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1. 1. 研究目的和意義

產(chǎn)品包裝是實現(xiàn)品牌創(chuàng)新、迅速提升市場占有速度占有率以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方法之一。包裝機(jī)械是指可以實現(xiàn)全部或者部分產(chǎn)品、商品包裝的機(jī)械設(shè)備。而這個包裝過程主要包含了包裝材料的成型、物料的填充、裹包和封口等步驟和清洗、干燥、殺菌、貼標(biāo)等前后包裝工序，還有轉(zhuǎn)送、選別等其他輔助工序。使用包裝機(jī)械不僅可以提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動強(qiáng)度，節(jié)約成本以實現(xiàn)大規(guī)模高速生產(chǎn)需要，還可以滿足現(xiàn)代工業(yè)綠色環(huán)保的需求[3]。一個國家在包裝工業(yè)上的發(fā)展水平和發(fā)達(dá)程度，已經(jīng)成為該國經(jīng)濟(jì)生活文明程度的重要指標(biāo)之一。包裝產(chǎn)業(yè)包含了眾多工業(yè)領(lǐng)域，包括包裝產(chǎn)品的設(shè)計與生產(chǎn)，包裝材料的研制、印刷與供應(yīng)，包裝機(jī)械的改良與制造等，所涉及的領(lǐng)域從第一到第三產(chǎn)業(yè)， 貨物流通、工業(yè)農(nóng)業(yè)商業(yè)直至人們生活的每一個環(huán)節(jié)。包裝產(chǎn)業(yè)作為當(dāng)今世界公認(rèn)的“朝陽產(chǎn)業(yè)”，勢必將在推動全球制造業(yè)發(fā)展以及加速產(chǎn)品區(qū)域流通方面發(fā)揮不可估量的作用。

控制系統(tǒng)是包裝機(jī)械的重要組成部分之一，它實現(xiàn)了對整個工作過程的控制、調(diào)整與監(jiān)測，這其中包含：使各種工序按照設(shè)定的順序進(jìn)行；對速度、溫度、壓力等參數(shù)的調(diào)控；產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測，生產(chǎn)安全防護(hù)，包裝過程中自動計量、計數(shù)的實現(xiàn)；物料的供給和停止，發(fā)生故障時自動報警等功能的實現(xiàn)[5]。現(xiàn)今我國包裝機(jī)械的控制系統(tǒng)大多還采用繼電器控制方式，較多的元器件勢必導(dǎo)致控制系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性和壽命大大降低，并且占據(jù)較大的物理空間。若采用 PLC 控制系統(tǒng)， 便可通過對其內(nèi)部輔助繼電器進(jìn)行編程來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的中間繼電器。由于其只是 PLC 虛擬的內(nèi)部寄存器，只要在不超過容量許可的范圍去編寫程序，便可實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能，極大簡化了機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)。

PLC 即可編程序控制器是計算機(jī)與繼電器控制技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物，是十多年來發(fā)展最為迅猛，應(yīng)用最為廣泛的自動化控制設(shè)備之一。其具有體積小、編程簡便、模塊豐富、功能強(qiáng)大等特點，非常適用于全自動包裝機(jī)控制系統(tǒng)。除此以外 PLC 還擁有更改控制功能只需修改程序，無需對硬件配置做調(diào)整；程序可以復(fù)制，易于批量生產(chǎn)；可實現(xiàn)繼電器無法實現(xiàn)的多種控制功能等其他優(yōu)點。雖然成本相對于繼電器控制稍高，但鑒于上述眾多優(yōu)點，PLC 控制開始逐漸取代傳統(tǒng)的繼電器控制。

目前，它的應(yīng)用幾乎涵蓋了所有工業(yè)領(lǐng)域，包括石化、冶金、電力、交通、航空航天、農(nóng)業(yè)、新能源等等[9]。隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展以及對自動化程度越來越高的要求，PLC 的相關(guān)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，各種配套產(chǎn)品和擴(kuò)展模塊也更加豐富。只是將可編程控制技術(shù)理解為對開關(guān)量進(jìn)行控制的時代早已一去不返。各種不同廠家研發(fā)的各種類型的 PLC 及其擴(kuò)展模塊不僅以良好的性能和兼容性滿足了各個行業(yè)的廣泛需求，還把通信和信息技術(shù)融合在了一起[10]。

隨著近幾十年伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、PLC、傳感器、變頻器等元件被大幅度的應(yīng)用于包裝機(jī)械，包裝過程實現(xiàn)了高自動化、高生產(chǎn)率和配套性，也更加的美觀大方綠色環(huán)保。而國內(nèi)包裝機(jī)械企業(yè)仍停留在規(guī)模小、數(shù)量多的階段，多以傳統(tǒng)制造裝備為主，制造水平低下；產(chǎn)品種類少而且大多缺少自主知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)含量非常低；所生產(chǎn)的設(shè)備效率低下且可靠性不高。未來五年，我國將進(jìn)入全面建設(shè)小康社會的發(fā)展時期，傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)將面臨產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型。在這個大背景下， 我國包裝機(jī)械發(fā)展也會迎來新的契機(jī)與挑戰(zhàn)。國內(nèi)包裝企業(yè)也應(yīng)該緊跟國際腳步， 著力提高產(chǎn)品的機(jī)電一體化水平，努力研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)且適合本國國情的食品包裝機(jī)械。本文正是應(yīng)用 PLC 來設(shè)計一種小型全自動立式包裝機(jī)的控制系統(tǒng)以實現(xiàn)上述優(yōu)點，因而具有重要的實際意義和價值。

1. 2. 包裝機(jī)的歷史

包裝機(jī)械的發(fā)展和其他工業(yè)設(shè)備類似，與國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度和人們的生活水平有直接的關(guān)系。一般來說，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的水平普遍高于經(jīng)濟(jì)較為落后的國家，而經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的國家其包裝機(jī)械的水平也會得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

上個世紀(jì) 40 年代，西方國家在食品、火柴、卷煙等行業(yè)率先開始使用包裝機(jī)械，這其中以英國的巧克力和美國的餅干包裝為代表，體現(xiàn)了當(dāng)時最先進(jìn)的包裝技術(shù)。50 年代，發(fā)達(dá)資本主義國家已經(jīng)實現(xiàn)了包裝的初級自動化。這個時期的包裝機(jī)械廣泛應(yīng)用光電管、電氣開關(guān)等各種電器元件。60 年代，包裝機(jī)上開始大量涌現(xiàn)由各種新型電子元件構(gòu)成的控制系統(tǒng)，并且將機(jī)、電、液、氣等先進(jìn)技術(shù)融合使用。在這個時期已經(jīng)出現(xiàn)了更為先進(jìn)的專用自動包裝生產(chǎn)線。70 年代，由于計算機(jī)技術(shù)的普及和廣泛應(yīng)用，無論是單臺包裝機(jī)還是自動化流水線的自動化控制都大幅提高。在此期間，美德兩國率先開始使用小型 PLC。由于 PLC 是專門為工業(yè)控制所設(shè)計，具有較強(qiáng)的通用性，尤其適合大批量生產(chǎn)的設(shè)備并且能極大提高生產(chǎn)效率和可靠性，所以使成本大幅下降，不論是使用還是維護(hù)都極為方便， 自此小型 PLC 便開始逐漸步入包裝機(jī)械的控制領(lǐng)域。

我國自解放后隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，包裝工業(yè)化機(jī)械化的要求越來越迫切，包裝機(jī)械才逐漸進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。前十年是仿蘇階段，主要按照蘇聯(lián)的設(shè)備、圖紙和設(shè)計思路來進(jìn)行仿制我們自己的包裝機(jī)械，這個時期主要以香煙小包裝機(jī)、糖果包裝機(jī)為代表。上世紀(jì) 60-80 年代在輕工行業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)出現(xiàn)了一些包裝機(jī)型，如： 真空包裝機(jī)、捆扎機(jī)等，但由于和國際的脫軌和技術(shù)的落后，這些設(shè)備的控制基本都由強(qiáng)電和機(jī)械機(jī)構(gòu)來完成。直到 80 年代改革開放以后，我國才迎來包裝機(jī)械的大發(fā)展時期。一方面引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備，另一方面加緊學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，吸收消化并實現(xiàn)了國產(chǎn)包裝設(shè)備的技術(shù)升級和更新?lián)Q代。

1. 3. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
2. 1. 1. 國外包裝機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

包裝機(jī)械更新?lián)Q代快、新技術(shù)應(yīng)用快、衛(wèi)生要求高、精度要求高、模塊化設(shè)計是它的主要特點。世界上很多高新技術(shù)和科研成果，都會在包裝機(jī)械中得到或多或少的應(yīng)用和體現(xiàn)。

自上世紀(jì) 80 年代至今，包裝機(jī)械行業(yè)大量采用新生的各種高精尖技術(shù)，比如微電子、激光、超聲波、熱管以及光電纖維等，涌現(xiàn)出了一些新特點：一是生產(chǎn)高效率，可靠性好；二是對資源的高度綜合利用，倡導(dǎo)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)；三是重視節(jié)約能源降低消耗；四是注意將各種高新技術(shù)實用化，迅速的應(yīng)用在本領(lǐng)域以進(jìn)一步提高生產(chǎn)率；五是從業(yè)人員不斷減少的同時，產(chǎn)值不斷提高，品種眾多能滿足各種要求。

美國所生產(chǎn)的包裝機(jī)械基本都以大型高速為特色，產(chǎn)量和種類均居世界第一。和美國的其他工業(yè)產(chǎn)品一樣，其包裝機(jī)械也以高、大、精、尖為主要特點，計算機(jī)控制與機(jī)械設(shè)備聯(lián)系密切，能夠到達(dá)高度的機(jī)電一體化[12]。美國包裝工業(yè)已經(jīng)形成了由包裝材料、工藝和設(shè)備組成的一整套獨立的工業(yè)體系，其自動化程序已經(jīng)廣泛應(yīng)用在許多先進(jìn)的包裝控制系統(tǒng)中，步入了融合機(jī)電一體化、激光掃描、納米等高新技術(shù)的包裝新世界，引領(lǐng)和代表了先進(jìn)包裝設(shè)備與控制系統(tǒng)的走向。美國將在今后把工業(yè)機(jī)器人、圖像傳感等新技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用在包裝行業(yè)中， 進(jìn)一步提高其自動化、高效率化、規(guī)?；凸?jié)能化[13]。

德國的食品包裝機(jī)械和德國其他工業(yè)產(chǎn)品一樣譽滿全球。產(chǎn)品以高速、高可靠性、高質(zhì)量、高自動化、高成套性為主要特點，特別是液體灌裝生產(chǎn)線和大型制袋、填充、熱封包裝機(jī)在世界市場占據(jù)了主導(dǎo)地位。近年來由一些大公司研發(fā)并制造的設(shè)備集機(jī)、電、儀表、觸摸屏、上位機(jī)控制于一體，應(yīng)用光電傳感技術(shù)， 以光標(biāo)實現(xiàn)控制，安全設(shè)施齊全，配備防靜電裝置。

日本是包裝機(jī)械的后起之秀，在二戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展并于上個世紀(jì) 70 年代初期便達(dá)到并趕超了世界先進(jìn)水平。其發(fā)展速度快的主要原因是日本善于引進(jìn)、仿制，在吸收消化先進(jìn)技術(shù)后能不斷創(chuàng)新且善于經(jīng)營。日本的行業(yè)企業(yè)主要是中小企業(yè)，以中小型單臺包裝機(jī)為主，占地小、精度高。90 年代以來，隨著無極變頻、光電傳感器、實時數(shù)據(jù)采集與顯示、人機(jī)界面等技術(shù)的運用，其食品包裝機(jī)械產(chǎn)值占到行業(yè)總產(chǎn)值一半以上 。

意大利的包裝機(jī)械大多應(yīng)用于食品行業(yè)，其產(chǎn)品靈活、技術(shù)先進(jìn)、外型美觀、價格公道。產(chǎn)品的 80%出口，受到了全世界的青睞[13]。

除上述四個發(fā)達(dá)國家以外，瑞典、加拿大等國的包裝機(jī)械行業(yè)也較為發(fā)達(dá)。這些發(fā)達(dá)國家一邊進(jìn)行基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)，一邊生產(chǎn)更加專業(yè)化的產(chǎn)品以適應(yīng)市場需求，如美國某公司的封罐機(jī)、德國某公司的啤酒灌裝機(jī)（頭數(shù)多、速度快、計量精確）、某公司的無菌包裝機(jī)（成本低、維護(hù)簡便、只需一人操作）等。

1. 國內(nèi)包裝機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，世界包裝機(jī)械需求在以每年 5.3%的速度遞增，2005 年就已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)值 290 億美元。經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的是發(fā)展中國家和地區(qū)，因而包裝設(shè)備生產(chǎn)的主要增長點也來自這些地方[15]。至今，國內(nèi)食品包裝機(jī)械研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)共有六千余家，種類接近兩千種。據(jù)統(tǒng)計，在這六千余家企業(yè)里，年銷售額過億的僅十幾家， 超過三千萬元的也只有 50 家左右； 80%-90%都是民營和股份制企業(yè)，合資和獨資僅占 10%-20%，而國有企業(yè)屈指可數(shù)。由于規(guī)模較小，研發(fā)生產(chǎn)能力較差，資金少等原因，導(dǎo)致每年有近 15%的企業(yè)轉(zhuǎn)產(chǎn)或倒閉或新加入[16]。大部分企業(yè)的產(chǎn)品種類單一，只有極少數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)批量制造，而且我國包裝機(jī)械的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)展也很不均衡，飲料、煙草、食品以及其他輕工業(yè)使用的設(shè)備占了絕大多數(shù)，而化工、冶金、建材以及糧食加工等行業(yè)設(shè)備的使用卻少之又少 [17]。

近年來，隨著科技的投入的加大和研發(fā)能力的增加和制造業(yè)能力的不斷提升， 我國食品包裝機(jī)械與世界水平的差距正在逐漸縮小，少部分產(chǎn)品已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平[18]。如杭州某有限公司自主研發(fā)并擁有知識產(chǎn)權(quán)的最高速度達(dá)到四萬杯/小時的酸奶制杯灌裝生產(chǎn)線；廣州某公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的制瓶能力可達(dá)每小時三萬三千瓶的 PET 吹瓶機(jī)已投放市場并形成產(chǎn)業(yè)鏈；中國某機(jī)械總公司研發(fā)的高壓殺菌生產(chǎn)線已經(jīng)投放市場，供不應(yīng)求廣受好評，并獲得了國家科技進(jìn)步二等獎[13]。

隨著我國的經(jīng)濟(jì)和生活水平的提高，人們對包裝的要求也越來越高。近年來， 各種小包裝產(chǎn)品愈發(fā)受到青睞，所以小型立式的顆粒、粉末、液體包裝機(jī)產(chǎn)銷量越來越大。立式自動包裝機(jī)于上世紀(jì) 80 年代初從國外引進(jìn)，因在包裝過程中包裝材料走向垂直于水平方向而得名。它具有體積小、結(jié)構(gòu)簡便、易于操作、物美價廉等顯著特點，因而在食品包裝中應(yīng)用廣泛。國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的立式自動包裝機(jī)一般由計量充填、供膜、熱封制袋和切斷等裝置組成，在機(jī)械傳動部分會有一定差異，但是電氣部分差異不大，一般都使用 PLC、智能溫控表、變頻器、人機(jī)界面、光標(biāo)傳感器等電氣設(shè)備，與傳統(tǒng)的主要由繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)相比具有明顯優(yōu)勢，大大提高了設(shè)備可靠性，操作頁面簡潔，可以實現(xiàn)溫度、速度等參數(shù)調(diào)節(jié)的智能控制，實現(xiàn)從計量充填、牽引、熱封、切斷的全自動包裝，并且其售價低廉，在兩萬至五萬之間，普通老百姓或者小型企業(yè)完全可以承受。

當(dāng)前國內(nèi)外包裝機(jī)械共同的發(fā)展趨勢為：高速、高效、高質(zhì)量。重點在于節(jié)能降耗、提高包裝質(zhì)量、重視可靠性、自控水平高、結(jié)構(gòu)緊湊。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)有的包裝機(jī)控制系統(tǒng)普遍還存在以下問題：

1. 包裝材料輸送速度難以控制，因為輸送速度不穩(wěn)定會造成袋長精度嚴(yán)重下降：在一個供膜周期的開始和末尾，膜卷的直徑變化較大，此時轉(zhuǎn)動慣量的變化會導(dǎo)致輸送薄膜的拉力不均，造成袋長精度偏低。
   1. 填充的計量精度較低且不穩(wěn)定。
   2. 包裝速度低：目前國產(chǎn)包裝機(jī)的包裝速度，小包在每分鐘五十到一百袋之間，而且超過每分鐘六十袋時精度將會下降；中包為每分鐘三十到五十袋。而進(jìn)口設(shè)備的速度已經(jīng)達(dá)到小包每分鐘一千二百袋，中包每分鐘一百六十袋。
   3. 封口質(zhì)量難以保證。包括外觀質(zhì)量，封口強(qiáng)度，因為靜電作用內(nèi)壁吸附顆粒物導(dǎo)致封口不嚴(yán)以及橫封機(jī)構(gòu)運動不合理導(dǎo)致封口質(zhì)量問題。

需要吸收國際領(lǐng)先的知識和技術(shù)，加快創(chuàng)新，將先進(jìn)概念和理念引入食品包裝機(jī)械中，早日解決在設(shè)計開發(fā)和制造過程中出現(xiàn)的產(chǎn)品種類少、不夠節(jié)能環(huán)保、通用性不強(qiáng)等諸多問題[24]。傳統(tǒng)的繼電器控制用硬線連接組成各種邏輯，主要由中間繼電器和時間繼電器構(gòu)成，弊端是系統(tǒng)一旦連接完成再想更改便會非常困難。與之相比，PLC 是利用內(nèi)部存儲器空間將所設(shè)計的控制程序用數(shù)據(jù)形式進(jìn)行保存，如果要改變原有的控制功能或進(jìn)行擴(kuò)展，則只需直接編輯 PLC 程序即可。由于 PLC 和外部的聯(lián)系是通過其 I/O 點實現(xiàn)的，如果輸入輸出對象沒有發(fā)生更改，就無需對硬線連接部分作改動。

繼電器控制主要依靠觸點動作，頻率低，周期較長。而 PLC 是以微機(jī)為基礎(chǔ)來實現(xiàn)控制功能，其每個指令步數(shù)的響應(yīng)時間和運行速度僅僅才為 10 微秒，更為先進(jìn)的高速 PLC 這個指標(biāo)能達(dá)到 5 微秒甚至更快。對于延時控制，傳統(tǒng)系統(tǒng)通過時間繼電器觸點的延時動作來實現(xiàn)，精度偏低，調(diào)整起來也極為不便。PLC 則由晶振產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過多次分頻得到的時基脈沖進(jìn)行計數(shù)從而實現(xiàn)定時功能， 一般以 100 毫秒作為單位，精度高的可以達(dá)到 10 毫秒，只需根據(jù)要求給程序中的定時器寫入常數(shù)便可以對延時進(jìn)行設(shè)置。若僅對時基脈沖進(jìn)行計數(shù)而不計算時間， 定時器也就演變成了計數(shù)器。

除此以外采用 PLC 控制的設(shè)備體積、功耗、噪音明顯減小，壽命更長、可靠性顯著提高，程序還帶有監(jiān)控與自我檢測功能，使其運行更加一目了然。單片機(jī)配置相對簡單，適用于不太復(fù)雜的自動化項目，但其仍不適用于工業(yè)控制。單片機(jī)存在著編程語言復(fù)雜、接口工作繁瑣、可靠性較差等缺點，硬件上受 CPU、內(nèi)存及接口限制，軟件上受限于和 CPU 類型有關(guān)的編程語言，通用性、兼容性與擴(kuò)展性都比較差。盡管在數(shù)據(jù)處理上有優(yōu)勢，但鑒于工業(yè)控制多為開關(guān)量，因此它的特點無法得到充分發(fā)揮 [6、7]。因此，PLC 具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。