1. 1. 研究目的和意义

产品包装是实现品牌创新、迅速提升市场占有速度占有率以及实现可持续发展的重要方法之一。包装机械是指可以实现全部或者部分产品、商品包装的机械设备。而这个包装过程主要包含了包装材料的成型、物料的填充、裹包和封口等步骤和清洗、干燥、杀菌、贴标等前后包装工序，还有转送、选别等其他辅助工序。使用包装机械不仅可以提高生产效率，降低工人劳动强度，节约成本以实现大规模高速生产需要，还可以满足现代工业绿色环保的需求[3]。一个国家在包装工业上的发展水平和发达程度，已经成为该国经济生活文明程度的重要指标之一。包装产业包含了众多工业领域，包括包装产品的设计与生产，包装材料的研制、印刷与供应，包装机械的改良与制造等，所涉及的领域从第一到第三产业， 货物流通、工业农业商业直至人们生活的每一个环节。包装产业作为当今世界公认的“朝阳产业”，势必将在推动全球制造业发展以及加速产品区域流通方面发挥不可估量的作用。

控制系统是包装机械的重要组成部分之一，它实现了对整个工作过程的控制、调整与监测，这其中包含：使各种工序按照设定的顺序进行；对速度、温度、压力等参数的调控；产品质量监测，生产安全防护，包装过程中自动计量、计数的实现；物料的供给和停止，发生故障时自动报警等功能的实现[5]。现今我国包装机械的控制系统大多还采用继电器控制方式，较多的元器件势必导致控制系统和设备的可靠性和寿命大大降低，并且占据较大的物理空间。若采用 PLC 控制系统， 便可通过对其内部辅助继电器进行编程来代替传统的中间继电器。由于其只是 PLC 虚拟的内部寄存器，只要在不超过容量许可的范围去编写程序，便可实现各种复杂的控制功能，极大简化了机械和电气结构。

PLC 即可编程序控制器是计算机与继电器控制技术相互结合的产物，是十多年来发展最为迅猛，应用最为广泛的自动化控制设备之一。其具有体积小、编程简便、模块丰富、功能强大等特点，非常适用于全自动包装机控制系统。除此以外 PLC 还拥有更改控制功能只需修改程序，无需对硬件配置做调整；程序可以复制，易于批量生产；可实现继电器无法实现的多种控制功能等其他优点。虽然成本相对于继电器控制稍高，但鉴于上述众多优点，PLC 控制开始逐渐取代传统的继电器控制。

目前，它的应用几乎涵盖了所有工业领域，包括石化、冶金、电力、交通、航空航天、农业、新能源等等[9]。随着计算机技术的高速发展以及对自动化程度越来越高的要求，PLC 的相关技术得到迅猛发展，各种配套产品和扩展模块也更加丰富。只是将可编程控制技术理解为对开关量进行控制的时代早已一去不返。各种不同厂家研发的各种类型的 PLC 及其扩展模块不仅以良好的性能和兼容性满足了各个行业的广泛需求，还把通信和信息技术融合在了一起[10]。

随着近几十年伺服电机、步进电机、PLC、传感器、变频器等元件被大幅度的应用于包装机械，包装过程实现了高自动化、高生产率和配套性，也更加的美观大方绿色环保。而国内包装机械企业仍停留在规模小、数量多的阶段，多以传统制造装备为主，制造水平低下；产品种类少而且大多缺少自主知识产权，技术含量非常低；所生产的设备效率低下且可靠性不高。未来五年，我国将进入全面建设小康社会的发展时期，传统机械行业将面临产业升级转型。在这个大背景下， 我国包装机械发展也会迎来新的契机与挑战。国内包装企业也应该紧跟国际脚步， 着力提高产品的机电一体化水平，努力研发拥有自主知识产权且适合本国国情的食品包装机械。本文正是应用 PLC 来设计一种小型全自动立式包装机的控制系统以实现上述优点，因而具有重要的实际意义和价值。

1. 2. 包装机的历史

包装机械的发展和其他工业设备类似，与国家的经济发达程度和人们的生活水平有直接的关系。一般来说，经济发达国家的水平普遍高于经济较为落后的国家，而经济飞速发展的国家其包装机械的水平也会得到突飞猛进的发展。

上个世纪 40 年代，西方国家在食品、火柴、卷烟等行业率先开始使用包装机械，这其中以英国的巧克力和美国的饼干包装为代表，体现了当时最先进的包装技术。50 年代，发达资本主义国家已经实现了包装的初级自动化。这个时期的包装机械广泛应用光电管、电气开关等各种电器元件。60 年代，包装机上开始大量涌现由各种新型电子元件构成的控制系统，并且将机、电、液、气等先进技术融合使用。在这个时期已经出现了更为先进的专用自动包装生产线。70 年代，由于计算机技术的普及和广泛应用，无论是单台包装机还是自动化流水线的自动化控制都大幅提高。在此期间，美德两国率先开始使用小型 PLC。由于 PLC 是专门为工业控制所设计，具有较强的通用性，尤其适合大批量生产的设备并且能极大提高生产效率和可靠性，所以使成本大幅下降，不论是使用还是维护都极为方便， 自此小型 PLC 便开始逐渐步入包装机械的控制领域。

我国自解放后随着经济的发展，包装工业化机械化的要求越来越迫切，包装机械才逐渐进入工业领域。前十年是仿苏阶段，主要按照苏联的设备、图纸和设计思路来进行仿制我们自己的包装机械，这个时期主要以香烟小包装机、糖果包装机为代表。上世纪 60-80 年代在轻工行业和医药行业出现了一些包装机型，如： 真空包装机、捆扎机等，但由于和国际的脱轨和技术的落后，这些设备的控制基本都由强电和机械机构来完成。直到 80 年代改革开放以后，我国才迎来包装机械的大发展时期。一方面引进国外先进设备，另一方面加紧学习先进技术，吸收消化并实现了国产包装设备的技术升级和更新换代。

1. 3. 国内外发展现状
2. 1. 1. 国外包装机发展现状

包装机械更新换代快、新技术应用快、卫生要求高、精度要求高、模块化设计是它的主要特点。世界上很多高新技术和科研成果，都会在包装机械中得到或多或少的应用和体现。

自上世纪 80 年代至今，包装机械行业大量采用新生的各种高精尖技术，比如微电子、激光、超声波、热管以及光电纤维等，涌现出了一些新特点：一是生产高效率，可靠性好；二是对资源的高度综合利用，倡导发展循环经济；三是重视节约能源降低消耗；四是注意将各种高新技术实用化，迅速的应用在本领域以进一步提高生产率；五是从业人员不断减少的同时，产值不断提高，品种众多能满足各种要求。

美国所生产的包装机械基本都以大型高速为特色，产量和种类均居世界第一。和美国的其他工业产品一样，其包装机械也以高、大、精、尖为主要特点，计算机控制与机械设备联系密切，能够到达高度的机电一体化[12]。美国包装工业已经形成了由包装材料、工艺和设备组成的一整套独立的工业体系，其自动化程序已经广泛应用在许多先进的包装控制系统中，步入了融合机电一体化、激光扫描、纳米等高新技术的包装新世界，引领和代表了先进包装设备与控制系统的走向。美国将在今后把工业机器人、图像传感等新技术更加广泛的应用在包装行业中， 进一步提高其自动化、高效率化、规模化和节能化[13]。

德国的食品包装机械和德国其他工业产品一样誉满全球。产品以高速、高可靠性、高质量、高自动化、高成套性为主要特点，特别是液体灌装生产线和大型制袋、填充、热封包装机在世界市场占据了主导地位。近年来由一些大公司研发并制造的设备集机、电、仪表、触摸屏、上位机控制于一体，应用光电传感技术， 以光标实现控制，安全设施齐全，配备防静电装置。

日本是包装机械的后起之秀，在二战后经济高速发展并于上个世纪 70 年代初期便达到并赶超了世界先进水平。其发展速度快的主要原因是日本善于引进、仿制，在吸收消化先进技术后能不断创新且善于经营。日本的行业企业主要是中小企业，以中小型单台包装机为主，占地小、精度高。90 年代以来，随着无极变频、光电传感器、实时数据采集与显示、人机界面等技术的运用，其食品包装机械产值占到行业总产值一半以上 。

意大利的包装机械大多应用于食品行业，其产品灵活、技术先进、外型美观、价格公道。产品的 80%出口，受到了全世界的青睐[13]。

除上述四个发达国家以外，瑞典、加拿大等国的包装机械行业也较为发达。这些发达国家一边进行基础技术研发，一边生产更加专业化的产品以适应市场需求，如美国某公司的封罐机、德国某公司的啤酒灌装机（头数多、速度快、计量精确）、某公司的无菌包装机（成本低、维护简便、只需一人操作）等。

1. 国内包装机发展现状

近年来，世界包装机械需求在以每年 5.3%的速度递增，2005 年就已经实现产值 290 亿美元。经济发展最快的是发展中国家和地区，因而包装设备生产的主要增长点也来自这些地方[15]。至今，国内食品包装机械研发和生产企业共有六千余家，种类接近两千种。据统计，在这六千余家企业里，年销售额过亿的仅十几家， 超过三千万元的也只有 50 家左右； 80%-90%都是民营和股份制企业，合资和独资仅占 10%-20%，而国有企业屈指可数。由于规模较小，研发生产能力较差，资金少等原因，导致每年有近 15%的企业转产或倒闭或新加入[16]。大部分企业的产品种类单一，只有极少数能够实现批量制造，而且我国包装机械的产品结构发展也很不均衡，饮料、烟草、食品以及其他轻工业使用的设备占了绝大多数，而化工、冶金、建材以及粮食加工等行业设备的使用却少之又少 [17]。

近年来，随着科技的投入的加大和研发能力的增加和制造业能力的不断提升， 我国食品包装机械与世界水平的差距正在逐渐缩小，少部分产品已经接近世界先进水平[18]。如杭州某有限公司自主研发并拥有知识产权的最高速度达到四万杯/小时的酸奶制杯灌装生产线；广州某公司具有自主知识产权的制瓶能力可达每小时三万三千瓶的 PET 吹瓶机已投放市场并形成产业链；中国某机械总公司研发的高压杀菌生产线已经投放市场，供不应求广受好评，并获得了国家科技进步二等奖[13]。

随着我国的经济和生活水平的提高，人们对包装的要求也越来越高。近年来， 各种小包装产品愈发受到青睐，所以小型立式的颗粒、粉末、液体包装机产销量越来越大。立式自动包装机于上世纪 80 年代初从国外引进，因在包装过程中包装材料走向垂直于水平方向而得名。它具有体积小、结构简便、易于操作、物美价廉等显著特点，因而在食品包装中应用广泛。国内各厂家生产的立式自动包装机一般由计量充填、供膜、热封制袋和切断等装置组成，在机械传动部分会有一定差异，但是电气部分差异不大，一般都使用 PLC、智能温控表、变频器、人机界面、光标传感器等电气设备，与传统的主要由继电器构成的控制系统相比具有明显优势，大大提高了设备可靠性，操作页面简洁，可以实现温度、速度等参数调节的智能控制，实现从计量充填、牵引、热封、切断的全自动包装，并且其售价低廉，在两万至五万之间，普通老百姓或者小型企业完全可以承受。

当前国内外包装机械共同的发展趋势为：高速、高效、高质量。重点在于节能降耗、提高包装质量、重视可靠性、自控水平高、结构紧凑。据调查，现有的包装机控制系统普遍还存在以下问题：

1. 包装材料输送速度难以控制，因为输送速度不稳定会造成袋长精度严重下降：在一个供膜周期的开始和末尾，膜卷的直径变化较大，此时转动惯量的变化会导致输送薄膜的拉力不均，造成袋长精度偏低。
   1. 填充的计量精度较低且不稳定。
   2. 包装速度低：目前国产包装机的包装速度，小包在每分钟五十到一百袋之间，而且超过每分钟六十袋时精度将会下降；中包为每分钟三十到五十袋。而进口设备的速度已经达到小包每分钟一千二百袋，中包每分钟一百六十袋。
   3. 封口质量难以保证。包括外观质量，封口强度，因为静电作用内壁吸附颗粒物导致封口不严以及横封机构运动不合理导致封口质量问题。

需要吸收国际领先的知识和技术，加快创新，将先进概念和理念引入食品包装机械中，早日解决在设计开发和制造过程中出现的产品种类少、不够节能环保、通用性不强等诸多问题[24]。传统的继电器控制用硬线连接组成各种逻辑，主要由中间继电器和时间继电器构成，弊端是系统一旦连接完成再想更改便会非常困难。与之相比，PLC 是利用内部存储器空间将所设计的控制程序用数据形式进行保存，如果要改变原有的控制功能或进行扩展，则只需直接编辑 PLC 程序即可。由于 PLC 和外部的联系是通过其 I/O 点实现的，如果输入输出对象没有发生更改，就无需对硬线连接部分作改动。

继电器控制主要依靠触点动作，频率低，周期较长。而 PLC 是以微机为基础来实现控制功能，其每个指令步数的响应时间和运行速度仅仅才为 10 微秒，更为先进的高速 PLC 这个指标能达到 5 微秒甚至更快。对于延时控制，传统系统通过时间继电器触点的延时动作来实现，精度偏低，调整起来也极为不便。PLC 则由晶振产生的脉冲信号经过多次分频得到的时基脉冲进行计数从而实现定时功能， 一般以 100 毫秒作为单位，精度高的可以达到 10 毫秒，只需根据要求给程序中的定时器写入常数便可以对延时进行设置。若仅对时基脉冲进行计数而不计算时间， 定时器也就演变成了计数器。

除此以外采用 PLC 控制的设备体积、功耗、噪音明显减小，寿命更长、可靠性显著提高，程序还带有监控与自我检测功能，使其运行更加一目了然。单片机配置相对简单，适用于不太复杂的自动化项目，但其仍不适用于工业控制。单片机存在着编程语言复杂、接口工作繁琐、可靠性较差等缺点，硬件上受 CPU、内存及接口限制，软件上受限于和 CPU 类型有关的编程语言，通用性、兼容性与扩展性都比较差。尽管在数据处理上有优势，但鉴于工业控制多为开关量，因此它的特点无法得到充分发挥 [6、7]。因此，PLC 具有良好的环境适应性。