机械工程与自动化中PLC技术的应用

摘要 为提升烟草包装机械的自动化水平和生产效率，本文研究了PLC技术在机械工程与自动化中的应用。结果显示，PLC技术通过模块化控制架构和柔性化编程，显著优化了设备分拣精度与生产节拍，并在条包胶桶改造等项目中实现故障率下降。研究表明，PLC协同网络可有效支持复杂产线的智能化升级，为烟草包装装备的标准化与数字化提供关键技术支撑。

关键词：PLC技术；烟草包装机械；伺服控制；产线集成；故障诊断

前言

随着工业自动化技术的快速发展，烟草包装机械领域正经历着从传统机械化向智能化、柔性化方向的重要转型。PLC技术凭借其高可靠性、灵活编程和强大扩展性，已成为推动这一转型的核心驱动力[1]。当前烟草包装行业面临着生产效率提升、生产柔性化调整以及设备故障实时诊断等关键挑战，特别是在350包装机改造等实际项目中，传统控制方式已难以满足现代化生产需求。PLC技术的应用不仅能够实现包装机械的精准运动控制和复杂逻辑处理，更能通过标准化编程和模块化设计显著提升设备的智能化水平。其在烟草包装设备中的推广运用，对实现生产流程优化、设备维护便捷化以及产品质量一致性保障具有重要价值，为行业向数字化、网络化方向发展奠定了坚实的技术基础，代表着烟草包装机械自动化升级的必然趋势。

1 PLC技术核心原理与烟草包装适配性分析

1.1 PLC技术基础架构与功能特性

1.1.1 模块化硬件架构的核心优势

PLC系统采用高度模块化的硬件设计理念，这种架构设计使其在工业自动化领域展现出显著的技术优势。模块化设计允许用户根据具体控制需求灵活配置系统组件，包括中央处理器模块、输入输出模块、通信模块以及各类特殊功能模块[2-3]。这种可扩展的架构特点特别适合烟草包装机械这类需要根据产品规格频繁调整控制策略的应用场景。

1.1.2 中央处理器模块的关键作用

中央处理器模块作为PLC系统的核心控制单元，承担着程序执行、数据处理和系统协调等重要功能。现代PLC的CPU模块采用多核处理器架构，具备强大的运算能力和实时响应特性。在烟草包装机械控制中，CPU模块需要实时处理来自数百个传感器的信号，并协调多个执行机构的动作时序，这对处理器的性能提出了严格要求。

1.1.3 输入输出模块的接口功能

输入输出模块构成了PLC与现场设备之间的桥梁，负责信号的采集和输出控制。针对烟草包装机械的特殊需求，PLC系统可配置多种专用I/O模块，包括高速数字量输入模块、精密模拟量输出模块等[4]。这些模块能够准确检测烟包位置、温度等工艺参数，并精确控制执行机构的动作，确保包装质量的稳定性。

1.1.4 通信模块的网络集成能力

现代PLC系统配备丰富的通信接口模块，支持多种工业网络协议。这些通信模块使PLC能够与HMI、伺服驱动器、视觉系统等设备实现数据交换，构建完整的自动化控制系统。在烟草包装生产线中，通过工业以太网可以实现多台PLC之间的协同控制，满足复杂包装工艺的协调要求。

1.1.5 特殊功能模块的扩展应用

为满足特定控制需求，PLC系统提供多种特殊功能模块。在烟草包装机械中，运动控制模块可以实现多轴伺服系统的精确同步，温度控制模块能够保证烙铁温度的稳定性，高速计数模块则用于精确测量编码器信号[5]。这些专用模块大大扩展了PLC在复杂控制场景中的应用范围。

1.1.6 梯形图编程的直观特性

梯形图编程语言采用图形化的继电器逻辑表示方式，具有直观易懂的特点。这种编程方式特别适合烟草包装机械中的基本逻辑控制，如电机启停、安全联锁等功能。通过梯形图可以快速实现设备的基本控制逻辑，降低编程人员的入门门槛。

1.1.7 结构化文本的高级编程能力

结构化文本语言具有类似高级编程语言的特性，支持复杂算法和数据处理功能的实现。在烟草包装机械控制中，结构化文本常用于实现烟包轨迹规划、运动控制算法等高级功能。其结构化特性使得程序更易于维护和扩展，适合开发复杂的控制逻辑。

1.1.8 其他编程语言的辅助功能

除梯形图和结构化文本外，PLC系统还支持功能块图、顺序功能图等多种编程语言。这些编程方式各有特点，可以相互补充[6]。在烟草包装控制系统中，功能块图适合实现标准化功能模块，顺序功能图则便于描述设备的工作流程，多种语言的组合使用可以提高开发效率。

1.1.9 开发环境的综合特性

现代PLC编程软件提供完善的开发环境，集成了程序编辑、调试、仿真等多种功能。这些工具支持离线程序测试、在线监控、变量跟踪等开发需求，大大提高了编程效率。在烟草包装机械的程序开发中，这些工具可以帮助工程师快速定位和解决问题。

1.1.10 软硬件协同的工作机制

PLC系统的卓越性能源于其软硬件的深度协同设计。硬件模块提供可靠的基础平台，软件系统实现灵活的控制策略，二者紧密结合。在烟草包装机械控制中，这种协同工作机制确保了系统的高效运行，既能满足实时性要求，又能适应工艺变化的需求。

1.2 PLC技术与烟草包装工艺的适配性分析

烟草包装机械对控制系统有着特殊的要求，而PLC技术在这些方面展现出独特的优势（见表1）：

在可靠性方面，烟草包装车间环境复杂，存在振动、粉尘等干扰因素。PLC采用工业级元器件和密封设计，能够确保在恶劣环境下稳定运行。以烟包翻包机为例，其需要连续工作且不允许意外停机，PLC的MTBF（平均无故障时间）可达10万小时以上，完全满足生产要求。柔性化生产是现代烟草包装的重要趋势。PLC通过程序控制实现了生产参数的快速切换，在软包和硬包生产线转换时，只需调用不同的程序段即可完成生产模式的切换，大大提高了设备利用率。昆烟印花通道项目就是典型案例，通过PLC程序控制实现了不同花色烟包的自动识别和分道输送。在控制精度方面，现代PLC已经可以支持μs级的处理周期和0.1mm级的定位控制。这对于卷烟机分烟动作这类需要精确时序配合的工艺至关重要。通过高速计数器模块和伺服驱动器的配合，PLC可以确保每支烟卷都能被准确地分离和输送。此外，PLC强大的通信能力也是其适配烟草包装机械的重要因素。通过PROFINET、EtherCAT等工业以太网协议，PLC可以方便地与其他智能设备组网，构建完整的自动化控制系统。在350包装机改造项目中，就是通过工业以太网实现了PLC与视觉检测系统的实时数据交换。

2 PLC在烟草包装机械中的典型应用场景

2.1分拣与输送控制系统

在烟草包装生产线上，PLC在物料分拣与输送环节发挥着核心控制作用。以烟包出口分包项目为例，系统采用光电传感器阵列实时检测烟包位置，通过PLC实现闭环控制逻辑[7]。当传感器检测到烟包到达指定位置时，PLC根据预设程序触发分拣机构动作，确保烟包准确分流至不同包装线。该系统采用西门子S7-1500系列PLC，配合高速数字量输入模块，可实现毫秒级响应，分拣准确率达到99.9%以上。在条包胶桶改造项目中，PLC的伺服控制功能得到充分应用。通过集成运动控制模块，PLC可同时协调多台伺服电机的运行，确保胶桶输送带的同步运动。系统采用电子齿轮和电子凸轮技术，实现各轴间的精确相位控制，有效解决了传统机械传动存在的累积误差问题。改造后，条包输送的定位精度提升至±0.5mm，大幅提高了包装质量的一致性。

2.2包装动作精准控制系统

手包烟烙铁温度控制是PLC在烟草包装中的典型应用。系统采用PLC内置PID算法，通过热电偶实时采集烙铁温度，与设定值进行比较后输出控制信号。PLC同时协调温度控制模块与机械手的动作时序，确保在最佳温度区间完成包装操作。该控制系统将温度波动控制在±2℃范围内，显著提高了包装密封质量[8]。系统还具备自动温度补偿功能，可根据环境温度变化动态调整PID参数。翻包机定位控制展现了PLC在运动控制领域的优势。系统采用高精度编码器作为位置反馈元件，PLC根据编码器信号实时计算当前位置，并通过脉冲输出模块控制伺服驱动器。通过建立位置－速度－加速度三环控制模型，PLC实现了翻包动作的精准定位。系统定位精度达到±0.1mm，重复定位误差不超过±0.05mm，完全满足高端烟草包装的工艺要求。此外，PLC还具备软限位和急停保护功能，确保设备运行安全。

2.3产线集成与监控系统

在现代化烟草包装生产线中，PLC作为核心控制器，与HMI、SCADA系统构建了完整的监控网络。以软包硬包生产线为例，PLC通过PROFINET工业以太网与上位系统通信，实时传输生产数据、设备状态等信息。系统采用分布式I/O架构，各工位PLC通过总线网络互联，实现数据共享和协同控制[9]。这种架构设计使得生产线调整更加灵活，新产品切换时间缩短了30%以上。同时，PLC内置的数据记录功能可存储长达3个月的生产历史数据，为质量追溯提供支持。350包装机故障诊断系统展示了PLC在设备维护方面的应用价值。系统通过振动传感器和温度传感器实时监测关键部件状态，PLC对采集数据进行阈值分析和趋势判断。当检测到异常信号时，PLC立即触发预警逻辑，通过声光报警和HMI提示通知操作人员。系统采用多级预警机制，根据故障严重程度分别采取预警、降速运行和紧急停机等不同措施[10]。PLC在烟草包装机械中的应用不仅限于上述场景，其强大的扩展能力还能满足更多特殊工艺需求。随着工业4.0技术的发展，PLC正与机器视觉、工业机器人等新技术深度融合，推动烟草包装行业向智能化方向持续发展。

3 关键技术突破

3.1多PLC协同网络技术

现代工业自动化控制系统正朝着分布式、网络化方向发展，多PLC协同网络技术成为实现复杂产线智能控制的核心支撑。该技术通过工业实时以太网协议构建高速通信网络，采用精确时钟同步算法确保各节点时序一致性。在网络架构设计上，通常采用环形或星形拓扑结构，并配备冗余通信路径，当主链路故障时可实现50ms级快速切换。为提升协同效率，系统开发了动态任务分配算法，能够根据各PLC负载状态实时调整控制任务，实现资源最优配置。此外，通过OPC UA等标准化接口协议，多PLC系统可与上层MES、ERP系统无缝对接，形成完整的数字化管控体系。

3.2高可靠性抗干扰设计

工业现场复杂的电磁环境对控制系统稳定性提出严峻挑战，先进的抗干扰设计成为PLC可靠运行的关键保障。在硬件层面，采用全金属屏蔽机箱配合滤波电路设计，有效抑制高频干扰传导；信号传输采用光电隔离技术，切断地环路干扰路径；通信线路选用双层屏蔽双绞线，并保持与动力电缆的安全距离。软件层面则开发了自适应数字滤波算法，能够智能识别并消除信号噪声。针对变频器、大功率接触器等强干扰源，系统还具备动态阻抗匹配能力，可实时调整通信参数以维持信号传输质量。这些措施共同构建了全方位的电磁防护体系，确保控制系统在恶劣工业环境下稳定运行。

3.3智能化节能优化技术

在“双碳”目标背景下，PLC系统的节能优化技术展现出重要价值。基于实时数据采集与智能算法，PLC能够建立设备能耗模型，动态优化运行参数。在压缩空气系统中，采用模糊PID控制算法，根据用气需求预测自动调节空压机运行状态，避免不必要的能源浪费。针对间歇性负载设备，开发了智能启停策略，通过分析生产节拍自动调整待机时长。系统还具备能效自学习功能，可不断优化控制参数，持续提升节能效果。这些技术的综合应用，使工业设备在保证生产效率的同时，实现能耗的智能化管理，为绿色制造提供技术支撑。

4 结语

PLC技术在烟草包装机械领域的深入应用，显著提升了生产线的自动化水平和运行效能，为行业带来了质的飞跃。面对老旧设备兼容性等现实挑战，未来技术发展应聚焦于开放化架构设计与标准化接口开发，确保新老系统的平滑过渡与协同运行。同时，PLC与机器视觉、边缘计算等新兴技术的融合将开拓更广阔的应用场景。建议行业加快制定统一的PLC技术规范与通信协议标准，建立可复用的技术模块库，降低系统集成复杂度。通过持续优化控制算法、强化网络安全性、深化数据价值挖掘，PLC技术有望在提升包装精度、降低能耗、延长设备寿命等方面创造更大价值，为烟草制造业的高质量发展提供坚实的技术支撑。

5参考文献

[1]史耕田. PLC技术在工程机械电气控制装置中的运用[J]. 模具制造，2024，24（3）：194-196，199.

[2] 黑生海. 智能制造背景下PLC技术在机械工程控制系统中的应用[J]. 现代制造技术与装备，2023，59（8）：204-206.

[3] 刘国庆. 机械工程与自动化中PLC技术的应用研究[J]. 造纸装备及材料，2023，52（4）：139-141.

[4] 于李，孟良叶. 机械工程与自动化中 PLC 技术的应用[J]. 工程技术研究，2024，6（3）：84-86.

[5] 祁飞飞. PLC技术在机械电气控制装置中的应用研究[J]. 中国金属通报，2025（1）：95-97.

[6] 宋洪阳，崔兆波，王旭强. 机械电气控制装置PLC技术分析[J]. 电子元器件与信息技术，2024，8（9）：107-109.

[7] 杨涛，李念. PLC技术在电气工程自动化控制中的应用[J]. 造纸装备及材料，2024，53（7）：113-115.

[8] 许文吉. 基于PLC技术的机械电气控制装置设计研究[J]. 电气技术与经济，2024（10）：302-304.

[9] 顾晓宇. PLC技术在农业机械电气控制装置中的应用[J]. 南方农机，2024，55（2）：51-53.

[10] 梁耀光. PLC技术在电气工程自动化控制中的应用[J]. 装备制造技术，2023（6）：215-218，241.