包裝機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)研究進(jìn)展

李曉剛

（北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

0 引言

從20世紀(jì)末開(kāi)始，為了滿足市場(chǎng)多樣性、個(gè)性化的需求，包裝機(jī)械在生產(chǎn)率、可靠性、自動(dòng)化水平、成套性程度以及質(zhì)量等方面的要求越來(lái)越突出［1］。要滿足社會(huì)市場(chǎng)的需求，實(shí)現(xiàn)包裝工業(yè)現(xiàn)代化、信息化，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中能夠占據(jù)重要地位，包裝機(jī)械行業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)自動(dòng)化技術(shù)，具有創(chuàng)新性、智能化、自動(dòng)化功能的包裝機(jī)械將成為未來(lái)的主流［2］。

自動(dòng)化技術(shù)在我國(guó)包裝機(jī)械行業(yè)應(yīng)用廣泛，本文對(duì)一些先進(jìn)自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 控制系統(tǒng)

1.1.1 單片機(jī)

包裝機(jī)械控制系統(tǒng)中應(yīng)用最早的是單片機(jī)，毛雷等［3］利用MCS8051單片機(jī)控制器調(diào)節(jié)送紙速度，并控制液態(tài)奶枕式包裝紙的封切位置從而實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)連續(xù)自動(dòng)定位的目的。劉茹［4］設(shè)計(jì)了8031單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了固體小顆?；蚍勰钗锪系母呔榷堪b。孫英［5］等采用STM32單片機(jī)作為控制單元，采集快遞包裹箱實(shí)時(shí)位置、箱內(nèi)溫濕度等信息。由于受工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響，單片機(jī)存在抗干擾能力差、故障率高、擴(kuò)展性差、對(duì)環(huán)境依賴性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

1.1.2 編程邏輯控制器

PLC是一種可編程邏輯控制器，其硬件結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)基本相同。利用PLC可以實(shí)現(xiàn)包裝生產(chǎn)線的稱重控制、裝袋控制、轉(zhuǎn)位輸送控制、計(jì)數(shù)功能、溫度控制等?？邓悸劊?］等利用西門(mén)子S7-200系列PLC編寫(xiě)模塊化程序，實(shí)現(xiàn)硬幣包裝生產(chǎn)線上硬幣的輸送、檢偽、計(jì)數(shù)和包卷等功能。樊勇等通過(guò)西門(mén)子S7-1200系列PLC高速計(jì)數(shù)器指令讀取旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)角控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。柴三中等利用PLC控制器與各行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)電壓連接，控制紙盒包裝機(jī)的各個(gè)工藝，保證動(dòng)作協(xié)調(diào)配合［7-8］。張?。?］等利用 PLC 設(shè)定和比較下料量，配合模糊PID控制算法，并實(shí)現(xiàn)精確定量下料動(dòng)作。蔡振宇［10］依據(jù)飲料灌裝流水線的工藝操作流程以及生產(chǎn)實(shí)際需求編寫(xiě)PLC控制程序，完成了PLC控制系統(tǒng)的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)飲料液體瓶的抓起、抬高、裝箱、復(fù)位等工作，消除了傳統(tǒng)控制方式抗干擾性差的缺點(diǎn)。

1.1.3 分散型控制系統(tǒng)

DCS（Distributed Control System）是一個(gè)由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制等4C技術(shù)。

包裝工藝過(guò)程繁多復(fù)雜，為了保證包裝產(chǎn)品質(zhì)量合格，需要控制并監(jiān)控的過(guò)程和參數(shù)眾多，因此DCS適合于大型包裝生產(chǎn)線的監(jiān)控與管理。段文軍［11］等基于DCS的控制方式設(shè)計(jì)了全自動(dòng)高嶺土灌裝、碼拆垛循環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高嶺土全自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。胡連華［12］等設(shè)計(jì)了紙卷包裝機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以西門(mén)子PLC為主站，工業(yè)機(jī)器人為從站，通過(guò)PROFIBUS-DP協(xié)議與西門(mén)子紙卷包裝DCS系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)了取放紙卷封頭和包裝過(guò)程的全自動(dòng)化。阮宇［13］設(shè)計(jì)了DCS系列的智能型定量包裝稱重系統(tǒng)，懸臂梁式稱重傳感器將物料重量信息轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析后發(fā)出控制信號(hào)以控制電磁閥工作。

1.1.4 PC-base

PC-base（Personnel Computer-base）這 種 基于個(gè)人電腦的控制方式相比PLC更適合于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，在包裝設(shè)備中的應(yīng)用也更加廣泛。鄭小珍［14］等利用BECKHOFF工業(yè)計(jì)算機(jī)的控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了創(chuàng)新煙草包裝機(jī)基于IPC的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有超強(qiáng)的計(jì)算處理能力，功能完善且可操作性強(qiáng)。孫華強(qiáng)［15］指出采用基于PC控制技術(shù)的開(kāi)放式自動(dòng)化系統(tǒng)將逐漸成為煙草包裝機(jī)械控制系統(tǒng)的主流，令煙草包裝機(jī)械更加安全、高效、智能化、人性化和柔性化。

1.1.5 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與工業(yè)過(guò)程控制單元、現(xiàn)場(chǎng)操作站等互聯(lián)而成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)展的產(chǎn)物［16］。傳統(tǒng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要以單機(jī)自動(dòng)化為主，單機(jī)之間不能實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其他設(shè)備無(wú)法對(duì)變化的參數(shù)做出及時(shí)響應(yīng)，導(dǎo)致生產(chǎn)線工作停止，嚴(yán)重影響生產(chǎn)協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特別適合包裝生產(chǎn)線的綜合控制、管理與監(jiān)控。尤其是PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用最多，廣泛應(yīng)用于銅板、化肥水泥、藥品、啤酒等包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。強(qiáng)明輝［17］等設(shè)計(jì)研制了以PROFIBUS主站為服務(wù)器，PLC、電子秤、噴碼貼標(biāo)等為DP從站，并加載到主站上，構(gòu)成PROFIBUSDP控制系統(tǒng)，利用客戶端軟件通過(guò)服務(wù)器讀寫(xiě)從站數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和控制。楊紅亮［18］等開(kāi)發(fā)了基于PROFIBUS-DP通訊的全自動(dòng)減量式稱重灌裝機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于時(shí)間反饋和重量反饋的雙閉環(huán)控制算法，可實(shí)時(shí)調(diào)整比例因子以測(cè)試灌裝精度及速度。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線適用于實(shí)時(shí)性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性更突出，目前在定量包裝秤以及糧食、食品、藥品包裝生產(chǎn)線上得到了成熟的應(yīng)用。周婭［19］等設(shè)計(jì)了基于CAN總線的全自動(dòng)電子定量包裝秤，該系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)控制以及數(shù)據(jù)均通過(guò)CAN總線傳輸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)底層模塊與工控計(jì)算機(jī)的通信。解軍艷［20］等選擇CAN總線為智能控制系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，選取AT89C51為控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，監(jiān)控模塊通過(guò)CAN總線將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程，可以及時(shí)監(jiān)控、調(diào)整和發(fā)現(xiàn)異常。

1.1.6 可編程自動(dòng)化控制器

由于PLC或PC對(duì)于復(fù)雜應(yīng)用的解決能力均有限，因此根據(jù)用戶以及制造商的多種需求，新型控制器 PAC（Programmable Automation Controller）被設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出來(lái)，這種控制器能夠?qū)LC和PC的特性最佳地結(jié)合到一起，可實(shí)現(xiàn)多控制任務(wù)且控制引擎集中，繼承了傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點(diǎn)，又融合了PC機(jī)的靈活性和處理能力。李明達(dá)［21］等設(shè)計(jì)了以PAC為控制系統(tǒng)的分揀機(jī)構(gòu)，編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的通信連接，從而實(shí)現(xiàn)5個(gè)模塊的動(dòng)作以完成自動(dòng)分揀任務(wù)。王柱［22］等為銀行自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)了以CPAC為核心的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)不同接口及嵌入式操作系統(tǒng)，控制6個(gè)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)貨架貨物的精準(zhǔn)存取貨動(dòng)作。目前PAC廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域各個(gè)行業(yè)，但在包裝機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用較少。

1.2 傳感器技術(shù)

傳感器是包裝機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化必不可少的器件，灌裝生產(chǎn)線中主要應(yīng)用傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重或液位檢測(cè)，液位檢測(cè)可以采用超聲波傳感器、電容式傳感器等，動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)稱重則通常采用電磁式傳感器。周根榮［23］等采用高精度稱重傳感器實(shí)時(shí)采集灌裝重量，采用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)空桶是否到位，采用超聲波傳感器在線監(jiān)測(cè)灌裝液位高度。雷冬［24］等使用電磁力式傳感器實(shí)現(xiàn)高精度秤臺(tái)的靜動(dòng)態(tài)測(cè)量。溫度傳感器多用于制袋包裝機(jī)中的熱封工藝以控制不同塑料薄膜熱封時(shí)所需的適宜溫度。張?zhí)K新等［25］選用熱電偶式傳感器控制并穩(wěn)定熱封所需溫度。光電傳感器在包裝機(jī)械中多用于光標(biāo)定位、產(chǎn)品檢測(cè)與計(jì)數(shù)、產(chǎn)品包裝外觀及缺陷檢測(cè)、包材跑偏檢測(cè)、薄膜位置控制等。蔡燚［26］等在板式家具自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的封箱機(jī)入口處和出口處設(shè)置了光電傳感器檢測(cè)紙箱到位以完成封箱操作。龔元［27］利用光電傳感器檢測(cè)卷煙包裝生產(chǎn)過(guò)程中的缺支、反包、鋁箔紙錯(cuò)位、拉線錯(cuò)口、翹邊和卡紙脫落煙包等問(wèn)題。喬建軍［28］等均選用反射型光纖光電傳感器檢測(cè)香煙條盒片是否到位以及煙包外觀是否變形。李效飛［29］利用紅外光電傳感器用于香煙包裝機(jī)組中的煙支檢測(cè)以及煙包完整性檢測(cè)。光電傳感器檢測(cè)方法精度高，反應(yīng)快，廣泛應(yīng)用于輕工行業(yè)。

1.3 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

近年來(lái)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)快速發(fā)展，在包裝工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，其優(yōu)勢(shì)是利用視覺(jué)傳感器直觀、準(zhǔn)確地檢測(cè)外觀質(zhì)量，大大提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。馮玉［30］設(shè)計(jì)了視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，利用攝像頭采集煙包圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理，以此剔除不合格煙包。金懷國(guó)［31］等采用光學(xué)鏡頭采集煙包堆疊位置的圖像，經(jīng)過(guò)處理后的圖像與煙包堆疊完好的圖像進(jìn)行對(duì)比以此檢測(cè)堆疊煙包是否缺失。李萌［32］等利用工業(yè)相機(jī)獲取生產(chǎn)線上鋁塑藥品包裝的原始圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理和閾值分割，提取面積、周長(zhǎng)、圓形度等目標(biāo)特征與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，檢測(cè)藥品包裝是否漏檢、誤檢等。黃志平［33］等采用雙工業(yè)相機(jī)拍攝炸藥藥卷圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理后，提取藥卷輪廓尺寸的長(zhǎng)度、寬度以及長(zhǎng)寬比等3個(gè)參數(shù)，作為缺陷特征進(jìn)行檢測(cè)分類。胡浩［34］針對(duì)飲料灌裝生產(chǎn)線上瓶蓋封裝缺陷和飲料灌裝質(zhì)量問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的飲料瓶檢測(cè)及抓取系統(tǒng)，核心部分是選用CCD相機(jī)獲取飲料瓶圖像，以此檢測(cè)瓶蓋封裝缺陷和灌裝液位是否達(dá)標(biāo)。目前機(jī)器視覺(jué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于飲料、煙草、藥品、炸藥、包裝容器的外觀質(zhì)量缺陷檢測(cè)以及食品的分級(jí)分揀等。

2 我國(guó)包裝機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

目前，我國(guó)包裝機(jī)械品種和產(chǎn)量趕超世界先進(jìn)國(guó)家，功能越來(lái)越完善和多樣化，升級(jí)換代也越來(lái)越快，且具有良好的柔性和靈活性。面對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的沖擊，我國(guó)也加大力度研發(fā)成套包裝生產(chǎn)線，自動(dòng)化技術(shù)呈現(xiàn)多樣性特點(diǎn)，水平不斷提高。

2.1 特點(diǎn)

（1）自動(dòng)化控制技術(shù)不再單一。目前我國(guó)包裝機(jī)械上使用的自動(dòng)化技術(shù)和產(chǎn)品種類越來(lái)越多，技術(shù)水平也越來(lái)越高，例如單片機(jī)、PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線、變頻器、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、觸摸屏、顯示器、傳感器以及機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)，這些自動(dòng)化產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程容易、操作方便、精度高、可靠性高、自動(dòng)化程度高、配套能力高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)［35］。

（2）包裝機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)。將機(jī)械、電子、信息、檢測(cè)等有關(guān)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)整體最佳化，可實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)械能夠感知各種參數(shù)的變化，完成各種包裝動(dòng)作，從而達(dá)到包裝機(jī)械高度自動(dòng)化和柔性化控制。從我國(guó)包裝機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)研究現(xiàn)狀可以看出，各種控制技術(shù)及產(chǎn)品的完美結(jié)合實(shí)現(xiàn)了完善和強(qiáng)大的功能，對(duì)包裝機(jī)械的各種工序、參數(shù)以及生產(chǎn)線中各單機(jī)之間的協(xié)調(diào)配合和網(wǎng)絡(luò)通信等實(shí)現(xiàn)了精確、高效的監(jiān)視、檢測(cè)與控制。

（3）自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用范圍廣。目前自動(dòng)化控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品、藥品、啤酒、飲料、化妝品、化工、日用品、電子、家具建材、汽車配件等大大小小、各式各樣產(chǎn)品的包裝機(jī)械以及物流機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)稱重、計(jì)數(shù)、制袋、封切、定位、糾偏、監(jiān)視、檢測(cè)、溫控、協(xié)調(diào)、通信、聯(lián)網(wǎng)等功能。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)包裝機(jī)械及其自動(dòng)化技術(shù)目前仍然存在產(chǎn)品規(guī)模小、產(chǎn)值低，品種少、精度低、性能低、穩(wěn)定性和可靠性較差、外觀粗糙不細(xì)致等問(wèn)題和缺點(diǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題和缺點(diǎn)，希望進(jìn)一步提高我國(guó)包裝機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)水平，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在客觀上促進(jìn)我國(guó)包裝機(jī)械發(fā)展。

（1）改變思想觀念。自動(dòng)化技術(shù)改變著包裝機(jī)械行業(yè)的制造方法及產(chǎn)品傳輸方式，極大提高包裝系統(tǒng)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有效減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低能源消耗。因此，包裝機(jī)械制造商要根本轉(zhuǎn)變思想觀念，加強(qiáng)自主創(chuàng)新，推進(jìn)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化，才有可能實(shí)現(xiàn)我國(guó)包裝機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)水平質(zhì)的飛躍。

（2）堅(jiān)持自主創(chuàng)新。目前國(guó)產(chǎn)PLC在抗干擾、擴(kuò)展性、適應(yīng)性方面已具有較高水平，但與知名國(guó)際品牌相比，在實(shí)時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性上還存在一定差距。在未來(lái)幾年，PLC仍然是包裝機(jī)械控制系統(tǒng)主流，因此，堅(jiān)持開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PLC產(chǎn)品和技術(shù)，才能更好促進(jìn)我國(guó)包裝機(jī)械行業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展。

（3）模塊化。模塊化設(shè)計(jì)可以應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化和客戶需求，把控制系統(tǒng)切換到不同的生產(chǎn)需求狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。這種設(shè)計(jì)手段是根據(jù)不同的功能需求選擇相應(yīng)的模塊，進(jìn)行綜合，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品柔性程度高，可以實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，降低了設(shè)計(jì)制造成本，有利于提高自動(dòng)化程度［36］。

（4）數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)。通過(guò)硬件的連接、軟件的數(shù)據(jù)交換和傳輸，包裝機(jī)械可形成一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線中上下游的生產(chǎn)情況監(jiān)視、控制、交換，調(diào)整，保證生產(chǎn)過(guò)程正?？煽坑行虻剡M(jìn)行，亦可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在線解決機(jī)器故障［37］。

（5）環(huán)?；?。在可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保大環(huán)境下，自動(dòng)化包裝技術(shù)和設(shè)備也應(yīng)符合綠色、環(huán)保的發(fā)展方向。技術(shù)人員要加大研究力度，處理和改善包裝機(jī)械運(yùn)行噪聲、粉塵和廢棄物等問(wèn)題，落實(shí)和貫徹我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，提高包裝質(zhì)量和效率的同時(shí)，最大程度上減少對(duì)環(huán)境的危害和影響，實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低耗和安全生產(chǎn)［38］。

3 結(jié)語(yǔ)

提高包裝機(jī)械自動(dòng)化程度，已成為全球包裝機(jī)械制造企業(yè)的共同需求，不僅可提高生產(chǎn)效率、適應(yīng)產(chǎn)品的更新變化、實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)診斷、預(yù)維護(hù)，亦可實(shí)現(xiàn)安全精準(zhǔn)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)全線智能化生產(chǎn)。包裝機(jī)械工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，涉及領(lǐng)域?qū)拸V，與民生息息相關(guān)。包裝機(jī)械產(chǎn)品想提高附加值、提高在國(guó)際市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力、縮短與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，必須重視包裝機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，開(kāi)展科技創(chuàng)新，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高速、優(yōu)質(zhì)、智能、環(huán)保的生產(chǎn)，推動(dòng)我國(guó)包裝機(jī)械自動(dòng)化水平不斷提高。