包裝機械自動化技術研究進展

李曉剛

（北京林業大學，北京 100083）

0 引言

從20世紀末開始，為了滿足市場多樣性、個性化的需求，包裝機械在生產率、可靠性、自動化水平、成套性程度以及質量等方面的要求越來越突出［1］。要滿足社會市場的需求，實現包裝工業現代化、信息化，在國民經濟中能夠占據重要地位，包裝機械行業的發展離不開自動化技術，具有創新性、智能化、自動化功能的包裝機械將成為未來的主流［2］。

自動化技術在我國包裝機械行業應用廣泛，本文對一些先進自動化控制技術的應用和發展趨勢進行了綜述。

1 研究現狀

1.1 控制系統

1.1.1 單片機

包裝機械控制系統中應用最早的是單片機，毛雷等［3］利用MCS8051單片機控制器調節送紙速度，并控制液態奶枕式包裝紙的封切位置從而實現了包裝機連續自動定位的目的。劉茹［4］設計了8031單片機控制系統實現了固體小顆粒或粉末狀物料的高精度定量包裝。孫英［5］等采用STM32單片機作為控制單元，采集快遞包裹箱實時位置、箱內溫濕度等信息。由于受工藝、布局結構、器件質量等因素的影響，單片機存在抗干擾能力差、故障率高、擴展性差、對環境依賴性強、開發周期長等缺點。

1.1.2 編程邏輯控制器

PLC是一種可編程邏輯控制器，其硬件結構與微型計算機基本相同。利用PLC可以實現包裝生產線的稱重控制、裝袋控制、轉位輸送控制、計數功能、溫度控制等。康思聞［6］等利用西門子S7-200系列PLC編寫模塊化程序，實現硬幣包裝生產線上硬幣的輸送、檢偽、計數和包卷等功能。樊勇等通過西門子S7-1200系列PLC高速計數器指令讀取旋轉編碼器轉角控制各執行機構的動作。柴三中等利用PLC控制器與各行程開關狀態電壓連接，控制紙盒包裝機的各個工藝，保證動作協調配合［7-8］。張?。?］等利用 PLC 設定和比較下料量，配合模糊PID控制算法，并實現精確定量下料動作。蔡振宇［10］依據飲料灌裝流水線的工藝操作流程以及生產實際需求編寫PLC控制程序，完成了PLC控制系統的升級改造，實現飲料液體瓶的抓起、抬高、裝箱、復位等工作，消除了傳統控制方式抗干擾性差的缺點。

1.1.3 分散型控制系統

DCS（Distributed Control System）是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機、通信、顯示和控制等4C技術。

包裝工藝過程繁多復雜，為了保證包裝產品質量合格，需要控制并監控的過程和參數眾多，因此DCS適合于大型包裝生產線的監控與管理。段文軍［11］等基于DCS的控制方式設計了全自動高嶺土灌裝、碼拆垛循環控制系統，實現了高嶺土全自動化生產過程，該系統運行穩定可靠。胡連華［12］等設計了紙卷包裝機控制系統，該系統以西門子PLC為主站，工業機器人為從站，通過PROFIBUS-DP協議與西門子紙卷包裝DCS系統通信，實現了取放紙卷封頭和包裝過程的全自動化。阮宇［13］設計了DCS系列的智能型定量包裝稱重系統，懸臂梁式稱重傳感器將物料重量信息轉換為電壓信號，經過放大和A/D轉換為數字信號，計算機進行處理和分析后發出控制信號以控制電磁閥工作。

1.1.4 PC-base

PC-base（Personnel Computer-base）這 種 基于個人電腦的控制方式相比PLC更適合于設備運行狀態的監控，在包裝設備中的應用也更加廣泛。鄭小珍［14］等利用BECKHOFF工業計算機的控制技術，設計了創新煙草包裝機基于IPC的控制系統，該系統具有超強的計算處理能力，功能完善且可操作性強。孫華強［15］指出采用基于PC控制技術的開放式自動化系統將逐漸成為煙草包裝機械控制系統的主流，令煙草包裝機械更加安全、高效、智能化、人性化和柔性化。

1.1.5 現場總線技術

現場總線技術是將現場設備與工業過程控制單元、現場操作站等互聯而成的計算機網絡，是工業控制網絡向現場發展的產物［16］。傳統包裝生產線控制系統主要以單機自動化為主，單機之間不能實時進行數據交換，其他設備無法對變化的參數做出及時響應，導致生產線工作停止，嚴重影響生產協調性、穩定性和生產效率?，F場總線技術特別適合包裝生產線的綜合控制、管理與監控。尤其是PROFIBUS現場總線技術應用最多，廣泛應用于銅板、化肥水泥、藥品、啤酒等包裝生產線控制系統。強明輝［17］等設計研制了以PROFIBUS主站為服務器，PLC、電子秤、噴碼貼標等為DP從站，并加載到主站上，構成PROFIBUSDP控制系統，利用客戶端軟件通過服務器讀寫從站數據，從而實現系統運行狀態的監視和控制。楊紅亮［18］等開發了基于PROFIBUS-DP通訊的全自動減量式稱重灌裝機控制系統，該系統基于時間反饋和重量反饋的雙閉環控制算法，可實時調整比例因子以測試灌裝精度及速度。CAN現場總線適用于實時性要求很高的小型網絡，數據通信可靠性、實時性和靈活性更突出，目前在定量包裝秤以及糧食、食品、藥品包裝生產線上得到了成熟的應用。周婭［19］等設計了基于CAN總線的全自動電子定量包裝秤，該系統的主節點和從節點控制以及數據均通過CAN總線傳輸，實現系統底層模塊與工控計算機的通信。解軍艷［20］等選擇CAN總線為智能控制系統的一個節點，選取AT89C51為控制模塊進行數據分析和處理，監控模塊通過CAN總線將實時數據發送到遠程，可以及時監控、調整和發現異常。

1.1.6 可編程自動化控制器

由于PLC或PC對于復雜應用的解決能力均有限，因此根據用戶以及制造商的多種需求，新型控制器 PAC（Programmable Automation Controller）被設計并開發出來，這種控制器能夠將PLC和PC的特性最佳地結合到一起，可實現多控制任務且控制引擎集中，繼承了傳統PLC的優點，又融合了PC機的靈活性和處理能力。李明達［21］等設計了以PAC為控制系統的分揀機構，編寫程序，實現軟硬件之間的通信連接，從而實現5個模塊的動作以完成自動分揀任務。王柱［22］等為銀行自動化立體倉庫設計了以CPAC為核心的控制系統，該系統通過不同接口及嵌入式操作系統，控制6個伺服電機運動，從而實現貨架貨物的精準存取貨動作。目前PAC廣泛應用于工業領域各個行業，但在包裝機械領域應用較少。

1.2 傳感器技術

傳感器是包裝機械實現自動化必不可少的器件，灌裝生產線中主要應用傳感器進行動態稱重或液位檢測，液位檢測可以采用超聲波傳感器、電容式傳感器等，動態或實時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時采集灌裝重量，采用光電開關檢測空桶是否到位，采用超聲波傳感器在線監測灌裝液位高度。雷冬［24］等使用電磁力式傳感器實現高精度秤臺的靜動態測量。溫度傳感器多用于制袋包裝機中的熱封工藝以控制不同塑料薄膜熱封時所需的適宜溫度。張蘇新等［25］選用熱電偶式傳感器控制并穩定熱封所需溫度。光電傳感器在包裝機械中多用于光標定位、產品檢測與計數、產品包裝外觀及缺陷檢測、包材跑偏檢測、薄膜位置控制等。蔡燚［26］等在板式家具自動化包裝生產線的封箱機入口處和出口處設置了光電傳感器檢測紙箱到位以完成封箱操作。龔元［27］利用光電傳感器檢測卷煙包裝生產過程中的缺支、反包、鋁箔紙錯位、拉線錯口、翹邊和卡紙脫落煙包等問題。喬建軍［28］等均選用反射型光纖光電傳感器檢測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組中的煙支檢測以及煙包完整性檢測。光電傳感器檢測方法精度高，反應快，廣泛應用于輕工行業。

1.3 機器視覺技術

近年來機器視覺技術快速發展，在包裝工業自動化檢測中的應用也越來越廣泛，其優勢是利用視覺傳感器直觀、準確地檢測外觀質量，大大提高生產效率和自動化程度。馮玉［30］設計了視覺檢測系統，利用攝像頭采集煙包圖像，并對圖像進行處理，以此剔除不合格煙包。金懷國［31］等采用光學鏡頭采集煙包堆疊位置的圖像，經過處理后的圖像與煙包堆疊完好的圖像進行對比以此檢測堆疊煙包是否缺失。李萌［32］等利用工業相機獲取生產線上鋁塑藥品包裝的原始圖像，經過圖像處理和閾值分割，提取面積、周長、圓形度等目標特征與標準值進行比較，檢測藥品包裝是否漏檢、誤檢等。黃志平［33］等采用雙工業相機拍攝炸藥藥卷圖像，經過圖像處理后，提取藥卷輪廓尺寸的長度、寬度以及長寬比等3個參數，作為缺陷特征進行檢測分類。胡浩［34］針對飲料灌裝生產線上瓶蓋封裝缺陷和飲料灌裝質量問題，設計了基于機器視覺的飲料瓶檢測及抓取系統，核心部分是選用CCD相機獲取飲料瓶圖像，以此檢測瓶蓋封裝缺陷和灌裝液位是否達標。目前機器視覺技術廣泛應用于飲料、煙草、藥品、炸藥、包裝容器的外觀質量缺陷檢測以及食品的分級分揀等。

2 我國包裝機械自動化技術特點及發展趨勢

目前，我國包裝機械品種和產量趕超世界先進國家，功能越來越完善和多樣化，升級換代也越來越快，且具有良好的柔性和靈活性。面對國外產品的沖擊，我國也加大力度研發成套包裝生產線，自動化技術呈現多樣性特點，水平不斷提高。

2.1 特點

（1）自動化控制技術不再單一。目前我國包裝機械上使用的自動化技術和產品種類越來越多，技術水平也越來越高，例如單片機、PLC、現場總線、變頻器、伺服電機、步進電機、運動控制器、觸摸屏、顯示器、傳感器以及機器視覺等技術，這些自動化產品具有結構簡單、編程容易、操作方便、精度高、可靠性高、自動化程度高、配套能力高、應用廣泛等優點［35］。

（2）包裝機械機電一體化技術。將機械、電子、信息、檢測等有關技術進行有機組合，實現整體最佳化，可實現包裝機械能夠感知各種參數的變化，完成各種包裝動作，從而達到包裝機械高度自動化和柔性化控制。從我國包裝機械自動化技術研究現狀可以看出，各種控制技術及產品的完美結合實現了完善和強大的功能，對包裝機械的各種工序、參數以及生產線中各單機之間的協調配合和網絡通信等實現了精確、高效的監視、檢測與控制。

（3）自動化控制技術應用范圍廣。目前自動化控制技術廣泛應用于食品、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、各式各樣產品的包裝機械以及物流機械上，實現稱重、計數、制袋、封切、定位、糾偏、監視、檢測、溫控、協調、通信、聯網等功能。

2.2 發展趨勢

我國包裝機械及其自動化技術目前仍然存在產品規模小、產值低，品種少、精度低、性能低、穩定性和可靠性較差、外觀粗糙不細致等問題和缺點。針對以上問題和缺點，希望進一步提高我國包裝機械自動化技術水平，提高市場競爭力，在客觀上促進我國包裝機械發展。

（1）改變思想觀念。自動化技術改變著包裝機械行業的制造方法及產品傳輸方式，極大提高包裝系統生產效率和產品質量，有效減輕勞動強度，降低能源消耗。因此，包裝機械制造商要根本轉變思想觀念，加強自主創新，推進新產品開發，促進科技成果轉化，才有可能實現我國包裝機械自動化技術水平質的飛躍。

（2）堅持自主創新。目前國產PLC在抗干擾、擴展性、適應性方面已具有較高水平，但與知名國際品牌相比，在實時性、可靠性和穩定性上還存在一定差距。在未來幾年，PLC仍然是包裝機械控制系統主流，因此，堅持開發具有自主知識產權的PLC產品和技術，才能更好促進我國包裝機械行業的自動化發展。

（3）模塊化。模塊化設計可以應對市場變化和客戶需求，把控制系統切換到不同的生產需求狀態下，實現自動化生產。這種設計手段是根據不同的功能需求選擇相應的模塊，進行綜合，設計出來的產品柔性程度高，可以實現小批量生產，降低了設計制造成本，有利于提高自動化程度［36］。

（4）數據共享和遠程維護技術。通過硬件的連接、軟件的數據交換和傳輸，包裝機械可形成一個數據網絡系統。通過這個網絡可以實現生產線中上下游的生產情況監視、控制、交換，調整，保證生產過程正常可靠有序地進行，亦可進行遠程監控，在線解決機器故障［37］。

（5）環?；?。在可持續發展的環保大環境下，自動化包裝技術和設備也應符合綠色、環保的發展方向。技術人員要加大研究力度，處理和改善包裝機械運行噪聲、粉塵和廢棄物等問題，落實和貫徹我國可持續發展戰略，提高包裝質量和效率的同時，最大程度上減少對環境的危害和影響，實現高效、優質、低耗和安全生產［38］。

3 結語

提高包裝機械自動化程度，已成為全球包裝機械制造企業的共同需求，不僅可提高生產效率、適應產品的更新變化、實現設備故障預診斷、預維護，亦可實現安全精準檢測，實現全線智能化生產。包裝機械工業在國民經濟中占有重要地位，涉及領域寬廣，與民生息息相關。包裝機械產品想提高附加值、提高在國際市場中的競爭力、縮短與歐美等發達國家之間的差距，必須重視包裝機械自動化技術，開展科技創新，提高產品質量，實現高速、優質、智能、環保的生產，推動我國包裝機械自動化水平不斷提高。