来源：网络转载更新时间：2020-06-15 16:46:32点击次数：2976次
随着我国农产品加工的快速发展，分包装机已经逐步应用于茶叶生产加工过程。为了提高分包装机械的工作效率，同时保证设备运转高速、高精度及高稳定性，并进一步推动加工机械智能化、网络化升级，研发以智能嵌入式系统及基于通信协议为核心的可连续工作的工程设备，具有十分重要的意义。
本文以连续式分包装机为研究对象，通过分析分包装机的工作原理和执行机构组成，对机械执行机构改进设计、控制系统硬件设计、软件设计及上位机监控系统开发等领域进行了研究。
根据设计要求及适用范围，对分包装机生产工艺进行了分析，并对系统的核心控制器及通信部分选型方案进行了分析和比较，设计总体方案。
在机械结构方面，针对目前分包装机存在的问题，系统分析了供料装置、封口装置等关键机构的机械设计及改进方案，对封口装置进行了基于温度控制的参数试验，试得出在热封过程中内膜和外袋的温度数据，为控制系统设计提供更科学的依据。
在硬件设计方面，选取嵌入式微处理器STM32F103ZET6为主控制器，它具有功耗低，性价比高等特点。围绕该芯片研究并设计相关的连续式分包装机控制系统外围电路，并绘制 PCB 板。
在软件设计方面，基于硬件平台，建立软件开发环境，基于m C/OS-Ⅱ嵌入式系统，研究控制算法，对下位机控制系统进行模块化软件设计，基于 windows 操作系统和 Visual C++开发平台，采用 CAN 总线作为上位机连接下位机设备之间的数据枢纽，操作简单，并设计上位机监控系统界面。
最后，本文对分包装机进行了样机研制和调试分析，并进行了上位机监控的联调实验。调试和实验后，基于STM32研发设计的分包装机能连续稳定工作，与上位机通信工作基本正常，运行情况符合设计需求及预期目标，为完善进一步的研究工作奠定了基础。
第 1 章 引言
本课题基于华侨大学与福建省某机械有限公司共同合作研发的横向课题，对连续式分包装机的机械结构和控制系统进行开发与研究。
福建省安溪县是著名的铁观音出产地，长期以来，传统茶叶加工以手工为主。随着社会的快速发展，生活水平不断提升，包括安溪铁观音在内的各类茶叶， 逐渐从手工转向机器生产，从大包装时代，转向易于储藏、携带的小包装时代， 并在小包装里增加塑料薄膜内袋，为的是延长保质期，并进一步实现清洁包装技术[1]。因此，茶叶加工对自动智能化茶机械的需求越发迫切[2]。
近几年来，我国正加快发展农产品领域深加工，营造节约型社会，建设循环经济和增大技术创新的力度。目前，在安溪佳友机械分包装机已实现了单机自动化控制，它的运行主要由 PLC 控制器配合各执行机构共同控制的，这种控制系统方案的缺点是 PLC 成本比较高，控制精度比较低。且受茶叶机械技术发展相对滞后的影响，目前生产出的全自动茶叶分包装机稳定性不高，效率低，成本高，且采用的是单台控制，控制系统未执行网络化布局，因此，在每台分包装机前，都必须有一个工人在操作[3]。这种控制方法一定程度上造成了人力的浪费，且随着茶叶全自动生产线的投入使用，茶叶包装作为茶叶生产环节机械化的“最后一道程序”，实现车间加工及远程化控制的方向将是大势所趋[4]。
基于市场前景和企业效益最大化的考虑，本课题提出了发展全自动分包装机控制系统方案，即改进现有的机械执行机构，降低控制系统成本，采用 STM32 核心单元控制器，在实现单台分包装机控制的同时，又要实现多机并网监控运行的扩展方案，为将来并入全自动生产线，实现联网监控生产等方面均具有十分重要的意义[5]。
纵观美、日、德和意大利四大包装机械发达国家，其包装控制系统主要可分为两大类：可编程控制器 PLC 和单片机。但仍有一些落后的机器采用的是继电器加仪表控制。随着集机、电、气、光、生、磁一体化的高科技产品的不断涌现，生产高效率化、资源高利用化、产品节能化、高新技术实用化、科研成果商业化已成为世界各国包装机械的发展趋势[6]。
目前，国外分包装机的控制单元多数采用 PLC 或单片机。比如：意大利某公司生产的小剂量颗粒包装机，它采用机械转鼓式计量，连续式封合并裁剪， 一机多工位，控制系统采用可编程控制器 PLC 和微机；日本的东洋自动机株式会社的 TT-10CR/TT-10CW 通用袋自动装填包装机采用计算机控制，不仅可以装填液体，还能够进行固液混合物的多种商品包装，通过两级热封和一级冷却压封，能够进行高可靠性的封口；美国某公司旗下 Foodsaver 品牌生产的家庭全自动真空包装机，简单的“一键式”按钮和锁扣操作系统，能轻松、简单的进行真空封装，一个非常强力的活塞抽气泵使包装效果能够达到工业化级别；某公司所属的厂生产的心轴轮多工位制袋真空包装机，采用模块化设计，其制袋、称重、充填、抽真空、封口等多种功能可在一台单机上完成[7~10]。总之，他们的产品特点各异，但是控制核心都是 PLC 或单片机。
我国包装机械起步较晚，上世纪 80 年代以前发展缓慢，只能生产几种水平很低的包装机械，没能成为一个独立的行业，国家公布的产品目录中也没有分包装机械这一类。改革开放以来，随着社会需求的增加以及政府的重视与帮扶， 我国包装机械产品以大于 30%的年平均速度快速增长，产品水平不断提高、产品品种逐渐齐全，规模化、成套化、自动化的设备也开始大量涌现，使得包装机械成为我国机械工业中十四大产业之一[11]。可以说，包装机械在中国不仅极大的满足了社会需求，并在国民经济发展中发挥了重要作用。
国内包装机械制造领域，由微机控制系统逐渐取代了笨重的电气控制柜和驱动装置，开始使用更先进的技术平台——通用型 PLC 搭配 LCD 人机交互界面代替原来的单片机专用微处理器控制。采用 PLC 控制，可自动完成计量、制袋、充填、封合、分切、计数、热压批号、成品输出等工序。采用 PLC、继电器及温控仪表等电气元件组成[12]。在主要功能上，我国自行研制的控制系统达到了国际同期水平，但由于制造工艺及设计方案等原因，其综合性能指标与国外同期水平仍具有一定的差距。
回顾相关文献可知，在国内外，包装机均实现了自动化控制，但也有许多不足之处。基于单片机设计的控制系统面临运算速度慢、抗干扰能力不佳，不便于维护等问题；基于 PLC 控制的成本高、系统集成度低、整机性能不佳，尚未联网实现生产系统信息集成管理。因此，上述设计方案已不能满足现代包装机控制技术的要求。而基于 ARM 技术设计的高性价比及联网接入的分包装机控制系统尚未出现在相关产品中，具有较大的发展前景[13]。
STM32 系列产品是由意法半导体某公司设计和生产。该产品基于 ARM 的新一代处理器内核 Cortex，充分发挥其低成本、高性能的优势和某公司长期的技术积累，广受市场好评。ARM 全称 Advanced RISC Machines，一是指某公司，二是指一类处理器的通称，也可以是一种技术的名称。基于 ARM 技术生产的 STM32 系列产品，是一种可扩展、可移植且内部高度集成的 RISC 处理器，并提供高质量的固件库，方便开发。其最小系统元件数最少可为 7 个，大大简化了整个嵌入式系统的设计与生产成本，与同期其他ARM 技术的产品相比，性能更强大，产品线更齐全。在 2008 年，曾荣获“EDN
China 创新奖最佳产品奖”。目前，STM32 控制器系列产品已经深入应用到了工业控制的多个领域[14~15]。
⑴ STM32 控制器在电气控制系统的应用
通常伺服控制系统技术要求有系统精确度、稳定性、响应特性、工作频率等， 因此输出量复现输入信号，诸如 AD 转换等信号要求的精确度较高，同时实现控制系统的闭环调节控制。随着 ARM 技术的出现，微控制器 STM32 的阵营逐渐应用于控制系统中，并具有优异的控制性能。其不仅保持了丰富的外围设备连接和快速中断处理能力，而且提供出色的计算性能和对事件的卓越系统响应， 具有低动态功耗和高性能，可以方便高性能的控制系统的设计，使得开发周期短，性价比高，体积小。对控制系统设计而言，不仅简化了电路设计结构，同时使得系统具有可靠的抗干扰性能等特点。
⑵ STM32 控制器在温度控制系统的应用
现代工业控制中，在很多场合都需要对温度进行控制，以实现对生产过程的实时监测。过去温度采集系统大多采用 8 位或 16 位单片机，由于位数小、时钟频率较低、指令执行时间长、内存小，较大程序及基于多任务的m C/OS-Ⅱ系统均无法运行。具有低成本、实时性好的特点的 STM32 控制器，加上其便捷的开发工具及 JTAG 在线调试功能，使用其作为主控制器能解决以上问题，同时提高控制性能。
⑶ STM32 控制器在网络控制系统的应用
工业控制及互联网技术的快速发展，亟待信息整合，以期实现工业控制领域的现代化监管方式，如何实现联网管理的要求成为当今技术的热点话题。但是目前的单片机扩展功能有限，而 STM32 系列芯片自带的 USART 模块、SPI 模块、I2C 总线模块、CAN 总线模块等，方便实现分布式测量和控制系统的开发和联网通信。且基于 STM32 系列芯片运行的m C/OS-Ⅱ嵌入式系统源代码开放， 开发周期短。可应用于大量的工控场所。
总之，STM32 系列产品目前已经覆盖到工业控制的多领域开发，发展前景十分广阔。
控制器局域网络（Control Area Network，CAN）是德国某公司开发的一种高性能串行通信网络，广泛应用于电梯控制系统、安全监控系统、数控机床、纺织机械等各种用途，示例如下[16~17]：
⑴ CAN 总线在医疗设备的应用
在大型设备中，以医疗设备为例，某公司生产的 CT 断层扫描仪采用CAN 总线技术，实现了在 X 光发生器、X 光接收器、扫描控制单元、旋转控制单元、操作平台、显示器及中央计算机等这些功能模块之间的数据通信，并且通信是以广播的形式释放同步命令或故障报警，同时也提高了系统的可靠性和抗干扰性。
⑵ CAN 总线在数据采集系统中的应用
基于 CAN 总线设计的智能数据采集节点，其采用 CAN 接口作为通信接口， 具有通信可靠、抗干扰能力强、传输速率高和组网灵活方便等优势。该设计节点能够远程 I/O 监控，实现了过程监控智能化和网络化，并具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、实时性高及强大的数据处理能力等优势。
⑶ CAN 总线在现代工业控制的应用
举例分布式电机测试系统，它由多个相同功能的测试子系统，通过 CAN 总线在一个测试车间内构成的一个测试网络系统，每个测试子系统是一个独立的测试平台，可独立完成电机的测试任务。每个测试子系统为电机测试完成的数据都上传至测试网络中的主机。主控机是一台计算机，负责车间内所有电机测试数据的存储、测试员工作量的记载以及测试数据报表的生成、打印等功能。目前，CAN 总线已经在多个控制领域得到应用，但目前在包装机械的控制系统中尚未实现。
综上所述，CAN 总线技术目前已经应用到工业控制的多领域，发展前景十分广阔。
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