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摘 要：在烟草生产制造环节，卷接、包装机组是卷烟生产的关键设备，其自动化、智能化控制水平对卷烟企业的生产组织、卷烟产品的质量保障以及卷烟生产的成本控制有着重要影响。现代的卷包设备电控系统都采用了开放的体系结构和通用的国际标准，应用了现场总线、伺服驱动等工业自动化与驱动领域的先进的成熟的技术，进一步提升设备的生产效率和质量控制水平。
关键词：卷包设备；伺服控制技术；人机界面
烟草生产设备技术的先进程度，很大程度上决定着烟草加工工业的生产组织、生产规模、生产方式、能源和原材料消耗等，因而影响烟草制造工业的产品水平、质量、品种、效益以及更新换代周期，对烟草工业的发展起到促进作用，是烟草工业生产的基础，它的技术水平是衡量烟草工业生产现代化程度的主要标志之一。现代烟草设备具有以下特点。
1. 设备运行高速化
烟草设备运行高速化是指设备的运转速度、运行速度、运算速度大大加快，从而使生产效率显著提高。当前我国烟草行业目前应用的卷包设备品种较多。包装机组600包/分钟以上的超高速机组主要是进口产品，包括意大利GD公司的H1000型、S1000型、W1000型；德国FOCKE公司的F8；這些机组生产速度均达到1000包/分。卷接机组12000支/分钟以上的超高速机组主要也是进口产品，包括德国虹霓公司的PROTOS2-2，PROTOS-M8；意大利GD公司的GD121PLUS，这些设备生产速度均达到16000支/分钟。这些卷包设备不仅生产速度高，产品质量、生产效率，而且在降耗、降噪等方面均处于世界领先水平。它具有高可靠性；配套齐全，通用性强；功能完善、实时性好，友好的人机界面；系统智能化；控制软件功能强。从而提高了模块和硬件灵活配置的可能性，增加了设备的自诊断功能，加快了控制器运行速度。高速卷接包机组的引进和自主消化研发符合烟草行业品牌发展对技术装备的客观需要，在今后相当长时间内，世界卷烟包装设备将向高速、高生产效率、便于操作和维修保养、高灵活性、产品质量好且稳定以及全自动化方向发展，同时，其噪音和安全性将得到改善，也将利用计算机技术对生产资料和数据进行管理与整个卷烟厂的主计算机系统相联，以便更有效地对全厂的生产进行科学管理。
2. 设备功能自动化、智能化
随着现代通信技术，计算机网络技术以及现场总线控制技术的飞速发展，数字化、网络化和信息化正日益融入现代烟草生产设备之中，特别是在高速、超高速卷包设备。烟草生产设备的智能化，主要是指通过微处理器和人工智能的应用，使设备具有反馈判断、逻辑执行、自主控制等能力，以实现更精确的控制并提高机械的执行精确性[1-2]。高速卷接包机组的自动化、智能化主要体现在以下几个方面。
（1）工业总线的应用，使挂在总线上的作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及管控一体化的综合自动化功能。
（2）伺服控制技术是高速卷包设备的核心技术之一，伺服电机则是核心中的关键。伺服电机所具有的运行平稳、运动惯性小、动态响应快、加速性能好、输出力矩恒定和过载承受能力强等特点，有效地提高了设备控制系统的动态响应性、运行精度和运行寿命。
（3）采用集成电路模式。系统基于电流矢量控制技术，集扭矩控制、位置控制和数控功能为一体具有极高的动态响应特性以及控制精度。而且，在电路集成过程中采取了屏蔽措施，有效避免电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，降低电路的温度漂移现象。
（4）采用高精度多轴同步驱动技术，极大地简化机械设计，取消中间机械传动部件，从根本上减小了机械摩损与传动轨迹误差，确保高速运行中的定位精度，降低运行噪音和设备操作维修强度。采用交流伺服控制系统代替复杂的齿轮、同步带传动系统，实现各部分的独立驱动。
3. 设备控制的高精度化
高速、超高速卷包设备上的零部件对加工精度的要求非常严格，甚至有些苛刻；烟草产品的各项指标控制精度要求也越来越严格，因此烟草生产设备的自动化控制系统除了能够实现操作的自动化和无人化之外，还必须具备非常高的加工精度和控制精度[3-4]。高精度电气控制技术能够快速发展主要有两大原因：首先是得益于计算机技术、数字信号处理技术、自动控制技术、网络技术的发展：其次是有庞大的市场需求。例如传统制造领域技术提升的需求，电子加工、芯片制造和新型光机电一体化设备控制的需求都离不开高精度电气控制。运动控制技术作为机电一体化技术的核心部分，通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，以实现机械运动精确的位置控制、速度控制、转矩控制等。高精度运动控制是现代烟草设备制造工业的重要研究领域之一 ，对提高生产效率和产品质量具有十分重要的作用。高精度运动控制系统广泛应用于烟草生产、飞机制造和汽车模具等精 密制造。
高精度运动控制作为现代化设备的核心控制部件，它的开放性、通用性、可靠性和高速高精度是衡量其是否能够在工业界立足的关键。为了满足日益激烈的市场竞争需求，近几年来，运动控制产品发展不断加速，新产品不断涌现。基于PC总线的开放式结构运动控制器，基于网络的开放式结构运动控制器，嵌入式结构的运动控制器等将逐步作为主导产品得到越来越广泛的应用。电气运动控制就是以电机作为动力源，综合应用自动控制、计算机控制等相关技术，对机械传动装置中电机的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。
4. 设备操作更加人性化
人机界面（Human Machine Interaction，简称HMI），又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。 随着烟草行业的不断改革重组，信息化工作不断发展，我国的烟草行业的底层支撑设备和信息化建设已经有了一些信息积累，烟草行业应用软件的使用者以及领导层面的知識水平 都越来越高，对行业应用软件的应用需求越来越多的向注重 “以人为本” 的功能性需求发展，相对以前，对应用软件的人机交互界面的舒适性以及可操作性也提出了更高的要求[5]。
由人机交互的要素可以看出，用户在人机交互过程中占有绝对主导的地位 ，所以，在人机交互模式的设讨时，主要从以下几个原则出发：
（1）考虑用户视觉、听觉等方面因素
计算机应用软件输出的各类信息是通过眼睛、耳朵等器官系统接收后，交由大脑进行处理。所以人机界面的设计先要按照用户平时的视觉、听觉惯性进行设计，在布局、图标设计、菜单设计方面进行多重考虑，避免违反人类生理本能反应的设计出现，这样可以大大减少因为不习惯而导致的错误。比如说，高速卷烟机组PROTOS-M5、包装机组GDX6的操作系统应用软件的人机界面设计让操作者一目了然，让布局更加的易于浏览，提示音风格要尽量符合提示情境等。
（2）考虑用户大脑处理信息特点方面因素
人类对信息处理并形成对事物的认知的过程 ，大致会经由三种人体分析环节，分别是思维处理器、瞬时记忆以及深刻记忆等，而进行界面设计时就要充分考虑到这个瞬时记忆环 节，尽量把大量的显示信息通过巧妙设计联系起来，帮助用户进行数据信息的处理和记忆 ，并适当引导用户对一些重要的数据和信息进行深刻记忆，从而达到较好的使用效果。
（3）考虑用户错误操作因素
用户操作出现错误是很正常的现象，引起错误操作也可有多种因素， 比如同时进行多个任务导致误操作，或者对操作不熟悉忘记操作步骤等。我们在设计时要充分考虑到各种误操作可能产生的原因和现象，把界面设计的更加友好，流程更加符合用户日常工作习惯，能更好地引导用户进行正确操作，减少出现错误的几率，例如将操作提示和错误提示更加细化就是一个很好的解决方案。
（4）考虑界面自我完善因素
人机界面的自我完善主要是指应用系统逐步通过记忆等方式适应用户的过程，设计较为人性化的人机界面可以对用户的操作步骤、易出错环节等进行保存和分析，当同一个用户再次登陆后，该界面根据分析结果，能够调整界面和布局，以帮助用户更加顺畅地使用应用软件。所以，尽量在界面自我完善方面多加考虑，可以使整个应用软件的人机界面亲和度提高不少。当前烟草行业的人机界面已全系列化，包括手持式、面板式、台式和PC机式。今后的人机界面已不仅仅局限于SCADA以及编程、监控和诊断等，在工业自动化领域，人机界面可以为操作和管理人员提供越来越多的信息，功能强大的模块化软件和多客户机/服务器结构，使人机界面成为企业实时生产信息以及商务垂直集成的统一的软件平台，它也是连通到外部世界的媒介。通过驱动器或OPC来驱动各种I/O模块，总之人机界面已演变为一个完整的系统。
总之，烟机设备电气控制系统向综合自动控制方向发展。现代烟机设备，特别是高速卷包设备的电气控制技术具有模糊控制、智能控制、专家诊断等系统，呈现综合自动控制特性。这些自动控制系统的建立都是以多学科的新理论、新概念和新技术理论为基础，对整个流程和设备进行的综合应用，包含计算机技术、自动化技术、电子技术、工业网络等等。各种控制系统、控制软件、专用计算机、PLC控制器、传感器等将是自动控制发展的主要技术基础。先进的烟草设备电气控制系统必须与自动控制技术发展紧密结合起来。当前高效率、高精度的和高可靠性的自动化控制系统和计算机生产系统已广泛应用于M5、M8、GDX6等高速卷包设备上，极大地促进烟草卷包设备自控技术的发展。
参考文献
[1] 王佰增.自动控制技术现状及发展趋势[J].数字化用户.2013（25）：49.
[2] 龚言.超高速卷接机组的自动化、智能化控制技术[J].工程技术.2015（43）：18-19.
[3] 赵立杰.高速高精度运动控制技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.
[4] 包曙阳.烟草行业卷包设备的状态监测与检修管理系统研究[D].上海：复旦大学，2008.
[5] 尚淼.人性化人机界面设计原则初探[C].工业设计国际会议暨第11届中国工业设计年会.2006.
关键词：卷包设备；伺服控制技术；人机界面
烟草生产设备技术的先进程度，很大程度上决定着烟草加工工业的生产组织、生产规模、生产方式、能源和原材料消耗等，因而影响烟草制造工业的产品水平、质量、品种、效益以及更新换代周期，对烟草工业的发展起到促进作用，是烟草工业生产的基础，它的技术水平是衡量烟草工业生产现代化程度的主要标志之一。现代烟草设备具有以下特点。
1. 设备运行高速化
烟草设备运行高速化是指设备的运转速度、运行速度、运算速度大大加快，从而使生产效率显著提高。当前我国烟草行业目前应用的卷包设备品种较多。包装机组600包/分钟以上的超高速机组主要是进口产品，包括意大利GD公司的H1000型、S1000型、W1000型；德国FOCKE公司的F8；這些机组生产速度均达到1000包/分。卷接机组12000支/分钟以上的超高速机组主要也是进口产品，包括德国虹霓公司的PROTOS2-2，PROTOS-M8；意大利GD公司的GD121PLUS，这些设备生产速度均达到16000支/分钟。这些卷包设备不仅生产速度高，产品质量、生产效率，而且在降耗、降噪等方面均处于世界领先水平。它具有高可靠性；配套齐全，通用性强；功能完善、实时性好，友好的人机界面；系统智能化；控制软件功能强。从而提高了模块和硬件灵活配置的可能性，增加了设备的自诊断功能，加快了控制器运行速度。高速卷接包机组的引进和自主消化研发符合烟草行业品牌发展对技术装备的客观需要，在今后相当长时间内，世界卷烟包装设备将向高速、高生产效率、便于操作和维修保养、高灵活性、产品质量好且稳定以及全自动化方向发展，同时，其噪音和安全性将得到改善，也将利用计算机技术对生产资料和数据进行管理与整个卷烟厂的主计算机系统相联，以便更有效地对全厂的生产进行科学管理。
2. 设备功能自动化、智能化
随着现代通信技术，计算机网络技术以及现场总线控制技术的飞速发展，数字化、网络化和信息化正日益融入现代烟草生产设备之中，特别是在高速、超高速卷包设备。烟草生产设备的智能化，主要是指通过微处理器和人工智能的应用，使设备具有反馈判断、逻辑执行、自主控制等能力，以实现更精确的控制并提高机械的执行精确性[1-2]。高速卷接包机组的自动化、智能化主要体现在以下几个方面。
（1）工业总线的应用，使挂在总线上的作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及管控一体化的综合自动化功能。
（2）伺服控制技术是高速卷包设备的核心技术之一，伺服电机则是核心中的关键。伺服电机所具有的运行平稳、运动惯性小、动态响应快、加速性能好、输出力矩恒定和过载承受能力强等特点，有效地提高了设备控制系统的动态响应性、运行精度和运行寿命。
（3）采用集成电路模式。系统基于电流矢量控制技术，集扭矩控制、位置控制和数控功能为一体具有极高的动态响应特性以及控制精度。而且，在电路集成过程中采取了屏蔽措施，有效避免电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，降低电路的温度漂移现象。
（4）采用高精度多轴同步驱动技术，极大地简化机械设计，取消中间机械传动部件，从根本上减小了机械摩损与传动轨迹误差，确保高速运行中的定位精度，降低运行噪音和设备操作维修强度。采用交流伺服控制系统代替复杂的齿轮、同步带传动系统，实现各部分的独立驱动。
3. 设备控制的高精度化
高速、超高速卷包设备上的零部件对加工精度的要求非常严格，甚至有些苛刻；烟草产品的各项指标控制精度要求也越来越严格，因此烟草生产设备的自动化控制系统除了能够实现操作的自动化和无人化之外，还必须具备非常高的加工精度和控制精度[3-4]。高精度电气控制技术能够快速发展主要有两大原因：首先是得益于计算机技术、数字信号处理技术、自动控制技术、网络技术的发展：其次是有庞大的市场需求。例如传统制造领域技术提升的需求，电子加工、芯片制造和新型光机电一体化设备控制的需求都离不开高精度电气控制。运动控制技术作为机电一体化技术的核心部分，通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，以实现机械运动精确的位置控制、速度控制、转矩控制等。高精度运动控制是现代烟草设备制造工业的重要研究领域之一 ，对提高生产效率和产品质量具有十分重要的作用。高精度运动控制系统广泛应用于烟草生产、飞机制造和汽车模具等精 密制造。
高精度运动控制作为现代化设备的核心控制部件，它的开放性、通用性、可靠性和高速高精度是衡量其是否能够在工业界立足的关键。为了满足日益激烈的市场竞争需求，近几年来，运动控制产品发展不断加速，新产品不断涌现。基于PC总线的开放式结构运动控制器，基于网络的开放式结构运动控制器，嵌入式结构的运动控制器等将逐步作为主导产品得到越来越广泛的应用。电气运动控制就是以电机作为动力源，综合应用自动控制、计算机控制等相关技术，对机械传动装置中电机的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。
4. 设备操作更加人性化
人机界面（Human Machine Interaction，简称HMI），又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。 随着烟草行业的不断改革重组，信息化工作不断发展，我国的烟草行业的底层支撑设备和信息化建设已经有了一些信息积累，烟草行业应用软件的使用者以及领导层面的知識水平 都越来越高，对行业应用软件的应用需求越来越多的向注重 “以人为本” 的功能性需求发展，相对以前，对应用软件的人机交互界面的舒适性以及可操作性也提出了更高的要求[5]。
由人机交互的要素可以看出，用户在人机交互过程中占有绝对主导的地位 ，所以，在人机交互模式的设讨时，主要从以下几个原则出发：
（1）考虑用户视觉、听觉等方面因素
计算机应用软件输出的各类信息是通过眼睛、耳朵等器官系统接收后，交由大脑进行处理。所以人机界面的设计先要按照用户平时的视觉、听觉惯性进行设计，在布局、图标设计、菜单设计方面进行多重考虑，避免违反人类生理本能反应的设计出现，这样可以大大减少因为不习惯而导致的错误。比如说，高速卷烟机组PROTOS-M5、包装机组GDX6的操作系统应用软件的人机界面设计让操作者一目了然，让布局更加的易于浏览，提示音风格要尽量符合提示情境等。
（2）考虑用户大脑处理信息特点方面因素
人类对信息处理并形成对事物的认知的过程 ，大致会经由三种人体分析环节，分别是思维处理器、瞬时记忆以及深刻记忆等，而进行界面设计时就要充分考虑到这个瞬时记忆环 节，尽量把大量的显示信息通过巧妙设计联系起来，帮助用户进行数据信息的处理和记忆 ，并适当引导用户对一些重要的数据和信息进行深刻记忆，从而达到较好的使用效果。
（3）考虑用户错误操作因素
用户操作出现错误是很正常的现象，引起错误操作也可有多种因素， 比如同时进行多个任务导致误操作，或者对操作不熟悉忘记操作步骤等。我们在设计时要充分考虑到各种误操作可能产生的原因和现象，把界面设计的更加友好，流程更加符合用户日常工作习惯，能更好地引导用户进行正确操作，减少出现错误的几率，例如将操作提示和错误提示更加细化就是一个很好的解决方案。
（4）考虑界面自我完善因素
人机界面的自我完善主要是指应用系统逐步通过记忆等方式适应用户的过程，设计较为人性化的人机界面可以对用户的操作步骤、易出错环节等进行保存和分析，当同一个用户再次登陆后，该界面根据分析结果，能够调整界面和布局，以帮助用户更加顺畅地使用应用软件。所以，尽量在界面自我完善方面多加考虑，可以使整个应用软件的人机界面亲和度提高不少。当前烟草行业的人机界面已全系列化，包括手持式、面板式、台式和PC机式。今后的人机界面已不仅仅局限于SCADA以及编程、监控和诊断等，在工业自动化领域，人机界面可以为操作和管理人员提供越来越多的信息，功能强大的模块化软件和多客户机/服务器结构，使人机界面成为企业实时生产信息以及商务垂直集成的统一的软件平台，它也是连通到外部世界的媒介。通过驱动器或OPC来驱动各种I/O模块，总之人机界面已演变为一个完整的系统。
总之，烟机设备电气控制系统向综合自动控制方向发展。现代烟机设备，特别是高速卷包设备的电气控制技术具有模糊控制、智能控制、专家诊断等系统，呈现综合自动控制特性。这些自动控制系统的建立都是以多学科的新理论、新概念和新技术理论为基础，对整个流程和设备进行的综合应用，包含计算机技术、自动化技术、电子技术、工业网络等等。各种控制系统、控制软件、专用计算机、PLC控制器、传感器等将是自动控制发展的主要技术基础。先进的烟草设备电气控制系统必须与自动控制技术发展紧密结合起来。当前高效率、高精度的和高可靠性的自动化控制系统和计算机生产系统已广泛应用于M5、M8、GDX6等高速卷包设备上，极大地促进烟草卷包设备自控技术的发展。
参考文献
[1] 王佰增.自动控制技术现状及发展趋势[J].数字化用户.2013（25）：49.
[2] 龚言.超高速卷接机组的自动化、智能化控制技术[J].工程技术.2015（43）：18-19.
[3] 赵立杰.高速高精度运动控制技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.
[4] 包曙阳.烟草行业卷包设备的状态监测与检修管理系统研究[D].上海：复旦大学，2008.
[5] 尚淼.人性化人机界面设计原则初探[C].工业设计国际会议暨第11届中国工业设计年会.2006.