包装机械自动化技术研究进展

李晓刚

（北京林业大学，北京 100083）

0 引言

从20世纪末开始，为了满足市场多样性、个性化的需求，包装机械在生产率、可靠性、自动化水平、成套性程度以及质量等方面的要求越来越突出［1］。要满足社会市场的需求，实现包装工业现代化、信息化，在国民经济中能够占据重要地位，包装机械行业的发展离不开自动化技术，具有创新性、智能化、自动化功能的包装机械将成为未来的主流［2］。

自动化技术在我国包装机械行业应用广泛，本文对一些先进自动化控制技术的应用和发展趋势进行了综述。

1 研究现状

1.1 控制系统

1.1.1 单片机

包装机械控制系统中应用最早的是单片机，毛雷等［3］利用MCS8051单片机控制器调节送纸速度，并控制液态奶枕式包装纸的封切位置从而实现了包装机连续自动定位的目的。刘茹［4］设计了8031单片机控制系统实现了固体小颗粒或粉末状物料的高精度定量包装。孙英［5］等采用STM32单片机作为控制单元，采集快递包裹箱实时位置、箱内温湿度等信息。由于受工艺、布局结构、器件质量等因素的影响，单片机存在抗干扰能力差、故障率高、扩展性差、对环境依赖性强、开发周期长等缺点。

1.1.2 编程逻辑控制器

PLC是一种可编程逻辑控制器，其硬件结构与微型计算机基本相同。利用PLC可以实现包装生产线的称重控制、装袋控制、转位输送控制、计数功能、温度控制等。康思闻［6］等利用西门子S7-200系列PLC编写模块化程序，实现硬币包装生产线上硬币的输送、检伪、计数和包卷等功能。樊勇等通过西门子S7-1200系列PLC高速计数器指令读取旋转编码器转角控制各执行机构的动作。柴三中等利用PLC控制器与各行程开关状态电压连接，控制纸盒包装机的各个工艺，保证动作协调配合［7-8］。张俊［9］等利用 PLC 设定和比较下料量，配合模糊PID控制算法，并实现精确定量下料动作。蔡振宇［10］依据饮料灌装流水线的工艺操作流程以及生产实际需求编写PLC控制程序，完成了PLC控制系统的升级改造，实现饮料液体瓶的抓起、抬高、装箱、复位等工作，消除了传统控制方式抗干扰性差的缺点。

1.1.3 分散型控制系统

DCS（Distributed Control System）是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术。

包装工艺过程繁多复杂，为了保证包装产品质量合格，需要控制并监控的过程和参数众多，因此DCS适合于大型包装生产线的监控与管理。段文军［11］等基于DCS的控制方式设计了全自动高岭土灌装、码拆垛循环控制系统，实现了高岭土全自动化生产过程，该系统运行稳定可靠。胡连华［12］等设计了纸卷包装机控制系统，该系统以西门子PLC为主站，工业机器人为从站，通过PROFIBUS-DP协议与西门子纸卷包装DCS系统通信，实现了取放纸卷封头和包装过程的全自动化。阮宇［13］设计了DCS系列的智能型定量包装称重系统，悬臂梁式称重传感器将物料重量信息转换为电压信号，经过放大和A/D转换为数字信号，计算机进行处理和分析后发出控制信号以控制电磁阀工作。

1.1.4 PC-base

PC-base（Personnel Computer-base）这 种 基于个人电脑的控制方式相比PLC更适合于设备运行状态的监控，在包装设备中的应用也更加广泛。郑小珍［14］等利用BECKHOFF工业计算机的控制技术，设计了创新烟草包装机基于IPC的控制系统，该系统具有超强的计算处理能力，功能完善且可操作性强。孙华强［15］指出采用基于PC控制技术的开放式自动化系统将逐渐成为烟草包装机械控制系统的主流，令烟草包装机械更加安全、高效、智能化、人性化和柔性化。

1.1.5 现场总线技术

现场总线技术是将现场设备与工业过程控制单元、现场操作站等互联而成的计算机网络，是工业控制网络向现场发展的产物［16］。传统包装生产线控制系统主要以单机自动化为主，单机之间不能实时进行数据交换，其他设备无法对变化的参数做出及时响应，导致生产线工作停止，严重影响生产协调性、稳定性和生产效率。现场总线技术特别适合包装生产线的综合控制、管理与监控。尤其是PROFIBUS现场总线技术应用最多，广泛应用于铜板、化肥水泥、药品、啤酒等包装生产线控制系统。强明辉［17］等设计研制了以PROFIBUS主站为服务器，PLC、电子秤、喷码贴标等为DP从站，并加载到主站上，构成PROFIBUSDP控制系统，利用客户端软件通过服务器读写从站数据，从而实现系统运行状态的监视和控制。杨红亮［18］等开发了基于PROFIBUS-DP通讯的全自动减量式称重灌装机控制系统，该系统基于时间反馈和重量反馈的双闭环控制算法，可实时调整比例因子以测试灌装精度及速度。CAN现场总线适用于实时性要求很高的小型网络，数据通信可靠性、实时性和灵活性更突出，目前在定量包装秤以及粮食、食品、药品包装生产线上得到了成熟的应用。周娅［19］等设计了基于CAN总线的全自动电子定量包装秤，该系统的主节点和从节点控制以及数据均通过CAN总线传输，实现系统底层模块与工控计算机的通信。解军艳［20］等选择CAN总线为智能控制系统的一个节点，选取AT89C51为控制模块进行数据分析和处理，监控模块通过CAN总线将实时数据发送到远程，可以及时监控、调整和发现异常。

1.1.6 可编程自动化控制器

由于PLC或PC对于复杂应用的解决能力均有限，因此根据用户以及制造商的多种需求，新型控制器 PAC（Programmable Automation Controller）被设计并开发出来，这种控制器能够将PLC和PC的特性最佳地结合到一起，可实现多控制任务且控制引擎集中，继承了传统PLC的优点，又融合了PC机的灵活性和处理能力。李明达［21］等设计了以PAC为控制系统的分拣机构，编写程序，实现软硬件之间的通信连接，从而实现5个模块的动作以完成自动分拣任务。王柱［22］等为银行自动化立体仓库设计了以CPAC为核心的控制系统，该系统通过不同接口及嵌入式操作系统，控制6个伺服电机运动，从而实现货架货物的精准存取货动作。目前PAC广泛应用于工业领域各个行业，但在包装机械领域应用较少。

1.2 传感器技术

传感器是包装机械实现自动化必不可少的器件，灌装生产线中主要应用传感器进行动态称重或液位检测，液位检测可以采用超声波传感器、电容式传感器等，动态或实时称重则通常采用电磁式传感器。周根荣［23］等采用高精度称重传感器实时采集灌装重量，采用光电开关检测空桶是否到位，采用超声波传感器在线监测灌装液位高度。雷冬［24］等使用电磁力式传感器实现高精度秤台的静动态测量。温度传感器多用于制袋包装机中的热封工艺以控制不同塑料薄膜热封时所需的适宜温度。张苏新等［25］选用热电偶式传感器控制并稳定热封所需温度。光电传感器在包装机械中多用于光标定位、产品检测与计数、产品包装外观及缺陷检测、包材跑偏检测、薄膜位置控制等。蔡燚［26］等在板式家具自动化包装生产线的封箱机入口处和出口处设置了光电传感器检测纸箱到位以完成封箱操作。龚元［27］利用光电传感器检测卷烟包装生产过程中的缺支、反包、铝箔纸错位、拉线错口、翘边和卡纸脱落烟包等问题。乔建军［28］等均选用反射型光纤光电传感器检测香烟条盒片是否到位以及烟包外观是否变形。李效飞［29］利用红外光电传感器用于香烟包装机组中的烟支检测以及烟包完整性检测。光电传感器检测方法精度高，反应快，广泛应用于轻工行业。

1.3 机器视觉技术

近年来机器视觉技术快速发展，在包装工业自动化检测中的应用也越来越广泛，其优势是利用视觉传感器直观、准确地检测外观质量，大大提高生产效率和自动化程度。冯玉［30］设计了视觉检测系统，利用摄像头采集烟包图像，并对图像进行处理，以此剔除不合格烟包。金怀国［31］等采用光学镜头采集烟包堆叠位置的图像，经过处理后的图像与烟包堆叠完好的图像进行对比以此检测堆叠烟包是否缺失。李萌［32］等利用工业相机获取生产线上铝塑药品包装的原始图像，经过图像处理和阈值分割，提取面积、周长、圆形度等目标特征与标准值进行比较，检测药品包装是否漏检、误检等。黄志平［33］等采用双工业相机拍摄炸药药卷图像，经过图像处理后，提取药卷轮廓尺寸的长度、宽度以及长宽比等3个参数，作为缺陷特征进行检测分类。胡浩［34］针对饮料灌装生产线上瓶盖封装缺陷和饮料灌装质量问题，设计了基于机器视觉的饮料瓶检测及抓取系统，核心部分是选用CCD相机获取饮料瓶图像，以此检测瓶盖封装缺陷和灌装液位是否达标。目前机器视觉技术广泛应用于饮料、烟草、药品、炸药、包装容器的外观质量缺陷检测以及食品的分级分拣等。

2 我国包装机械自动化技术特点及发展趋势

目前，我国包装机械品种和产量赶超世界先进国家，功能越来越完善和多样化，升级换代也越来越快，且具有良好的柔性和灵活性。面对国外产品的冲击，我国也加大力度研发成套包装生产线，自动化技术呈现多样性特点，水平不断提高。

2.1 特点

（1）自动化控制技术不再单一。目前我国包装机械上使用的自动化技术和产品种类越来越多，技术水平也越来越高，例如单片机、PLC、现场总线、变频器、伺服电机、步进电机、运动控制器、触摸屏、显示器、传感器以及机器视觉等技术，这些自动化产品具有结构简单、编程容易、操作方便、精度高、可靠性高、自动化程度高、配套能力高、应用广泛等优点［35］。

（2）包装机械机电一体化技术。将机械、电子、信息、检测等有关技术进行有机组合，实现整体最佳化，可实现包装机械能够感知各种参数的变化，完成各种包装动作，从而达到包装机械高度自动化和柔性化控制。从我国包装机械自动化技术研究现状可以看出，各种控制技术及产品的完美结合实现了完善和强大的功能，对包装机械的各种工序、参数以及生产线中各单机之间的协调配合和网络通信等实现了精确、高效的监视、检测与控制。

（3）自动化控制技术应用范围广。目前自动化控制技术广泛应用于食品、药品、啤酒、饮料、化妆品、化工、日用品、电子、家具建材、汽车配件等大大小小、各式各样产品的包装机械以及物流机械上，实现称重、计数、制袋、封切、定位、纠偏、监视、检测、温控、协调、通信、联网等功能。

2.2 发展趋势

我国包装机械及其自动化技术目前仍然存在产品规模小、产值低，品种少、精度低、性能低、稳定性和可靠性较差、外观粗糙不细致等问题和缺点。针对以上问题和缺点，希望进一步提高我国包装机械自动化技术水平，提高市场竞争力，在客观上促进我国包装机械发展。

（1）改变思想观念。自动化技术改变着包装机械行业的制造方法及产品传输方式，极大提高包装系统生产效率和产品质量，有效减轻劳动强度，降低能源消耗。因此，包装机械制造商要根本转变思想观念，加强自主创新，推进新产品开发，促进科技成果转化，才有可能实现我国包装机械自动化技术水平质的飞跃。

（2）坚持自主创新。目前国产PLC在抗干扰、扩展性、适应性方面已具有较高水平，但与知名国际品牌相比，在实时性、可靠性和稳定性上还存在一定差距。在未来几年，PLC仍然是包装机械控制系统主流，因此，坚持开发具有自主知识产权的PLC产品和技术，才能更好促进我国包装机械行业的自动化发展。

（3）模块化。模块化设计可以应对市场变化和客户需求，把控制系统切换到不同的生产需求状态下，实现自动化生产。这种设计手段是根据不同的功能需求选择相应的模块，进行综合，设计出来的产品柔性程度高，可以实现小批量生产，降低了设计制造成本，有利于提高自动化程度［36］。

（4）数据共享和远程维护技术。通过硬件的连接、软件的数据交换和传输，包装机械可形成一个数据网络系统。通过这个网络可以实现生产线中上下游的生产情况监视、控制、交换，调整，保证生产过程正常可靠有序地进行，亦可进行远程监控，在线解决机器故障［37］。

（5）环保化。在可持续发展的环保大环境下，自动化包装技术和设备也应符合绿色、环保的发展方向。技术人员要加大研究力度，处理和改善包装机械运行噪声、粉尘和废弃物等问题，落实和贯彻我国可持续发展战略，提高包装质量和效率的同时，最大程度上减少对环境的危害和影响，实现高效、优质、低耗和安全生产［38］。

3 结语

提高包装机械自动化程度，已成为全球包装机械制造企业的共同需求，不仅可提高生产效率、适应产品的更新变化、实现设备故障预诊断、预维护，亦可实现安全精准检测，实现全线智能化生产。包装机械工业在国民经济中占有重要地位，涉及领域宽广，与民生息息相关。包装机械产品想提高附加值、提高在国际市场中的竞争力、缩短与欧美等发达国家之间的差距，必须重视包装机械自动化技术，开展科技创新，提高产品质量，实现高速、优质、智能、环保的生产，推动我国包装机械自动化水平不断提高。