2. 产线启停过程的状态建模

产线启停控制的核心难点，不在于“按下启动按钮让电机转起来”，而在于让整条产线在启停过程中始终处于可预期、可判断、可干预的状态。要做到这一点，第一步不是写程序，而是把产线运行过程抽象成有限个离散状态，并明确每个状态之间的迁移条件。这就是产线启停过程的状态建模。

状态建模的本质，是把连续变化的物理过程（速度、张力、温度、位置）映射为控制器可以判断和调度的离散状态机。控制器在每个扫描周期读取输入信号，判断当前状态是否满足迁移条件，满足则切换到目标状态，并执行该状态对应的输出动作。这样，启停过程就不再是一串“凭经验写死的延时”，而是一张可验证、可排障的状态迁移图。

一、六个基本状态的划分依据

对于典型的连续输送类产线（如皮带输送、辊道输送、多工位同步线），启停过程通常可划分为六个基本状态：停机（Stopped）、启动（Starting）、爬坡（Ramping）、稳态（Steady）、减速（Decelerating）、急停（E-Stop）。划分依据不是时间长短，而是“速度给定方式”和“安全等级”两个维度。

• 停机：速度给定为 0，所有驱动使能关闭，产线无物料流动。这是初始状态，也是正常停车的终点状态。
• 启动：驱动使能打开，但速度给定仍为 0，处于“抱闸松开、转矩建立”的短暂时段。此状态用于确认各工位就绪信号、安全门锁、急停回路均正常。
• 爬坡：速度给定从 0 按设定斜率上升到额定值。此状态是启停过程中最危险的阶段，因为张力、物料堆积、同步误差都在动态变化。
• 稳态：速度给定等于额定值，各工位同步误差在允许窗口内，产线进入正常生产。
• 减速：速度给定从额定值按斜率下降到 0，用于正常停车。
• 急停：安全回路断开，驱动以最大减速度或自由停车方式停止，属于安全状态，优先级最高。

二、状态迁移条件的设计

状态迁移条件必须由“可测量的信号”构成，不能依赖操作员口头确认。以一条三段式输送线为例，假设额定线速度 v_rated = 0.5 m/s，爬坡斜率 a_up = 0.1 m/s²，减速斜率 a_down = 0.15 m/s²，同步误差窗口 ±3 mm。各迁移条件可设计如下：

这里有一个容易被忽略的细节：爬坡 → 稳态的迁移条件必须同时检查速度和同步误差。如果只检查速度，可能出现“速度到了但同步误差超限”的情况，此时产线虽然速度正常，但物料已经在工位间堆积或拉断。因此，稳态的进入条件应设计为“速度达标 + 同步误差在窗口内 + 持续稳定 500 ms”，用持续时间过滤瞬时波动。

三、状态迁移图

下图给出上述六个状态及其迁移条件的完整关系。图中实线箭头表示正常启停路径，虚线箭头表示异常或安全路径，箭头旁标注的是迁移条件。

四、状态建模中的三个关键约定

第一，急停状态必须独立于正常状态机。急停不是“减速到停”的变体，而是安全回路直接切断驱动使能。在状态机中，急停应作为最高优先级的中断处理，任何状态检测到急停信号都必须立即跳转到急停状态，并执行抱闸、切断输出、置位故障标志。急停恢复后，不能自动回到原状态，必须经过“停机 → 启动”的完整路径重新启动。

第二，爬坡和减速的斜率要分开设定。很多现场把加速和减速用同一个斜率参数，这是不合理的。加速时物料从静止到运动，需要克服静摩擦和建立张力，斜率应偏小；减速时物料已有动能，斜率可以稍大，但过大可能导致物料前冲或堆叠。示例中 a_up = 0.1 m/s²、a_down = 0.15 m/s² 就是基于这个考虑。

第三，状态迁移要有“确认”环节。例如“减速 → 停机”不能只判断速度给定为 0，而要判断实际速度反馈 ≤ 0.02 m/s 且抱闸已合。否则可能出现给定为 0 但实际仍在惯性滑行时就切断使能，导致下次启动时位置偏移。

五、从状态模型到程序结构

在 PLC 中实现时，通常用一个整数变量 state 表示当前状态，用 CASE state OF 分支执行各状态动作，在每个分支内判断迁移条件并更新 state。例如：

CASE state OF
  0: (* 停机 *)
     drive_enable := FALSE;
     speed_ref := 0.0;
     IF start_btn AND safety_ok AND all_ready THEN
        state := 1;
     END_IF;

  1: (* 启动 *)
     drive_enable := TRUE;
     speed_ref := 0.0;
     IF enable_fb AND torque_ready THEN
        state := 2;
     END_IF;

  2: (* 爬坡 *)
     speed_ref := RAMP(v_rated, a_up);
     IF actual_speed >= 0.95*v_rated AND sync_err <= 3.0 THEN
        stable_timer := stable_timer + 1;
        IF stable_timer >= 500 THEN
           state := 3;
        END_IF;
     ELSE
        stable_timer := 0;
     END_IF;

  3: (* 稳态 *)
     speed_ref := v_rated;
     IF stop_btn OR count_reached THEN
        state := 4;
     END_IF;

  4: (* 减速 *)
     speed_ref := RAMP(0.0, a_down);
     IF actual_speed <= 0.02 AND brake_closed THEN
        state := 0;
     END_IF;
END_CASE;

(* 急停中断，最高优先级 *)
IF NOT safety_ok THEN
   state := 5;
   drive_enable := FALSE;
   speed_ref := 0.0;
   brake_close := TRUE;
   fault_flag := TRUE;
END_IF;

这段结构的关键在于：急停判断放在 CASE 之外，确保任何状态下都能立即响应；爬坡到稳态的迁移用 stable_timer 做 500 ms 持续确认，避免瞬时波动导致状态抖动；减速到停机同时检查实际速度和抱闸反馈，保证停稳后再切断使能。

状态建模完成后，调试的重点就从“调延时参数”变成了“验证迁移条件”。可以用强制变量逐条测试每个迁移条件是否按预期触发，也可以记录状态切换的时间戳，分析爬坡时间、稳态进入时间是否符合设计。这样，产线启停过程就从经验操作变成了可分析、可优化的工程对象。