1. 1. 研究目的和意義

產品包裝是實現品牌創新、迅速提升市場占有速度占有率以及實現可持續發展的重要方法之一。包裝機械是指可以實現全部或者部分產品、商品包裝的機械設備。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、幹燥、殺菌、貼標等前後包裝工序，還有轉送、選別等其他輔助工序。使用包裝機械不僅可以提高生產效率，降低工人勞動強度，節約成本以實現大規模高速生產需要，還可以滿足現代工業綠色環保的需求[3]。一個國家在包裝工業上的發展水平和發達程度，已經成為該國經濟生活文明程度的重要指標之一。包裝產業包含了眾多工業領域，包括包裝產品的設計與生產，包裝材料的研製、印刷與供應，包裝機械的改良與製造等，所涉及的領域從第一到第三產業， 貨物流通、工業農業商業直至人們生活的每一個環節。包裝產業作為當今世界公認的“朝陽產業”，勢必將在推動全球製造業發展以及加速產品區域流通方麵發揮不可估量的作用。

控製係統是包裝機械的重要組成部分之一，它實現了對整個工作過程的控製、調整與監測，這其中包含：使各種工序按照設定的順序進行；對速度、溫度、壓力等參數的調控；產品質量監測，生產安全防護，包裝過程中自動計量、計數的實現；物料的供給和停止，發生故障時自動報警等功能的實現[5]。現今我國包裝機械的控製係統大多還采用繼電器控製方式，較多的元器件勢必導致控製係統和設備的可靠性和壽命大大降低，並且占據較大的物理空間。若采用 PLC 控製係統， 便可通過對其內部輔助繼電器進行編程來代替傳統的中間繼電器。由於其隻是 PLC 虛擬的內部寄存器，隻要在不超過容量許可的範圍去編寫程序，便可實現各種複雜的控製功能，極大簡化了機械和電氣結構。

PLC 即可編程序控製器是計算機與繼電器控製技術相互結合的產物，是十多年來發展最為迅猛，應用最為廣泛的自動化控製設備之一。其具有體積小、編程簡便、模塊豐富、功能強大等特點，非常適用於全自動包裝機控製係統。除此以外 PLC 還擁有更改控製功能隻需修改程序，無需對硬件配置做調整；程序可以複製，易於批量生產；可實現繼電器無法實現的多種控製功能等其他優點。雖然成本相對於繼電器控製稍高，但鑒於上述眾多優點，PLC 控製開始逐漸取代傳統的繼電器控製。

目前，它的應用幾乎涵蓋了所有工業領域，包括石化、冶金、電力、交通、航空航天、農業、新能源等等[9]。隨著計算機技術的高速發展以及對自動化程度越來越高的要求，PLC 的相關技術得到迅猛發展，各種配套產品和擴展模塊也更加豐富。隻是將可編程控製技術理解為對開關量進行控製的時代早已一去不返。各種不同廠家研發的各種類型的 PLC 及其擴展模塊不僅以良好的性能和兼容性滿足了各個行業的廣泛需求，還把通信和信息技術融合在了一起[10]。

隨著近幾十年伺服電機、步進電機、PLC、傳感器、變頻器等元件被大幅度的應用於包裝機械，包裝過程實現了高自動化、高生產率和配套性，也更加的美觀大方綠色環保。而國內包裝機械企業仍停留在規模小、數量多的階段，多以傳統製造裝備為主，製造水平低下；產品種類少而且大多缺少自主知識產權，技術含量非常低；所生產的設備效率低下且可靠性不高。未來五年，我國將進入全麵建設小康社會的發展時期，傳統機械行業將麵臨產業升級轉型。在這個大背景下， 我國包裝機械發展也會迎來新的契機與挑戰。國內包裝企業也應該緊跟國際腳步， 著力提高產品的機電一體化水平，努力研發擁有自主知識產權且適合本國國情的食品包裝機械。本文正是應用 PLC 來設計一種小型全自動立式包裝機的控製係統以實現上述優點，因而具有重要的實際意義和價值。

1. 2. 包裝機的曆史

包裝機械的發展和其他工業設備類似，與國家的經濟發達程度和人們的生活水平有直接的關係。一般來說，經濟發達國家的水平普遍高於經濟較為落後的國家，而經濟飛速發展的國家其包裝機械的水平也會得到突飛猛進的發展。

上個世紀 40 年代，西方國家在食品、火柴、卷煙等行業率先開始使用包裝機械，這其中以英國的巧克力和美國的餅幹包裝為代表，體現了當時最先進的包裝技術。50 年代，發達資本主義國家已經實現了包裝的初級自動化。這個時期的包裝機械廣泛應用光電管、電氣開關等各種電器元件。60 年代，包裝機上開始大量湧現由各種新型電子元件構成的控製係統，並且將機、電、液、氣等先進技術融合使用。在這個時期已經出現了更為先進的專用自動包裝生產線。70 年代，由於計算機技術的普及和廣泛應用，無論是單台包裝機還是自動化流水線的自動化控製都大幅提高。在此期間，美德兩國率先開始使用小型 PLC。由於 PLC 是專門為工業控製所設計，具有較強的通用性，尤其適合大批量生產的設備並且能極大提高生產效率和可靠性，所以使成本大幅下降，不論是使用還是維護都極為方便， 自此小型 PLC 便開始逐漸步入包裝機械的控製領域。

我國自解放後隨著經濟的發展，包裝工業化機械化的要求越來越迫切，包裝機械才逐漸進入工業領域。前十年是仿蘇階段，主要按照蘇聯的設備、圖紙和設計思路來進行仿製我們自己的包裝機械，這個時期主要以香煙小包裝機、糖果包裝機為代表。上世紀 60-80 年代在輕工行業和醫藥行業出現了一些包裝機型，如： 真空包裝機、捆紮機等，但由於和國際的脫軌和技術的落後，這些設備的控製基本都由強電和機械機構來完成。直到 80 年代改革開放以後，我國才迎來包裝機械的大發展時期。一方麵引進國外先進設備，另一方麵加緊K8凯发大酒店天生赢家先進技術，吸收消化並實現了國產包裝設備的技術升級和更新換代。

1. 3. 國內外發展現狀
2. 1. 1. 國外包裝機發展現狀

包裝機械更新換代快、新技術應用快、衛生要求高、精度要求高、模塊化設計是它的主要特點。世界上很多高新技術和科研成果，都會在包裝機械中得到或多或少的應用和體現。

自上世紀 80 年代至今，包裝機械行業大量采用新生的各種高精尖技術，比如微電子、激光、超聲波、熱管以及光電纖維等，湧現出了一些新特點：一是生產高效率，可靠性好；二是對資源的高度綜合利用，倡導發展循環經濟；三是重視節約能源降低消耗；四是注意將各種高新技術實用化，迅速的應用在本領域以進一步提高生產率；五是從業人員不斷減少的同時，產值不斷提高，品種眾多能滿足各種要求。

美國所生產的包裝機械基本都以大型高速為特色，產量和種類均居世界第一。和美國的其他工業產品一樣，其包裝機械也以高、大、精、尖為主要特點，計算機控製與機械設備聯係密切，能夠到達高度的機電一體化[12]。美國包裝工業已經形成了由包裝材料、工藝和設備組成的一整套獨立的工業體係，其自動化程序已經廣泛應用在許多先進的包裝控製係統中，步入了融合機電一體化、激光掃描、納米等高新技術的包裝新世界，引領和代表了先進包裝設備與控製係統的走向。美國將在今後把工業機器人、圖像傳感等新技術更加廣泛的應用在包裝行業中， 進一步提高其自動化、高效率化、規模化和節能化[13]。

德國的食品包裝機械和德國其他工業產品一樣譽滿全球。產品以高速、高可靠性、高質量、高自動化、高成套性為主要特點，特別是液體灌裝生產線和大型製袋、填充、熱封包裝機在世界市場占據了主導地位。近年來由一些大公司研發並製造的設備集機、電、儀表、觸摸屏、上位機控製於一體，應用光電傳感技術， 以光標實現控製，安全設施齊全，配備防靜電裝置。

日本是包裝機械的後起之秀，在二戰後經濟高速發展並於上個世紀 70 年代初期便達到並趕超了世界先進水平。其發展速度快的主要原因是日本善於引進、仿製，在吸收消化先進技術後能不斷創新且善於經營。日本的行業企業主要是中小企業，以中小型單台包裝機為主，占地小、精度高。90 年代以來，隨著無極變頻、光電傳感器、實時數據采集與顯示、人機界麵等技術的運用，其食品包裝機械產值占到行業總產值一半以上 。

意大利的包裝機械大多應用於食品行業，其產品靈活、技術先進、外型美觀、價格公道。產品的 80%出口，受到了全世界的青睞[13]。

除上述四個發達國家以外，瑞典、加拿大等國的包裝機械行業也較為發達。這些發達國家一邊進行基礎技術研發，一邊生產更加專業化的產品以適應市場需求，如美國某公司的封罐機、德國某公司的啤酒灌裝機（頭數多、速度快、計量精確）、某公司的無菌包裝機（成本低、維護簡便、隻需一人操作）等。

1. 國內包裝機發展現狀

近年來，世界包裝機械需求在以每年 5.3%的速度遞增，2005 年就已經實現產值 290 億美元。經濟發展最快的是發展中國家和地區，因而包裝設備生產的主要增長點也來自這些地方[15]。至今，國內食品包裝機械研發和生產企業共有六千餘家，種類接近兩千種。據統計，在這六千餘家企業裏，年銷售額過億的僅十幾家， 超過三千萬元的也隻有 50 家左右； 80%-90%都是民營和股份製企業，合資和獨資僅占 10%-20%，而國有企業屈指可數。由於規模較小，研發生產能力較差，資金少等原因，導致每年有近 15%的企業轉產或倒閉或新加入[16]。大部分企業的產品種類單一，隻有極少數能夠實現批量製造，而且我國包裝機械的產品結構發展也很不均衡，飲料、煙草、食品以及其他輕工業使用的設備占了絕大多數，而化工、冶金、建材以及糧食加工等行業設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能力的增加和製造業能力的不斷提升， 我國食品包裝機械與世界水平的差距正在逐漸縮小，少部分產品已經接近世界先進水平[18]。如杭州某有限公司自主研發並擁有知識產權的最高速度達到四萬杯/小時的酸奶製杯灌裝生產線；廣州某公司具有自主知識產權的製瓶能力可達每小時三萬三千瓶的 PET 吹瓶機已投放市場並形成產業鏈；中國某機械總公司研發的高壓殺菌生產線已經投放市場，供不應求廣受好評，並獲得了國家科技進步二等獎[13]。

隨著我國的經濟和生活水平的提高，人們對包裝的要求也越來越高。近年來， 各種小包裝產品愈發受到青睞，所以小型立式的顆粒、粉末、液體包裝機產銷量越來越大。立式自動包裝機於上世紀 80 年代初從國外引進，因在包裝過程中包裝材料走向垂直於水平方向而得名。它具有體積小、結構簡便、易於操作、物美價廉等顯著特點，因而在食品包裝中應用廣泛。國內各廠家生產的立式自動包裝機一般由計量充填、供膜、熱封製袋和切斷等裝置組成，在機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、人機界麵、光標傳感器等電氣設備，與傳統的主要由繼電器構成的控製係統相比具有明顯優勢，大大提高了設備可靠性，操作頁麵簡潔，可以實現溫度、速度等參數調節的智能控製，實現從計量充填、牽引、熱封、切斷的全自動包裝，並且其售價低廉，在兩萬至五萬之間，普通老百姓或者小型企業完全可以承受。

當前國內外包裝機械共同的發展趨勢為：高速、高效、高質量。重點在於節能降耗、提高包裝質量、重視可靠性、自控水平高、結構緊湊。據調查，現有的包裝機控製係統普遍還存在以下問題：

1. 包裝材料輸送速度難以控製，因為輸送速度不穩定會造成袋長精度嚴重下降：在一個供膜周期的開始和末尾，膜卷的直徑變化較大，此時轉動慣量的變化會導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定。
   2. 包裝速度低：目前國產包裝機的包裝速度，小包在每分鍾五十到一百袋之間，而且超過每分鍾六十袋時精度將會下降；中包為每分鍾三十到五十袋。而進口設備的速度已經達到小包每分鍾一千二百袋，中包每分鍾一百六十袋。
   3. 封口質量難以保證。包括外觀質量，封口強度，因為靜電作用內壁吸附顆粒物導致封口不嚴以及橫封機構運動不合理導致封口質量問題。

需要吸收國際領先的知識和技術，加快創新，將先進概念和理念引入食品包裝機械中，早日解決在設計開發和製造過程中出現的產品種類少、不夠節能環保、通用性不強等諸多問題[24]。傳統的繼電器控製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成，弊端是係統一旦連接完成再想更改便會非常困難。與之相比，PLC 是利用內部存儲器空間將所設計的控製程序用數據形式進行保存，如果要改變原有的控製功能或進行擴展，則隻需直接編輯 PLC 程序即可。由於 PLC 和外部的聯係是通過其 I/O 點實現的，如果輸入輸出對象沒有發生更改，就無需對硬線連接部分作改動。

繼電器控製主要依靠觸點動作，頻率低，周期較長。而 PLC 是以微機為基礎來實現控製功能，其每個指令步數的響應時間和運行速度僅僅才為 10 微秒，更為先進的高速 PLC 這個指標能達到 5 微秒甚至更快。對於延時控製，傳統係統通過時間繼電器觸點的延時動作來實現，精度偏低，調整起來也極為不便。PLC 則由晶振產生的脈衝信號經過多次分頻得到的時基脈衝進行計數從而實現定時功能， 一般以 100 毫秒作為單位，精度高的可以達到 10 毫秒，隻需根據要求給程序中的定時器寫入常數便可以對延時進行設置。若僅對時基脈衝進行計數而不計算時間， 定時器也就演變成了計數器。

除此以外采用 PLC 控製的設備體積、功耗、噪音明顯減小，壽命更長、可靠性顯著提高，程序還帶有監控與自我檢測功能，使其運行更加一目了然。單片機配置相對簡單，適用於不太複雜的自動化項目，但其仍不適用於工業控製。單片機存在著編程語言複雜、接口工作繁瑣、可靠性較差等缺點，硬件上受 CPU、內存及接口限製，軟件上受限於和 CPU 類型有關的編程語言，通用性、兼容性與擴展性都比較差。盡管在數據處理上有優勢，但鑒於工業控製多為開關量，因此它的特點無法得到充分發揮 [6、7]。因此，PLC 具有良好的環境適應性。