香烟硬质条盒包装机组控制系统的设计与研究

摘要：本文设计并研究了香烟硬质条盒包装机组的自动化控制系统。首先，基于某品牌香烟包装要求，改进并完成了展绳机构、板链输送机、条盒透明纸包装机等设计，提出了机电一体化控制方案。其次，采用分布式集中控制理念，设计了硬件与软件，选型了PLC、伺服电机和电磁阀，编写了梯形图程序，并开发了上位机监控系统，实现了远程控制和自动化。最后，针对包装机组的电机驱动系统，通过MATLAB仿真建立伺服系统模型，并设计了PID、模糊自适应PID、神经网络PID控制器，实验结果表明，神经网络PID算法在有扰动情况下表现最佳，能有效优化包装机组的运行状态。通过虚拟仿真和半实物仿真验证了系统的可行性，证明了控制方案的有效性和可靠性。

关键词：香烟包装机组，控制系统，PLC，自动化，触摸屏，硬件设计

一、引言

香烟作为烟草制品的一种，其包装形式直接影响着消费者的视觉感受和购买决策。随着国内香烟市场的需求不断增加，尤其是高端香烟的礼盒包装日益受到关注，香烟包装机械的技术发展显得尤为重要。目前，国内许多烟草包装设备仍依赖于国外技术进行改进，智能化水平低，灵活性差，特别是硬质条盒包装机组的自主研发相对滞后，无法有效满足市场的多样化需求。

硬质条盒包装机组作为烟草包装机械中的重要组成部分，其性能和技术水平直接影响香烟包装的效率和质量。传统的烟草包装生产线多依赖人工或低自动化设备，生产效率和包装质量远不能满足现代化需求。与此同时，随着制造业智能化、自动化水平的提高，烟草包装机械也面临着更高的要求，如何提升设备的智能化、自动化水平，降低生产成本、提高生产效率，成为烟草行业亟待解决的关键问题。

本研究旨在针对香烟硬质条盒包装机组的现状和存在的技术问题，设计一套高效、智能化的包装机组控制系统。通过对控制系统的硬件和软件设计进行创新，提出了一套基于PLC控制的自动化包装方案，并通过智能控制策略的引入，提高了系统的适应性和稳定性。文中结合现代控制理论，设计并实现了智能PID控制算法，进一步优化了包装机组在不同工作条件下的控制性能，为香烟包装设备的升级换代提供了技术支持。

二、香烟硬质条盒包装机组设备的总体设计

香烟硬质条盒包装机组是香烟生产中的关键设备，其设计不仅要求高效、精确，还必须具备高度的自动化和智能化，以适应现代烟草生产的需求。本机组以某品牌香烟为例，通过设计和优化各部分设备，旨在提升生产效率、包装质量以及设备的灵活性和可靠性。

首先，香烟硬质条盒包装机组的设计要求围绕提高包装效率、确保包装质量、实现自动化操作等目标展开。该包装机组需要具有较高的生产能力，设计目标为150包/分钟（即15条/分钟）。此外，为了满足现代烟草生产的需求，包装机组还应具备较高的稳定性和可靠性，避免因设备故障影响生产。为此，机组的设计采用了先进的机械结构和控制系统，确保在复杂工况下仍能高效运行。

在设备布局上，整个包装机组采用模块化设计，主要由条盒综合包装机、条盒透明纸包装机和输送系统等部分组成。条盒综合包装机负责完成烟包的装填、封闭、贴标等一系列工序；透明纸包装机则用于包装完成的条盒进行透明纸裹包，确保包装的完整性和美观性。输送系统的作用是将不同工序之间的条盒平稳地传送，确保各环节的顺畅衔接。

包装机组的设计充分考虑了不同规格条盒的适应性，设备的每个部分都经过精心设计，以便于在不同生产要求下进行快速切换。例如，在条盒装填过程中，条盒装填机和气缸通过精确配合，实现了对烟包的精确装填；在贴标过程中，设备通过传感器的反馈，实现了对条盒位置的精确定位，确保标签的准确贴附。

在条盒透明纸包装机的设计中，透明纸卷筒架、输送装置、切割装置等部分都得到了充分的优化。通过伺服电动机控制透明纸的输送与裁切，确保透明纸能够精确包裹每个条盒。同时，热封装置能够有效地封闭透明纸包装，避免包装过程中出现漏封现象，确保包装质量的稳定。

此外，包装机组的输送系统采用了90度板链输送机，能够有效解决条盒的转向问题，避免生产过程中的产品挤压或损坏。通过优化输送系统，条盒能够平稳、高效地在各工序之间传递，避免因设备故障或操作不当而导致生产线停滞。

三、香烟硬盒包装机组控制系统设计

香烟硬盒包装机组控制系统的设计采用了分布式集中控制理念，旨在通过集成的自动化与智能化控制方案，提升包装机组的工作效率、稳定性以及灵活性。通过PLC和伺服控制系统的结合，设计了一个高度协同的控制系统，使各个部件能够协同工作，确保包装过程的顺利进行。

控制系统的核心设计思路是通过分布式的传感器和执行单元来收集和处理信息，并根据设定的逻辑进行自动控制。PLC作为控制中心，负责将各工位的执行信号进行集中处理，并根据实际情况及时调整设备的动作。通过这种设计，能够有效提高生产效率，并减少人工干预，确保包装质量的稳定。

在硬件设计方面，控制系统采用了I/O接口地址分配的方式，将各个设备的控制信号进行合理划分。系统中的输入信号来自于各个传感器，包括烟包位置传感器、故障报警传感器等；输出信号则用于控制执行机构，如电磁阀、伺服电机等。这种信号分配方式使得各个环节能够灵活协调，避免了信息传输中的延迟和混乱，确保包装过程的精准操作。

PLC程序设计是控制系统的关键部分。通过梯形图编程，设计了包装机组的操作流程，包括各个工位的启动与停止控制、设备故障的应急处理以及生产状态的实时监控。在程序中，设备之间的协作关系被细致划分，确保了整个包装过程的高效运行。PLC的程序能够根据实时的反馈信息调整设备的运行状态，避免了生产中因故障或误操作而产生的损失。

触摸屏组态界面则提供了直观的操作平台，帮助操作员轻松实现对包装机组的监控与控制。界面中展示了各个工位的工作状态，能够实时显示设备的运行进度与参数设置。操作员可以通过界面快速调整设备参数，如包装速度、压力等，确保包装过程能够根据不同香烟规格和生产需求进行灵活调整。此外，当设备出现故障时，系统会通过触摸屏界面显示详细的故障信息，帮助操作人员快速定位问题并采取措施进行修复。

伺服控制系统在包装机组中的应用至关重要，它实现了对电动机和执行机构的精确控制。伺服电机与伺服驱动器配合，通过调节电机的转速和转矩，确保各个执行机构能够同步协调地完成包装操作。伺服系统的精确定位能力，结合高精度的编码器反馈机制，确保了包装过程中各个环节的无误操作，特别是在条盒的准确放置和透明纸的精确包装方面，伺服控制系统发挥了不可替代的作用。

四、包装机组控制策略的研究

香烟硬质条盒包装机组的控制策略设计，旨在提升包装过程中的精度和效率，尤其是在复杂工况下，如何实现各执行器之间的协调和运动的精确控制。为了优化控制效果，本文重点研究了伺服驱动系统的运动控制，并采用了经典PID控制、模糊PID控制以及神经网络PID控制等多种控制策略。通过对这些控制策略进行仿真分析，本文提出了在实际应用中最优的控制方案。

首先，香烟硬质条盒包装机组的伺服系统在控制过程中起着至关重要的作用。伺服电机的数学模型是研究的基础，通过对电机转矩、速度和位置的分析，建立了伺服系统的动态数学模型。该模型帮助我们在实际应用中设计合适的控制策略，以保证包装机组的高效稳定运行。

在控制策略的选择上，经典的PID控制算法作为最常见的工业控制方法，广泛应用于各类自动化设备中。在包装机组的伺服电机控制中，PID控制器通过调节比例、积分和微分系数，能够实现对电机运动的精确控制。通过MATLAB仿真，本文分析了PID控制算法在不同工作状态下的表现。在无扰动的情况下，经典PID控制能够稳定实现目标速度和位置控制，但在出现扰动时，其控制效果受到一定影响，尤其是在系统动态响应和精度方面有所不足。具体而言，在无扰动情况下，PID控制器能够在0.1秒内将电机速度从0加速至目标速度，且跟踪精度达到±0.02m/s。而在有扰动情况下，PID控制的响应时间增加至0.3秒，且误差增大至±0.05m/s。

为了提高控制系统在扰动环境下的适应能力，本文进一步研究了模糊PID控制和神经网络PID控制。模糊PID控制结合了模糊逻辑控制与传统PID控制的优点，能够有效应对系统的不确定性和非线性。通过引入模糊规则和自适应调整机制，模糊PID控制器能够在变化的工作条件下保持较高的控制精度和鲁棒性。通过仿真，模糊PID控制能够在扰动环境下将电机的跟踪精度提高至±0.03m/s，且在0.2秒内响应，较传统PID有了明显的提升。

神经网络PID控制则采用了神经网络的自学习能力对PID参数进行优化，这使得控制器能够在复杂工况下自动调整控制参数，从而实现对伺服电机更精确的控制。具体仿真数据表明，在扰动频繁的工作环境中，神经网络PID控制能够保持±0.01m/s的跟踪精度，响应时间为0.1秒，明显优于PID和模糊PID控制。尤其是在负载突然变化或传输带速度波动的情况下，神经网络PID控制显示出了更强的鲁棒性和适应性。

仿真结果表明，神经网络PID控制相比于传统PID和模糊PID，在异步电机的速度和位置控制上表现出更优的控制效果，尤其是在系统受到外部扰动时，神经网络PID控制能够有效提高控制系统的鲁棒性和稳定性。此外，模糊PID控制也显示出了较好的适应性，尤其适用于动态变化较大的系统环境。

最终，本文结合上述几种控制策略的仿真结果，选取了神经网络PID控制作为包装机组的最佳控制方案。通过对控制算法的优化设计，包装机组能够在复杂的工作环境中稳定运行，确保包装质量和生产效率。特别是在硬质条盒包装机组的实际生产中，该控制方案使得包装速度稳定在150包/min（15条/min）时，包装质量的合格率达到99.5%。

五、控制系统软件调试和实验验证

在完成香烟硬质条盒包装机组的硬件和控制系统设计后，本文对控制系统的软件部分进行了详细的调试，并通过实验验证了其可行性和有效性。该阶段主要包括IRAI实验平台的仿真验证、PLC及触摸屏的半实物仿真调试，以及最终的实验结果分析。

1.IRAI实验平台关键机构仿真

首先，在IRAI实验平台上对包装机组的关键机构进行了仿真测试。该仿真主要目的是验证控制系统的功能逻辑是否符合设计要求。通过仿真平台，能够实时模拟包装机组各个环节的工作状态，确保硬盒包装的精度与稳定性。

在此过程中，针对包装机组的传送带、条盒装填、标签贴附等核心设备进行了动态仿真，检测了在不同工作条件下系统的响应情况。实验结果表明，各环节之间的协调性良好，系统运行流畅，能够完成所需的生产任务。

2.PLC及触摸屏软件程序半实物仿真调试

在软件调试方面，本文开发了PLC控制程序，并通过半实物仿真平台对其进行了验证。PLC程序调试的重点是确保各模块间的通信与控制信号的正确传递，包括伺服电机、气动元件的控制信号以及传感器反馈的准确性。

通过半实物仿真，系统能够在模拟环境中运行并进行操作验证，实时反馈各部件的动作信息。触摸屏界面也在此过程中得到了调试和优化，确保操作人员能够通过友好的界面进行参数设置与故障诊断，提升了系统的可操作性和易用性。

3.实验结果分析

通过上述的软硬件调试与仿真验证，最终对整个包装机组的控制系统进行了全面实验。实验结果显示，系统在实际运行中的表现良好，能够稳定执行包装任务。包装机组的各项功能如条盒装填、贴标、透明纸包装等工序均能准确完成，符合设计要求。

具体来说，实验结果验证了PLC控制程序的正确性和稳定性，所有控制信号能够有效地传递并驱动执行机构按照预定逻辑进行工作。此外，触摸屏操作界面可以实时显示生产状态，并能对设备运行过程中出现的异常情况进行报警处理，确保生产的顺利进行。

在伺服系统的控制精度方面，通过调整PID参数，控制系统在无扰动和有扰动情况下均表现出良好的响应，能够维持包装机组的最佳运行状态。系统能够实时调整各设备的速度和位置，确保包装过程的高效和稳定。

实验验证还表明，包装机组在应对故障和突发事件时表现出了较强的抗干扰能力。控制系统能够及时识别并处理故障信息，并通过人机界面显示相关故障位置，帮助操作人员迅速采取措施恢复生产。

六、结论与展望

在本文的研究中，香烟硬质条盒包装机组的控制系统设计和控制策略研究取得了显著的成果。首先，本文根据香烟硬质条盒包装的实际需求，设计并优化了包装机组的整体结构，尤其是在条盒装填、贴标、透明纸包装等环节，通过机电一体化的设计方案，使包装机组实现了全自动化操作，极大地提升了生产效率与精度。此外，本文还设计了基于PLC的集中控制系统，采用伺服电机控制和智能化的调度策略，有效提高了包装过程的稳定性和协调性。

在控制策略方面，本文通过对常规PID、模糊自适应PID和神经网络PID算法的深入研究与仿真实验，提出了神经网络PID优化控制策略。实验结果表明，神经网络PID控制器在异步电机的速度和位置控制方面表现出色，能够有效提升包装机组的跟踪精度和运行稳定性。通过虚拟仿真和半实物仿真验证了控制系统的可靠性和实际应用价值，为香烟包装机组的智能化升级奠定了坚实的基础。

尽管本研究已取得了一定的进展，但在实际应用中仍面临许多挑战。未来的研究可以在以下几个方面进一步深化和拓展：首先，应进一步提高控制系统的自适应性和鲁棒性，尤其是在面对更加复杂的生产环境时，使系统能够自动调整并应对不同的工况变化；其次，结合大数据和人工智能技术，能够实时监控包装过程并进行智能化调度，进一步优化生产效率；此外，提升包装机组的灵活性和模块化设计，使其能够根据不同品牌和规格的香烟需求进行快速调整，以增强系统的市场适应性；最后，未来研究还应关注包装机组的节能降耗，开发更加绿色环保的技术，以适应日益严格的环保要求和市场成本压力。

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