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1. 1. 課題研究背景與意義

本課題基于華僑大學(xué)與福建省某機(jī)械有限公司共同合作研發(fā)的橫向課題，對(duì)連續(xù)式分包裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)與研究。

福建省安溪縣是著名的鐵觀音出產(chǎn)地，長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)茶葉加工以手工為主。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，生活水平不斷提升，包括安溪鐵觀音在內(nèi)的各類茶葉， 逐漸從手工轉(zhuǎn)向機(jī)器生產(chǎn)，從大包裝時(shí)代，轉(zhuǎn)向易于儲(chǔ)藏、攜帶的小包裝時(shí)代， 并在小包裝里增加塑料薄膜內(nèi)袋，為的是延長(zhǎng)保質(zhì)期，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)清潔包裝技術(shù)[1]。因此，茶葉加工對(duì)自動(dòng)智能化茶機(jī)械的需求越發(fā)迫切[2]。

近幾年來(lái)，我國(guó)正加快發(fā)展農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域深加工，營(yíng)造節(jié)約型社會(huì)，建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和增大技術(shù)創(chuàng)新的力度。目前，在安溪佳友機(jī)械分包裝機(jī)已實(shí)現(xiàn)了單機(jī)自動(dòng)化控制，它的運(yùn)行主要由 PLC 控制器配合各執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同控制的，這種控制系統(tǒng)方案的缺點(diǎn)是 PLC 成本比較高，控制精度比較低。且受茶葉機(jī)械技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后的影響，目前生產(chǎn)出的全自動(dòng)茶葉分包裝機(jī)穩(wěn)定性不高，效率低，成本高，且采用的是單臺(tái)控制，控制系統(tǒng)未執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)化布局，因此，在每臺(tái)分包裝機(jī)前，都必須有一個(gè)工人在操作[3]。這種控制方法一定程度上造成了人力的浪費(fèi)，且隨著茶葉全自動(dòng)生產(chǎn)線的投入使用，茶葉包裝作為茶葉生產(chǎn)環(huán)節(jié)機(jī)械化的“最后一道程序”，實(shí)現(xiàn)車間加工及遠(yuǎn)程化控制的方向?qū)⑹谴髣?shì)所趨[4]。

基于市場(chǎng)前景和企業(yè)效益最大化的考慮，本課題提出了發(fā)展全自動(dòng)分包裝機(jī)控制系統(tǒng)方案，即改進(jìn)現(xiàn)有的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，降低控制系統(tǒng)成本，采用 STM32 核心單元控制器，在實(shí)現(xiàn)單臺(tái)分包裝機(jī)控制的同時(shí)，又要實(shí)現(xiàn)多機(jī)并網(wǎng)監(jiān)控運(yùn)行的擴(kuò)展方案，為將來(lái)并入全自動(dòng)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控生產(chǎn)等方面均具有十分重要的意義[5]。

1. 2. 國(guó)內(nèi)外分包裝機(jī)研究現(xiàn)狀和水平

縱觀美、日、德和意大利四大包裝機(jī)械發(fā)達(dá)國(guó)家，其包裝控制系統(tǒng)主要可分為兩大類：可編程控制器 PLC 和單片機(jī)。但仍有一些落后的機(jī)器采用的是繼電器加儀表控制。隨著集機(jī)、電、氣、光、生、磁一體化的高科技產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)高效率化、資源高利用化、產(chǎn)品節(jié)能化、高新技術(shù)實(shí)用化、科研成果商業(yè)化已成為世界各國(guó)包裝機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)[6]。

目前，國(guó)外分包裝機(jī)的控制單元多數(shù)采用 PLC 或單片機(jī)。比如：意大利某公司生產(chǎn)的小劑量顆粒包裝機(jī)，它采用機(jī)械轉(zhuǎn)鼓式計(jì)量，連續(xù)式封合并裁剪， 一機(jī)多工位，控制系統(tǒng)采用可編程控制器 PLC 和微機(jī)；日本的東洋自動(dòng)機(jī)株式會(huì)社的 TT-10CR/TT-10CW 通用袋自動(dòng)裝填包裝機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制，不僅可以裝填液體，還能夠進(jìn)行固液混合物的多種商品包裝，通過(guò)兩級(jí)熱封和一級(jí)冷卻壓封，能夠進(jìn)行高可靠性的封口；美國(guó)某公司旗下 Foodsaver 品牌生產(chǎn)的家庭全自動(dòng)真空包裝機(jī)，簡(jiǎn)單的“一鍵式”按鈕和鎖扣操作系統(tǒng)，能輕松、簡(jiǎn)單的進(jìn)行真空封裝，一個(gè)非常強(qiáng)力的活塞抽氣泵使包裝效果能夠達(dá)到工業(yè)化級(jí)別；某公司所屬的廠生產(chǎn)的心軸輪多工位制袋真空包裝機(jī)，采用模塊化設(shè)計(jì)，其制袋、稱重、充填、抽真空、封口等多種功能可在一臺(tái)單機(jī)上完成[7~10]。總之，他們的產(chǎn)品特點(diǎn)各異，但是控制核心都是 PLC 或單片機(jī)。

我國(guó)包裝機(jī)械起步較晚，上世紀(jì) 80 年代以前發(fā)展緩慢，只能生產(chǎn)幾種水平很低的包裝機(jī)械，沒(méi)能成為一個(gè)獨(dú)立的行業(yè)，國(guó)家公布的產(chǎn)品目錄中也沒(méi)有分包裝機(jī)械這一類。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著社會(huì)需求的增加以及政府的重視與幫扶， 我國(guó)包裝機(jī)械產(chǎn)品以大于 30%的年平均速度快速增長(zhǎng)，產(chǎn)品水平不斷提高、產(chǎn)品品種逐漸齊全，規(guī)?；⒊商谆?、自動(dòng)化的設(shè)備也開(kāi)始大量涌現(xiàn)，使得包裝機(jī)械成為我國(guó)機(jī)械工業(yè)中十四大產(chǎn)業(yè)之一[11]。可以說(shuō)，包裝機(jī)械在中國(guó)不僅極大的滿足了社會(huì)需求，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。

國(guó)內(nèi)包裝機(jī)械制造領(lǐng)域，由微機(jī)控制系統(tǒng)逐漸取代了笨重的電氣控制柜和驅(qū)動(dòng)裝置，開(kāi)始使用更先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)——通用型 PLC 搭配 LCD 人機(jī)交互界面代替原來(lái)的單片機(jī)專用微處理器控制。采用 PLC 控制，可自動(dòng)完成計(jì)量、制袋、充填、封合、分切、計(jì)數(shù)、熱壓批號(hào)、成品輸出等工序。采用 PLC、繼電器及溫控儀表等電氣元件組成[12]。在主要功能上，我國(guó)自行研制的控制系統(tǒng)達(dá)到了國(guó)際同期水平，但由于制造工藝及設(shè)計(jì)方案等原因，其綜合性能指標(biāo)與國(guó)外同期水平仍具有一定的差距。

回顧相關(guān)文獻(xiàn)可知，在國(guó)內(nèi)外，包裝機(jī)均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，但也有許多不足之處?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)面臨運(yùn)算速度慢、抗干擾能力不佳，不便于維護(hù)等問(wèn)題；基于 PLC 控制的成本高、系統(tǒng)集成度低、整機(jī)性能不佳，尚未聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)信息集成管理。因此，上述設(shè)計(jì)方案已不能滿足現(xiàn)代包裝機(jī)控制技術(shù)的要求。而基于 ARM 技術(shù)設(shè)計(jì)的高性價(jià)比及聯(lián)網(wǎng)接入的分包裝機(jī)控制系統(tǒng)尚未出現(xiàn)在相關(guān)產(chǎn)品中，具有較大的發(fā)展前景[13]。

1. 3. STM32 控制器應(yīng)用

STM32 系列產(chǎn)品是由意法半導(dǎo)體某公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。該產(chǎn)品基于 ARM 的新一代處理器內(nèi)核 Cortex，充分發(fā)揮其低成本、高性能的優(yōu)勢(shì)和某公司長(zhǎng)期的技術(shù)積累，廣受市場(chǎng)好評(píng)。ARM 全稱 Advanced RISC Machines，一是指某公司，二是指一類處理器的通稱，也可以是一種技術(shù)的名稱?；?ARM 技術(shù)生產(chǎn)的 STM32 系列產(chǎn)品，是一種可擴(kuò)展、可移植且內(nèi)部高度集成的 RISC 處理器，并提供高質(zhì)量的固件庫(kù)，方便開(kāi)發(fā)。其最小系統(tǒng)元件數(shù)最少可為 7 個(gè)，大大簡(jiǎn)化了整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成本，與同期其他ARM 技術(shù)的產(chǎn)品相比，性能更強(qiáng)大，產(chǎn)品線更齊全。在 2008 年，曾榮獲“EDN

China 創(chuàng)新獎(jiǎng)最佳產(chǎn)品獎(jiǎng)”。目前，STM32 控制器系列產(chǎn)品已經(jīng)深入應(yīng)用到了工業(yè)控制的多個(gè)領(lǐng)域[14~15]。

⑴ STM32 控制器在電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用

通常伺服控制系統(tǒng)技術(shù)要求有系統(tǒng)精確度、穩(wěn)定性、響應(yīng)特性、工作頻率等， 因此輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，諸如 AD 轉(zhuǎn)換等信號(hào)要求的精確度較高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。隨著 ARM 技術(shù)的出現(xiàn)，微控制器 STM32 的陣營(yíng)逐漸應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，并具有優(yōu)異的控制性能。其不僅保持了豐富的外圍設(shè)備連接和快速中斷處理能力，而且提供出色的計(jì)算性能和對(duì)事件的卓越系統(tǒng)響應(yīng)， 具有低動(dòng)態(tài)功耗和高性能，可以方便高性能的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使得開(kāi)發(fā)周期短，性價(jià)比高，體積小。對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)使得系統(tǒng)具有可靠的抗干擾性能等特點(diǎn)。

⑵ STM32 控制器在溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)代工業(yè)控制中，在很多場(chǎng)合都需要對(duì)溫度進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。過(guò)去溫度采集系統(tǒng)大多采用 8 位或 16 位單片機(jī)，由于位數(shù)小、時(shí)鐘頻率較低、指令執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)、內(nèi)存小，較大程序及基于多任務(wù)的m C/OS-Ⅱ系統(tǒng)均無(wú)法運(yùn)行。具有低成本、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)的 STM32 控制器，加上其便捷的開(kāi)發(fā)工具及 JTAG 在線調(diào)試功能，使用其作為主控制器能解決以上問(wèn)題，同時(shí)提高控制性能。

⑶ STM32 控制器在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

工業(yè)控制及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，亟待信息整合，以期實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制領(lǐng)域的現(xiàn)代化監(jiān)管方式，如何實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理的要求成為當(dāng)今技術(shù)的熱點(diǎn)話題。但是目前的單片機(jī)擴(kuò)展功能有限，而 STM32 系列芯片自帶的 USART 模塊、SPI 模塊、I2C 總線模塊、CAN 總線模塊等，方便實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量和控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和聯(lián)網(wǎng)通信。且基于 STM32 系列芯片運(yùn)行的m C/OS-Ⅱ嵌入式系統(tǒng)源代碼開(kāi)放， 開(kāi)發(fā)周期短?？蓱?yīng)用于大量的工控場(chǎng)所。

總之，STM32 系列產(chǎn)品目前已經(jīng)覆蓋到工業(yè)控制的多領(lǐng)域開(kāi)發(fā)，發(fā)展前景十分廣闊。

1. 4. CAN 總線應(yīng)用技術(shù)

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Control Area Network，CAN）是德國(guó)某公司開(kāi)發(fā)的一種高性能串行通信網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械等各種用途，示例如下[16~17]：