开始运行时的状态；暂停状态：指机器在运行过程中，临时停止并且可以根据需求继续运行时的状态；对于大型机械自动化控制系统，为确保人工操作安全，需要设计一些特殊功能，这些功属于状态的附属属性，必须建立在某稳定状态上，例如机器运行过程中需要暂停后进行人工操作取出样品检测，那么可在暂停状态附加手动允许功能，需注意的是并非随时都允许手动。33 状态转移模型的状态转移规则：1.从一种状态转移到另一种状态一定是有触发条件的，该触发条件有限并且可知；2.由于主控程序中各状态的状态级别相同，从某一状态进入另一状态后会退出原状态，所以控制程序一定处于且仅处于一种状态，从而实现控制主导权的转移；3.某一稳定状态在特定的条件下，可以衍生出附属属性，附属属性与原状态同时消亡，定义为衍生环；4.某一状态在一段时间后必定转移到另一状态，原状态无法长时间存活，定义为封闭环。由以上得出的主控程序的各状态及状态间的关系可以建立基于状态机的主控程序状态转移模型，如图5.3所示。图5.3基于状态机的主控程序状态转移模型图图5.3基于状态机的主控程序状态转移模型中，方框表示状态P，圆形表示状态的附属功能(function)，有向线表示状态转移方向，有向线上附加的条件是状态转移条件。应用图5.3中基于状态机的主控程序状态转移模型，可获得以下控制策略：1.开机以后必须先进入停止状态，清掉停机之前的状态数据，再进入其他状态，防止残留状态及输入给PLC控制程序带来不稳定因素；2.因停止时需要一定时间清除程序中残余数据，停止动作中与停止完成状态构成封闭环；3.系统处于停止完成状态时，当接收到复位命令，系统退出停止完成状态，进入复位动作中状态，此时手动允许功能作为停止完成状态的衍生属性，与停止完成状态一同退出，之34 后不允许人工手动操作；4.因复位动作需要一定时间完成，复位动作中状态与复位完成状态构成封闭环；5.系统处于复位完成状态时，当接到运行命令，系统将退出复位完成状态，进入运行状态并稳定于该状态；6.系统处于运行状态时，当接到暂停命令时，系统将退出运行状态，进入并稳定于暂停状态；7.系统处于暂停状态时，当接到继续运行命令后系统退出暂停状态，进入运行状态，特定动作手动允许功能作为暂停状态的衍生属性将与暂停状态一并退出，之后禁止手动操作；8.系统处于运行状态时，当检测到运行目标已达成时，进入运行目标完成状态，在此状态系统会自动触发停止命令，退出运行状态，进入停止状态。5.3基于状态机原理的结构化快速复位状态转移图设计一般大型自动化机器运行前需要做好运行准备工作，复位状态作为运行前的准备状态起着至关重要的作用，尤其是伺服电机的原点复位完成与否决定着机械系统是否可以开始运行。虽然伺服电机都具有反馈检测信息，并自行补偿偏差的功能，可以进行重复定位精度较高的原点复位，但会在不断的周期运行后逐渐产生误差累积，最终产生较大的偏移现象，当偏移误差量超出一定范围时不得不重新进行原点复位，以清除误差。根据具体的使用情况确定原点复位的频率。也有很多情况下伺服电机不需要在运行周期内进行原点复位，只需要在系统开机时进行一次原点复位。但当系统受到外部干扰时，所产生的偏移误差很可能会超出预期值，影响生产质量，比如齿轮传动中齿轮磨损，带传动中带打滑，当机器运行过久必然发生这类状况，但又不能完全判定机器无法使用，这种情况发生时机械[47]系统复位会明显增多。另外，刚设计完成的机械系统调试期间也会经常进行复位。基于状态机原理设计结构化的状态转移图不仅可以加快复位速度，更有助于检测出复位未完成的机构，方便查找故障。基于有限状态机原理的结构化快速复位状态转移如图5.4所示。35 图5.4基于有限状态机原理的结构化快速复位状态转移图系统处于停止状态时，当接收到复位命令后，系统分为四个部分同时进行复位，任意一个部分复位完成后都会反馈给系统一个动作完成信号，当系统统计到四个复位动作完成信号均已收到后进入复位完成状态。如上节主控程序状态转移模型中的复位完成状态，这是系统可以运行的前提条件。5.4基于状态机原理的模块化正常运行状态转移图设计在程序的设计过程中，程序结构设计是最重要的一环。程序的结构直接影响程序编制的实际效果，对后期的修改、调试、维护有着奠定基石的意义。在程序设计的全过程中，要充分考虑各种运行状态，以及各种肯能出现的情况，要按一套有效的方法、遵循一套完整的步骤进行。否则，在设计中如果采用走一步试一步的做法，随用随改，就有肯能忽略掉一些不常见的运行状态，因而有可能在特[48]定情况下导致整个功能的崩溃。PLC应用程序结构的设计方法有很多种。有的是以理论分析为基础，沿用数字电路的逻辑设计方法来进行设计；有的则直接从控制功能触发，借用继电器接触[49]系统的梯形原理图来进行设计，即通常大家常说的经验设计法；由于在PLC控制系统中，顺序控制方式占有相当大的份额，因此，一种基于将控制过程划分为步、并在控制过程中解决由上一步进行到下一步的转换的典型设计方法，即在PLC应用程序结构的设计中大量使用顺序控制法；除此之外，一种通用的、从顺序控36 制设计法发展而来的状态分析法也在大量使用。除上述常用设计方法以外，在具体的设计过程中，还可能根据实际需要采用特殊的设计技巧。例如，通常在顺序控制设计中可能采用功能表图设计，也可能采用状态表设计。就采用关键指令的技巧而言，无论简单系统还是复杂系统，在顺序控制设计中就有采用通用逻辑指令、步进指令、职位和复位指令（即S、R指[50]令）以及使用位移寄存器等数种方式。全自动编制套袋机这种大型自动化设备，包含了大量传感器，气缸以及电机，运行时必须保证所有机械及电子元件运动有序，控制程序非常复杂，为此必须使用智能编程模型进行规范编程，然而即使将系统工作流程分为很多个状态，也难以将这些状态按照需求组织起来，为此将许多联系比较紧密的工作状态组合在一起，成为一个高级别的子状态，于是机器的整个控制系统分为5个子状态，根据实际工作情况，系统自动选择工作路径。首先基于有限状态机原理设计全自动编织袋套袋机最主要的A、B子模块状态转移图如图5.5所示。图5.5全自动编织袋套袋机的A、B子模块状态转移图系统开始运行后，自动检测备外袋工位是否有外袋，如果有，则直接启动B子程序模块，如果没有，则判定为无袋状态，进入A子程序模块中，系统发出生产外袋命令，同时让送外袋伺服电机、运外袋伺服电机及压外袋伺服电机同时运转，制外袋伺服电机输送定长外袋，运外袋伺服电机及压外袋伺服电机动作完全同步，将外袋从外袋卷上拉出指定长度，运输到备外袋工位指定位置。一方面伺服电机动作完成后，热切刀切下，切断外袋并用搓滚搓开袋口，利用真空吸盘将37 袋口吸开，切外袋动作彻底完成后自复位，等待下一次制外袋命令；另一方面A子程序模块将刚生产好的外袋送到备外袋工位，当备外袋工位指定位置光眼判定有袋后，B子程序模块开始启动，开始套袋。C子程序模块如图5.6所示。图5.6C子程序模块当检测到备内袋工位有袋时，套袋部分三个工位分别执行压袋、开口和压平三个动作，三个动作均完成后，伺服电机带动套袋机构的上半部分移动指定距离，三个工位均与原位置错开指定距离，伺服电机到位后分别执行松开袋子、套袋和运袋三个动作，松开袋子是指将后一个袋子送到位后抓手放开，运袋是指将前一个套好内袋的袋子运送到缝纫工位，套内袋则是本次的主要工序。套袋前需要判断开袋是否成功，只有编织袋口两端均完全开口后拉内袋的抓手才能通过袋子，将内袋套入其中，如何判断袋子是否完全打开是全自动编织袋套袋机项目控制方面最大的难点，不仅决定着机器能否正常运行，更决定着机器很多方面的工作性能。判定标准过低，则导致没完全打开袋子可能被判定打开，拉内袋机械手伸出过程中极有可能将袋子搓掉；判定标准过高，则会有很多可以套袋的外袋被判定未被打开。智能机器最大的特点是机器系统中有很多的传感器等检测元件，而且在运行过程这些检测元件实时工作，可以将检测的数据自动反馈给控制系统，控制系统再分析这些数据，并给出判断与命令，机器再执行这些命令，作出实时反映。气压在生产过程中会不断波动，波动频率极快仅0.5秒左右，研究通过3个38 真空传感器分段协同工作，才能进行判定，判定标准为真空吸盘的负压值大小，真空值高于设定值则判定开袋成功，直接执行D子程序，真空值低于设定值，则判定开袋失败则执行C子程序；D子程序模块如图5.7所示。图5.7D子程序模块开袋失败后，上吸盒先要放气，让外袋上袋口自由下落，一定时间后上吸盒下压，下压到位后再次吸气，真空值达到后提升，再次开袋，开袋后读取真空吸盘负压值。若真空负压值小于设定值，且开袋次数小于设定值N，则判定袋子再次开袋失败，重新开始循环；当开袋循环次数等于指定次数N，开袋仍没有成功，则判定开袋多次失败，退出循环，后续D、E子程序模块不启动，伺服电机返回；若真空负压值大于等于设定值，则判定开袋成功，D子程序模块启动，拉内袋机械手伸出到备内袋工位，夹爪夹住内袋，然后将内袋拉进外袋内指定位置，松开夹爪，机械手退回到原点位置，套袋完成，伺服电机返回，同时E子程序模块启动，制内袋部分重新生产一个内袋置于备内袋工位。E、F子程序模块如图5.8所示。39 图5.8E、F子程序模块A、B、C、D、E五个子程序模块均是循环运行，不断地自动检测，自动运行生产袋子，而F子程序模块则独立运行，不与其余五个子程序模块相干涉，当第一次检测到有袋子需要缝纫后便持续工作，系统全部停止时，F程序块才会停止。全自动编织袋套袋机六个子程序模块的工作流程简图如图5.9所示。图5.9六个子程序模块工作流程简图图5.9中：①代表运外袋工位的光电传感器判断此处是否有外袋；②代表套袋工位外袋第一次开袋是否成功；③代表设定次数内开袋是否成功。以上均为分歧结构，根据实际机器的YES或NO自动选择动作流程。A代表制外袋机构运行时的程序模块，触发时将生产一个外袋并运送到运外袋工位指定位置；B代表运外袋工位运行时的程序模块，触发时将外袋从运外袋工位40 运送至套袋工位，并开口；C代表开口次数多于一次，少于设定次数时机械动作的程序模块；D代表套入内袋的机械动作程序模块，触发时会将生产好的内袋拉入外袋内；E代表制内袋机构动作程序模块，触发时会生产一个内袋；F代表收料机构动作模块。从图5.9可以很清晰的解析全自动编织袋各模块之间的关系，当系统接收到单个脉冲的运行指令后，系统会进入A、B子程序模块的自动循环系统，光电传感器判定有袋子后袋子会被伺服电机运输到下个工位，造成光电传感器判定无袋，从而激活A子程序模块生产一个袋子送到光电传感器处，再次激活B子程序模块；伺服电机运输袋子到套袋工位后，激活F子程序模块，同时首次开袋是否成功激活C或D子程序模块，若首次开袋失败则激活C程序模块进行多次开袋，多次开袋成功则同样激活D子程序模块，若开袋达到设定次数仍然开袋未成功则自动进入暂停状态并申请人工处理废袋，等待继续运行。5.5运行结果分析5.5.1主要伺服电机运行状况在线监测效果伺服电机在全自动编织袋套袋机中是最为重要的电气设备，其性能是否良好决定着设备使用的稳定性。影响伺服电机正常运行的因素包括机械因素、机械共[51]振、机械抖动、机械内应力等因素。通常可以通过伺服驱动器反馈给PC的波形曲线信息，监测与分析伺服电机的实际运行状况。1.机械因素机械问题相对而言比较常见，主要体现在设计、传动方式、安装、材质、机械磨损等方面。2.机械共振机械共振对伺服系统最大的影响是降低了伺服电机的响应速度，导致设备整体在响应比较低的状态运行。尤其在同步带传动的机械传动系统中比较常见，长距离的滚珠丝杆也有可能出现此类情况。主要是由于同步带刚性低，共振频率低，长距离的滚珠丝杆惯量大，易变形，当电机容量偏小时更容易起振。另外装配精度和材质的优劣也会造成机械共振的发生。3.机械抖动机械抖动本质上也属于机械固有频率的问题，常见于一端固定的悬臂梁结构，在加减速时表现尤其明显。4.机械内应力等因素41 机械材质和装配精度的差异，会引起设备各传动轴产生机械内应力、静摩擦力等的不一致。当设备中进行轨迹插补控制的两轴中任一轴的内应力或静摩擦力大，会消耗一些伺服电机的转矩，造成轴的加速变慢，导致加工轮廓变形。图5.10是全自动编织袋套袋机正常生产时，从套袋机构伺服电机速度波形图中随机采样的周期波形，电机是ASD-B2系列伺服电机，额定转速2000r/min，额定负载3.0kw，图中黑色线条是速度波形图，蓝色线条是平均负载率波形图。图5.10套袋机构伺服电机速度与平均负载率波形图套袋部分伺服电机因为承载的负载大，往返运动速度快，正常运行时最快线速度约为1.6m/s，单次(半个周期)运行距离约700mm，对伺服电机正常生产时的实际运行状况进行性能测试，由波形图可知以下几个信息：前进转速最大值约为1820转每分钟，后退转速最大值约为1600转每分钟；平均负载率曲线没有特殊尖点，最大平均复杂约为120%；电机在接近满负荷状态时拥有良好的加减速曲线，运转情况良好。（注：全自动编织袋其余机构伺服电机因为工作环境相对良好，无需进行性能测试）图5.11是全自动编织袋套袋机正常生产时，从拉内袋机构伺服电机速度波形图中随机采样的周期波形,ASD-B2系列伺服电机，额定转速2000r/min，额定负载1.5kw。图中黑色线条是速度波形图，蓝色线条是平均负载率波形图。42 图5.11拉内袋机构伺服电机速度与平均负载率波形图拉内袋机构伺服电机因为承载的负载大，往返运动速度快，且返回时分两次返回，每次运行间隔很短，实际设定运行间隔仅0.1s，正常运行时最快线速度约为1.3m/s，单次(半个周期)运行距离约1300mm，对伺服电机正常生产时的实际运行状况进行性能测试，由波形图可知以下几个信息：1.前进最快转速约为1920转每分钟，后退第一段最快转速约为1900转每分钟，后退第二段转速最大值约为600转每分钟；2.平均负载率曲线没有特殊尖点，最大值约为260%；3.电机在接近满负荷状态时拥有良好的加减速曲线，运转情况良好。5.5.2各种故障的仿真测试及分析43 图5.12全自动编织袋套袋机主操作界面故障显示区经过多次测试，全自动编织袋遇到故障时均会自动暂停，自动暂停后暂停显示灯亮，其暂停原因均会显示与触摸屏主操作界面的监控区，故障灯也会亮，主要包括以下故障原因：1.拉内袋抄手未回到位：当机器自动暂停显示灯亮，并且该故障灯也亮时，表示拉内袋抄手没有回到原点，根据调试期间所出现的各种状况分析。具体原因包括伺服电机因误差累积导致运动距离不对，伺服电机运动速度过快，加减速控制来不及反应，经过多次尝试，通过对速度高精度反应能力的伺服电机速度控制指令可以大幅度降低故障发生率；同步带松动，发生打滑现象，这种现象极少出现，易检测易于处理。2.运袋抄手未回到原点与未运动到套袋工位：当机器自动暂停显示灯亮，并且该故障灯也亮时，表示运袋袋抄手未运动到指定位置，发生故障状况与上拉内袋伺服电机状况相同，但由于负载过大，速度快，发生同步带打滑的现象容易出现，经过多次试验及调整，更换大功率伺服电机后极大程度降低了该故障的发生概率。3.清理搓袋故障：当机器自动暂停显示灯亮，并且该故障灯也亮时，表示拉内袋抄手伸出或收回过程中碰撞到已处于打开状态的外袋，使其倾斜或掉落，这种问题在调试前期出现频繁，若外袋热切后，切口稍有丝线粘连，或真空气压泵吸力不稳定为能完全吸开外袋，或外袋本身已经倾斜等原因均会发生此故障，此44 故障发生原因极多并且极难准确检测，是全自动编织袋套袋机智能控制技术研发的一大难点，经过极其长时间调试及实验，该问题已经基本解决，但是存在将正常开袋误判为清理搓袋故障的问题，全自动编织袋切外袋粘连情况基本稳定的情况下，该故障的发生率大约为0.5%，其中约10%为误判，平均每2个小时出现一次误判故障并暂停，直接继续运行即可，误判概率在合理范围内。4.开袋失败：当机器自动暂停显示灯亮，并且该故障灯也亮时，表示外袋N次开袋均失败，N是操作人员设定数字，默认为3次，此时机器自动暂停，等待人工取走废袋，之后继续运行即可，该故障发生率低，发生后处理容易，可继续运行，在合理范围内。5.生产外袋故障：当机器自动暂停显示灯亮，并且该故障灯也亮时，表示外袋因某原因未能运送到后续工位，其中最为常见的问题是成卷的编织袋已经缺料了，直接换一卷新料即可继续运行，另外热切后的外袋可能卷入由伺服电机带动的运外袋滚筒，此问题发生率低。6.输送带卡带：当机器自动暂停显示灯亮，并且该故障灯也亮时，表示收料输送带上卡带，此时套袋工序已经基本完成，但此时卡带仍有可能造成后续袋子缝纫质量较差，需要工人提前调整好袋边卷边器。7.尾部堆料：该故障灯亮时，表示生产成功的袋子堆得过多不利于机器自动堆放，此时机器不会自动暂停，只会报警，请操作人员取走堆料。现场调试图如图5.13所示。图5.13现场调试图5.5.3全自动套袋机先进性对比分析表5.1是全自动编织袋套袋机与高速纸袋塞缝机的综合性能比较，全自动编织袋套袋机的主要优势体现在三个方面：由于编织袋为柔软材料，丝线间缝隙导致漏气严重，且必须使用特殊刀具切45 开编织袋，所以高速纸袋塞缝机生产产品限定为纸袋，无法生产编织袋，而全自动编织袋袋套袋机只需要将真空吸盘稍作改进即可生产纸袋，故全自动编织袋套袋机拥有更为强的产品适应能力；高速纸袋塞缝机控制系统缺乏智能决策能力，难以准确诊断出全部故障，更难以在可能发生故障的情况下发出暂停命令，为了保证人员及机器安全，不得不让专人监控机器，防止袋子倾斜等状况出现，而全自动编织袋套袋机控制程序利用有限状态机原理进行模块化设计，拥有智能仪器特征，可自行诊断故障，所有疑似故障出现均可让机器即使停止并报警，人工排除故障信息后可继续运行，无需操作人员时刻注意机器动态，不仅减少了操作人员数量，更降低了人工劳动强度。3.全自动编织袋套袋机相对于高速纸袋塞缝机，还有一个特殊的功能，就是预先设定生产计划并自动生产功能。这个功能的实现必须建立在机器有较高智能水平基础上才能实现，高速纸袋塞缝机生产时必须有人监控，对倾斜等问题袋子随时进行处理，要停机时必须有人操作，显然无法实现预先设定生产计划自动生产功能。这个功能极大程度提升了全自动编织袋套袋机的市场竞争力。高速纸袋套袋机与全自动编织袋套袋机性能比较表如表5.1所示。表5.1高速纸袋套袋机与全自动编织袋套袋机性能比较5.6本章小结本章通过定义系统主控程序中的各状态及阐明各状态之间的状态转移条件及规则，设计了基于有限状态机状态转移原理的智能机器主控程序状态转移图，将该主控程序状态转移图应用于全自动编织袋套袋机的主控程序设计中，并设计了结构化的快速复位状态转移图，以及模块化的正常运行状态转移图，根据状态转46 移的过程说明机器的实际运行过程。47 第6章总结与展望6.1本文总结与技术领先的发达国家相比，我国包装机械产品质量差距主要表现在智能控制技术和产品可靠性方面，缺乏针对大型智能机器项目实际有效的智能化PLC控制模型，导致编织袋套袋机械难以研发。在智能仪器控制领域，有限状态机是一种控制系统设计的规范方法，具有较显著的实际应用价值，已经被多次成功应用于基于C语言、VHDL、LabVIEW等平台的各种复杂控制程序中。本文应用状态机原理设计智能化控制系统，设计出了能满足市场需求，并且能参与激烈的国内外包装行业竞争的全自动编织袋袋套袋机。本文创新性地通过类比有限状态机建立正则表达式的方式，从数学原理证实了PLC控制程序应用有限状态机原理的可行性，并将PLC控制程序的三种基本结构改为拥有状态机数学关系的新型状态转移模型，使其能适应状态机的状态转移模式，实现基于状态的智能控制，解决了编织袋套袋机控制技术上的难点。按照状态机模块化的设计方法，首先设计了主控状态转移流程图，然后再分别设计由主控系统控制的复位运行等运行流程的子程序模块。定义了通常应用的主控程序中的各状态，阐明各状态之间的状态转移条件及规则，设计了基于有限状态机状态转移原理的智能机器主控程序状态转移图，将该主控程序状态转移图应用于全自动编织袋套袋机的主控程序设计中，并设计了结构化的快速复位状态转移图，以及模块化的正常运行状态转移图，根据状态转移的过程说明机器的实际运行过程。全自动编织袋套袋机实际运行情况表明，基于有限状态机原理设计的控制程序不仅自动化程度高，程序结构清晰易懂，易于调试扩展，机器运行稳定可靠，机械动作协调，控制系统程序发挥了机器的最大潜力。全自动编织袋套袋机不仅可以实现预先设定的功能，而且其基于有限状态机原理设计的控制程序自动化程度高，机器运行稳定可靠，机械动作协调，拥有全套故障自动检测、报警及自动暂停功能，减轻了操作人员的劳动强度，保证了操作人员的安全，极大提高了生产效率，其生产速度及总体性能更是达到了国内外领先水平。48 6.2展望全自动编织袋套袋机的实际运行结果表明，状态机不仅可以用于C、Labview等程序本身就是模块化语言平台的智能仪器控制设计，也可以用于PLC这种程序本身不具备模块化特点的控制设计，但需要设计人员按照一定的规则自行划分模块。“机械是载体，程序是灵魂”，一套设备是否能称之为智能设备，主要取决于控制程序的合理性，说明了应用状态机原理设计控制程序的重要实际意义。基于PLC平台的大型智能机器相比小型机器或生产线，更需要应用状态机原理进行设计，其模块化的控制模型有助于发挥机器的工作能力。本文所设计的主控模型不仅可以应用于全自动编织袋套袋机，也可能应用于其它设备的研发，在以后的研究中，会尝试将状态机原理的模块化控制模型应用于更多的大型设备研发中，验证其有效性，并完善主控模型的不足之处。全自动编织袋套袋机在控制方面也存在一些问题，例如1.没有经过几年的生产测试，无法确定控制系统是否有漏洞；2.气压的频繁波动导致机器有极小概率误判且暂停，没有找到方法消除误判率。为了让该设备更好的满足市场需求，参与市场竞争，在以后的研究中将会从各个方面完善该机器。49 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附录发表论文：一种基于有限状态机的主控程序状态转移模型，《湖北工业大学学报》，2016年第2期，第一作者（已见刊）。参与的项目：1）2014年11月至2015年3月，参与武汉蓝海雁有限公司的的“水泥装车机研发项目”的设计，参与组态软件与人机交互界面设计，PLC程序设计及设备调试。该课题由何涛、邓援超老师指导。2）2015年4月至2015年9月，参与江苏万乐自动化有限公司的“全自动编织袋套袋机研发项目”，作为主要电气工程师参与这套设备的电气控制部分设计与软件方面的设计，包括组态软件与人机交互界面设计，PLC程序设计，电气原理图设计，并长期负责设备的调试工作与试运行检测，直到系统运行基本稳定，达到设计要求为止。该课题由何涛、邓援超老师指导。54