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山东大学 硕士学位论文 包裹分拣机控制信息系统的改造 姓名：张云超 申请学位级别：硕士 专业：控制工程 指导教师：王划一 20080523 山东大学硕士学位论文 摘要 随着经济社会的不断发展，越来越要求机器智能化，从而达到节省人力资 源，提高经济效益的效果，在这个大背景下，国家邮政局决定启动邮政营业系 统和网运系统互联互通工程建设，在邮政全网范围内，对给据邮件处理实施网 络化作业模式。基本思路是：以建立全国邮政编码地址信息系统为基础，对电 子化支局、中心局生产作业等应用系统进行集成，在国内普通包裹、快递包 裹、挂号印刷品、挂号信函上粘帖或印刷不带寄达局信息的唯一性标识条码， 在邮件收寄时录入、并通过信息网传输与该邮件相对应的各类信息，从而实现 给据邮件全程的自动分拣、自动登单、跟踪查询、资费稽核等多种功能。 本文结合济南邮区中心局对包裹分拣机的改造，着重讨论了对包分机控制 信息环节的改造，包括驱动控制系统、小车控制系统、供包机控制系统、主控 系统以及信息网络的组成。 在驱动控制系统改造中，主要将托盘式分拣方式改造为符合时代潮流的高 速交叉带式分拣方式，提高了工作效率；增设了直线电机和副驱动柜，使整个 系统更加稳定。 对小车系统的改造将托盘式小车改为交叉带式小车，每八个小车为一组， 每组车由一个控制箱控制信息的传递；每个小车通过变频器和鼠笼式三相异步 电动机的控制实现小车的正反转，使小车可以准确的上、下包。 供包机的改造，将原来闲置的动态称充分利用起来，配合龙门架的光电管 测量包件的重量、体积，并通过对供包机p l c 程序的改写实现格口的自动齐格功 能，避免了二次扫描，提高了生产效率。 在对软设施的改造上，增加了中间服务器，使用了标准的1 2 8 码，使扫描开 拆，上包分拣，齐格封发无时无刻不在网络中，所有邮件都有据可查。所有环 节都避开了人工录入，节省了人力，减少了错误。 山东大学硕士学位论文 本文在对控制信息系统改造的论述中，简单的对工程中涉及的p l c 控制器、 变频器、电机以及部分传输协议等基本概念进行了讲解，最后介绍了软件环境 的配置，使整个系统运转正常 关键词：包裹分拣机；p l c ；信息控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe c o n o m i cs o c i e w , t h em a c h i n e sa r e i n c r e a s i n g l yr e q u i r e dt ob ei n t e l l e c t u a l i z e di no r d e rt os a v et h eh u m a nr e s o u r c e s a n di m p r o v et h ee c o n o m i ce m c i e n c y u n d e rt h i sb a c k g r o u n d s t a t ep o s t a lb u r e a u d e c i d e dt os t a r tt h ei n t e r c o n n e c t i o n i n t e r c o m m u n i c a t i o n e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o no fp o s t a ls e r v i c eb u s i n e s ss y s t e ma n dt h en e tt r a n s p o r ts y s t e m w i t h i nt h e s c o p e o ft h ep o s t a ln e t w o r ks e r v i c e t h e yo p e r a t et h e b e t a n e t w o r k r i z a t i o nm o d et od e a lw i t ht h er e c o r dm a i l s t h eb a s i ci d e ai s ：t o t a k ee s t a b l i s h i n gt h ew h o l en a t i o np o s t a lc o d ea d d r e s si n f o r m a t i o ns y s t e ma st h e f o u n d a t i o n t oc a r r yo u ti n t e g r a t i o no nt h ea p p l i c a t i o ns y s t e ms u c ha st h e p r o d u c t i o ni nt h ee l e c t r o n i cb r a n c hb u r e a ua n dt h ec e n t r a lb u r e a u t os t u c ko r p r i n t e dt h eu n i q u el o g ob a rc o d ew i t h o u tt h ep o s tb u r e a ui n f o r m a t i o no nt h e d o m e s t i co r d i n a r yp a r c e l s ，e x p r e s sp a r c e l s ，r e g i s t e r e dp r i n t e dm a t t e r sa n d r e g i s t e r e dl e t t e r s t ol o gj nt h ec o d ew h e nt h em a i ls e n d sa n dr e c e i v e sa n dt o t r a n s m i td i f i e r e n tk i n d so fi n f o r m a t i o nw h i c hc o r r e s p o n d sw i t ht h i sm a i l t h r o u g ht h ei n f o r m a t i o nn e t w o r k i nt h i sw a y , t h er e c o r dm a i l sc a nb en o to n l y a u t o m a t i c a l l ys o r t e da n dl o g g e di n b u ta l s of o l l o w e da n da u d i t e d l i n k i n gw i t ht h et r a n s f o r m a t i o no fp a r c e ls o r t i n gm a c h i n e si ni i n a np o s t a l d i s t r i c tc e n t r a lb u r e a u t h i sa r t i c l ee m p h a t i c a l l yd i s c u s s e dt h et r a n s f o r m a t i o no f l i n k so fp a r c e ls o r t i n gm a c h i n e si n f o r m a t i o n ，i n c l u d i n gd r i v ec o n t r o ls y s t e m ， t r o l l e yc o n t r o ls y s t e m ，p a r c e lc o n v e y o rs y s t e m ，h o s tc o n t r o ls y s t e ma sw e l la s c o m p o s i t i o no fi n f o r m a t i o nn e t w o r k i nt h et r a n s f o r m a t i o no fd r i v ec o n t r o ls y s t e m ，t h em o d eo ft r a y - t y p es o r t i n g w i l lm a i n l yr e p l a c eb yt h em o d eo fh i g h - s p e e dh a l v e db e l ts o r t i n gw h i c hm e e t s t h en e e do fn e wt r e n do ft h et i m e st oi m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c i e n c y a d d i t i o n a l l yi th a ss e tu pt h el i n e a rm o t o ra n dt h ev i c e - d r i v i n ge q u i p m e n tt o m a k et h eo v e r a l ls y s t e ms t a b l e r i nt h et r a n s f o r m a t i o no ft r o l l e yc o n t r o ls y s t e m t h et r a y t y p et r o l l e yw i l l m a i n l yr e p l a c eb yt h eh a l v e db e l tt r o l l e y e v e r ye i g h tt r o l l e y sw i l lb eag r o u pa n d i ne a c hg r o u po fv e h i c l e s t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni sc o n t r o l l e db yac o n t r o l b o x e a c ht r o l l e yc a nt u r na n dr e v e r s eb yf r e q u e n c yc o n v e r t e ra n dt h e3 - p h a s e s q u i r r e lc a g ea s y n c h r o n o u si n d u c t i o nm o t o rs ot h a ti tc a nb ea c c u r a t e l yg ou p a n dd o w n i nt h et r a n s f o r m a t i o no ft h ep a r c e lc o n v e y o rs y s t e m i tm a k e sf u l lu s eo ft h e o r i g i n a li n a c t i v ed y n a m i cs c a l e sa n dc o o r d i n a t e sw i t ht h ep h o t o t u b eo nt h e g a n t r yf l a m et om e a s u r et h ew e i g h ta n ds i z e o ft h ep a r c e l s i ta l s oc a n a u t o m a t i c a l l ya c h i e v et h ea l i g n i n gf u n c t i o nb yr e w r i t i n gt h ep l cp r o g r a mf o r p a r c e lc o n v e y o ra n di m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yw i t h o u tt h es e c o n ds c a n n i n g - 9 山东大学硕士学位论文 i nt h et r a n s f o r m a t i o no ft h es o f tf a c i l i t y , i th a si n c r e a s e dt h ei n t e r m e d i a t e s e r v e r i th a su s e dt h es t a n d a r d1 2 8c o d et os c a n s o r t , s e a la n ds e n dt h ep o s t a l m a t e r i a l si nt h en e t w o r ka l lt h et i m es ot h a ta l lm a i l sc a nb ef o u n d a l ll i n k sh a v e a v o i d e dt h ea r t i f i c i a li n p u ta n dt h i sh a ss a v e dt h em a n p o w e ra n dr e d u c e dt h e m i s t a k e e x p o u n d i n gm yv i e w so nt h ec o n t r o li n f o r m a t i o ns y s t e mt r a n s f o r m a t i o n ，t h i s a r t i c l es i m p l ye x p l a i n st h eb a s i cc o n c e p t so fp l cc o n t r o l l e r , f r e q u e n c yc o n v e r t e r , t h em o t o ra n dt h ep a r t i a lt r a n s p o r tp r o t o c o l sw h i c hi n v o l v e di nt h ep r o je c t f i n a l l yi ti n t r o d u c e dt h es o f t w a r ee n v i r o n m e n td i s p o s i t i o nt oc a u s et h eo v e r a l l s y s t e mr e v o l u t i o nt ob en o r m a l 一1 0 k e yw o r d s ：p a r c e ls o r t i n gm a c h i n e ；p l c ；i n f o r m a t i o nc o n t r o l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：纽堇蛋日期：q 垒型：篁上弓 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本 人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：纽堑导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 分拣系统改造的背景 第一章绪论 随着经济社会的不断发展，越来越要求机器智能化，从而达到节省人力资 源，提高经济效益的效果，在这个大背景下，国家邮政局决定启动邮政营业系 统和网运系统互联互通工程建设，在邮政全网范围内，对给据邮件处理实施网 络化作业模式。基本思路是：以建立全国邮政编码地址信息系统为基础，对电 子化支局、中心局生产作业等应用系统进行集成，在国内普通包裹、快递包裹、 挂号印刷品、挂号信函上粘帖或印刷不带寄达局信息的唯一性标识条码，在邮 件收寄时录入、并通过信息网传输与该邮件相对应的各类信息，从而实现给据 邮件全程的自动分拣、自动登单、跟踪查询、资费稽核等多种功能。 包裹分拣系统改造项目是两网互通工程中的子项目，它关联到生产作业系 统、包分机系统的改造，是两网互通工程中“邮件信息一次录入、全程共享、全 网共用”这个目标的具体应用层面。项目建成正式启用后，将全面推升全网邮件 分拣封发作业的自动化、信息化水平。 包分机改造项目对全网分拣封发处理带来的效益是不言而喻的。 1 2 分拣系统的现状 1 2 1 实物流和信息流的现状 当前，对于收寄、出口局分拣封发、进口局分拣封发、投递4 个环节，邮件 的实物流和信息流没有同步传输使用，中心局、收寄、投递三个部门对邮件信 息的处理都是相对隔断，信息流处于一种中断、不延续的状态。由此带来了在 整个邮件传递过程中信息处理的低效能，同时又阻碍了实物处理效率的进一步 提高。 1 2 2 信息分拣的现状 信息分拣就是现行的以2 2 位1 2 8 码为代表的分拣处理模式。散件条码携带有 分拣所需的基本信息，即邮件号码、收寄局、寄达局、邮件种类。分拣系统通 1 山东大学硕士学位论文 过扫描条码，拆分出这些信息交有相关系统做分拣、封发处理。该种方式要求， 收寄环节必须全部粘贴1 2 8 散件码。但是这种方式从根本上解决不了进口分拣本 埠格口机构代码在收寄环节无法知晓的难题。 1 2 3 封发环节的现状 现行封发模式是逐个扫描本格口邮件，直至装满一袋，再做封发。这就形 成了二次扫描，使开拆分拣和封发环节成为两个互无联系的个体。 1 2 4 工作流程的现状 对于包刷邮件的分拣封发，目前在用的模式是一种重供包和封发环节，而 轻开拆环节的处理模式。从全网的角度来看，在一定程度上也是一种只注重本 环节而轻全网的分拣封发作业模式。而在流程上，也是一种重实物、轻信息的 处理流程。 1 3 分拣系统改造的目标 本次包分机改造项目将采用网络分拣的处理模式，包分机系统将通过和生 产作业系统的信息交换来完成邮件的自动分拣处理。 网络分拣就是使用1 3 位3 9 码处理速递邮件相类似的分拣模式。散件条码基 本不包括分拣所需的信息，分拣封发作业必须完全依托网络和系统，使用收寄 环节采集的散件信息方能实施。它对网络和系统的稳定行要求高，在收寄环节 对邮件信息的采集则要求完整。两网互通工程将在普邮上采用1 2 8 码制的1 3 位 i d 码，通过对全网的收寄系统、分拣系统、投递系统的改造及邮编名址库的建 设，可以很好的做到信息一次录入、全程共享、全网共用。 将托盘式分拣机改为带式分拣机，满足信息改造的需要。 上包环节安装动态秤、龙门架，自动检测包裹重量、体积，实现自动齐格 的功能，从而避免二次扫描，提高生产效率。 改造后封发作业流程将发生如下的变化 当前的分拣封发作业流程 如图1 1 所示，当前使用的分拣封发作业流程，从一定程度和角度来看， 开拆环节是一个相对独立的处理环节。开拆环节对拆出邮件的信息处理和后续 环节没有太多的关系。在整个处理流程中，重点是在供包环节和封发环节，生 山东大学硕士学位论文 产作业质量的好坏也取决于这两个环节的处理结果。相对于开拆、供包、机分、 封发4 个环节，由于存在2 种不关联系统以及散件2 5 码的大量存在，信息流是不 连贯的，所以导致供包和封发环节都是对照邮件实物人工处理为主。 总包开拆 上 一散件人工勾核 1r 供包按键或扫描 厂。一一一 上 0 开拆信息 分拣入格 平衡合拢 1 扫描入袋 1 1 上 识读器上传信息 土 打印清单、袋牌 l 封发信息0 + 。“、。：。j、 封发 i 中心局系统分拣机系统 实物流备选操作 信息流 一一一一 图1 1 当前分拣封发流程 新的分拣封发作业流程 改造后，新的分拣封发作业流程如图1 2 所示，是一个以信息处理为主的 流程。以下是对各个环节处理的详细叙述： 山东大学硕士学位论文 总包开拆 补签 il ( 可 选)l i一逐件扫描勾核 r l 1r 供包扫描 0 开菇息息开拆信息 j r 分拣入格 平衡合拢 ： 格口散件信息 i 打印清单、袋牌 ： 1 1r 散件入袋 1r 1 + 。“封发 封发信息 中心局系统分拣机系统 实物流 信息流 备选操作 图1 2 新分拣封发流程 a ) 开拆环节 开拆员开拆总包，在生产作业系统的开拆模块中，接收上一环节的封发信 息，利用有线扫描器对拆出的邮件做逐件扫描勾核。开拆员要清点邮件数量， 验视邮件的封装规格，并核对信息的寄达局是否正确，如果不正确，则需要修 改寄达局。如果邮件没有条码或条码不能识读，则要求必须使用生产作业系统 补打散件1 2 8 码条码签。整份清单勾核完毕后，在生产作业系统上做确认勾核处 理，生产作业系统会将此份清单的开拆信息传给中间服务器。 山东大学硕士学位论文 b ) 供包环节 包分机系统读取中间服务器上的开拆信息，供包环节扫描实物条码后，使 用条码在接收的开拆信息中查找条码所对应邮件的详细信息，提取寄达局代码 和邮件种类( i d 码模式下则是提取分拣用邮编和邮件种类) ，然后比对当前的 分拣封发方案，算出邮件应入格信息并控制邮件自动入格。包分机系统在供包 环节还将采集邮件的重量和体积信息。对于新的信息流程，包分机系统取消了 按键分拣的功能。 c ) 邮件分拣入格 包分机系统将邮件控制分拣入格，并将邮件的入格信息传输到中间服务器 上，此时的分拣信息只是在开拆信息的基础上增加了入格信息。对于交叉带包 分机，系统在控制邮件入格的同时，还按格口监控是否达到齐格条件( 体积、 重量、件数) ，一旦满足齐格条件，系统将自动采取锁格控制，并将己入格的 邮件信息生成一份清单，传给中间服务器。交叉带包分机还具备手动锁格的功 能，一旦封发员手动锁格，系统同样将采取锁格控制，并将已入格邮件信息生 成一份清单，传给中间服务器。 d ) 封发处理 相对于以前的封发处理模式，生产作业系统增加了新的封发处理模块。以 前常见的生产作业系统二次扫描封发模式和各个包分机自带的封发制单系统都 将被其替代。 生产作业系统接收中间服务器上的分拣、封发信息，并在终端上按台席打 印各封发员所需的封发清单。封发员根据显示屏的报警信息，取封发清单到包 分机格口处核对实物，装袋封发。完后按解锁键解除对该格口的封锁。清单的 打印分为自动和手动两种方式。对于包分机系统分拣邮件出现的诸如错入格、 超重、超大等异常情况，封发员使用生产作业系统新封发模块中的留存、锁定、 分袋功能予以处理。 山东大学硕士学位论文 第二章交叉带式分拣机的整体架构 为了配合实现网络化分拣的需要，使信息流能够畅通无阻的传递，首先要 将托盘式分拣机改造为交叉带式分拣机。 改造过程中，保留原有格口、支架、台席等硬件部分，主要改造控制部分， 包括上包台的控制、小车的控制及整个系统的通信。 2 1 带式分拣机概述 带式高速包刷分拣机的设计大量采用标准化、模块化及先进的计算机技术。 具有灵活的系统布局，允许水平面与地面呈曲线变化；高可靠性，维护方便； 低机械磨损，低运行中断；准确的入格率及低噪声；智能的系统图形监控、自 动制单系统及邮件的精确定位功能掣3 0 1 。 主要技术参数： 分拣效率：1 0 8 0 0 件d , 时、7 2 0 0 件d , 时、5 4 0 0 件小时； 主机运行速度：2 2 5 m s 、1 5 m s 、1 1 2 5 m s ( 另设一档低速检修速 度：o 3 5 m s ) ； 小车数量：3 0 3 ； 小车距：7 5 0 m m ； 小车承载能力：3 5 k ； 平均噪声：7 0 d b ( a ) ； 格口数：2 8 6 ( 含一个收容口) ； 格口距：1 0 0 0 m m ； 驱动功率：3 8 k w ： 整机布置形式：环形； 机高：2 8 0 0 m m ； 整机单边截面断面宽：5 0 0 0 m m ； 供包机数量：5 4 ( 其中一台为全方位扫描) ； 供包机效率：2 0 0 0 件1 1 , 时： 山东大学硕士学位论文 供包机与主机夹角：3 0 。； 对邮件的要求： 重量：5 0 9 一3 5 k g 。 最小尺寸：4 0 m m 4 0 m m x 2 0 m m ( l w x h ) 。 最大尺寸：1 0 0 0 m m x 6 0 0 m m 4 0 0 m m ( l w h ) 。 卷件、圆件：应使用包装盒。 实物分拣差错率：3 1 0 0 0 0 环行机架部分主要由机架、直轨道、弯轨道组成。 图21 机架 滑槽形式：双阶梯折线型，距地面高度7 0 0 m m ；按大格口1 5 0 0 m m 和小格 口7 5 0 m m 配置，每个大格口均安装可拆卸的隔板以形成两个小格口。采用可分 离式结构设计，可满足对集装箱滑槽和邮装滑槽的要求。 弯轨介绍 a 弯轨道也采用6 - 2 5 m m 的优质钢板，数控加工成型，小车中，t 5 , 转弯半径 为r = 2 8 6 6 m m 山东大学硕士学位论文 差。 图2 2 弯轨 b 组焊时全部采用焊夹具，严格按焊接工艺进行以保证尺寸精度和形位公 直轨介绍 图2 3 直轨 山东大学硕士学位论文 直轨道采用标准单元组合方式。标准单元长度为l = 3 0 0 0 m m ，采用6 = 2 5 m m 的优质钢板，数控加工成型。 2 2 控制原理简述 带式高速包刷分拣机系统主要由机械系统和控制系统两部分组成( 控制系 统部分为上位机部分和p l c 控制部分) 。详见表2 1 ：( 机械系统基本采用原有 设置，将不详细叙述) 机械系统控制系统 ( 1 ) 小车总成：准确地接、( 1 ) 小车控制系统：控制、管理、 卸邮件。监控小车的各种参数变量及通信。 ( 2 ) 供包机：准确的将邮件( 2 ) 供包机系统：测定邮件的体 供在小车盘面中心位置。积、位置、重量，并控制邮件准确的进 入小车托盘中心。 ( 3 ) 全方位扫描系统：自动检测 邮件的路由信息并把相关信息传给控 制系统。 ( 3 ) 驱动系统：保证主机在( 4 ) 通信单元：负责主控系统与 设定的不同速度下的匀速运行( 速小车控制系统通信。 度不因负载的变化而变化) 。 ( 4 ) 机架及轨道：保证主机 ( 5 ) 自动制单系统：本身构成一 的运行精度，并易于检修、维护。个独立网络系统，并与主机服务器联接 构成计算机局域网。将邮袋内邮件的各 种数据自动打印出来，不需再进行登单 等。 ( 5 ) 容器系统：有集装箱格( 6 ) 满格告警显示系统：与主控 口、邮袋格口和收容格口。系统相连的一个独立网络。 ( 7 ) 驱动控制系统：多台直线电 机驱动的控制，并与主控系统相连接。 ( 8 ) 主控系统：上述各系统的中 央控制系统。 ( 9 ) 图形监控：监控整机的运行 状态。 表2 - 1 山东大学硕士学位论文 2 3 系统的功能结构框图 图2 - 4 系统的功能结构框图 自动制单系统：具有自动打印邮件路单、邮包袋牌，邮件信息预录入，路 单查询及通过邮政综合网接发邮件信息等功能。 图形监控系统：采用中文界面，具有动态监控分拣系统运行状态，各功能 模块故障显示，格口记数系统的监控及功能操作等功能。 满格告警及计数显示：具有当格口因由用户制定的约束条件满格时自动告 警，实时显示格口数据，请封格口和封锁格口等功能。 主控系统：具有桥接各功能模块，集中进行复杂计算，向各功能模块发出 控制指令等功能。 驱动控制系统：具有四档调速功能，自诊断功能，匀速度运行( 指速度不 因负载变化而变化) 等功能。 供包机控制系统：具有邮件全节目信息录入或邮件信息条形码扫描输入， 山东大学硕士学位论文 测量邮件的物理特性( 体积、重量) 后，准确将邮件导入小车中心等功能。 通信单元：与小车控制系统信息交换功能。 小车控制系统：具有邮件自动对中( 基本对中) ，自诊断功能，与通信单 元信息交换等功能。 2 4 系统的控制结构框图 控制系统主要由驱动控制系统、小车控制系统、供包机控制系统、主控系 统组成。 - 。一一。一一。一一一一一一1 一一一。1 通过邮政综合网 ；打印路单； ；接发邮件信息、 ii 和袋牌i i 预录入、录入条 ； ! 形码扫描等功! ii 图2 5 系统的控制结构框图 山东大学硕士学位论文 第三章驱动控制系统的改造 3 1 驱动系统的改造 因原托盘式分拣机不是老式的用履带链、大螺杆或大链轮驱动牵引链运行 的，而是采用直线电机驱动的，所以这次改造只需更换原有直线电机，增加8 台新直线电机并增设副驱动柜，使变频器对直线电机的控制分散开，增加系统 的稳定性 3 2 驱动控制原理 驱动控制系统采用恒速控制的调速系统，具有恒速控制及速度恒定( 指速 度不因负载变化而变化) 的特点；调速系统指设备的运行速度是按需求可变的； 本系统采用模拟量控制的方式，改变输出的模拟量来改变直线电机的运行频率 2 0 l o 驱动控制系统是一种无接触的驱动方式，在提高设备的运行速度、降低噪 音，提高设备使用寿命和设备维护等方面有明显的优势【l6 1 。本系统以p l c 控制 系统作p i d 控制策略的闭环恒速控制，能够自动采样速度和自动调节运行速度， 这是一套闭环控制的调速智能系统 3 1 。在负载发生变化时，能有效地使次级板 保持匀速运转，使设备运行平稳，速度不会有明显的波动。 闭环控制框图如下： 图3 - 1 闭环控制框图 山东大学硕士学位论文 3 3 驱动系统组成 改造后的驱动系统由可编程控制器( t s x 3 7 2 2 系列可编程控制器) 、a b b 变频器、直线电机、小车次级板、光电开关、光电开关反射板、一些必须的元 器件和若干电缆线组成。如图3 2 所示。 图3 2 驱动系统 3 3 1 可编程控制器 驱动控制部分采用施耐德自动化公司t s x 3 7 系列的可编程控制器。 t s x 3 7 2 2 模块化的p l c 是紧凑型的模块结构，具有高速计数和模拟i o 功 能。其组成是：一个集成2 4 v 直流电源块( t s x 3 7 2 2 1 0 ) 或是1 0 0 一- - 2 4 0 v 交流电 源块( t s x 3 7 2 2 0 0 1 ) ，处理器，相关存储器，备份和安装模块的三个槽的机架。 其i o 点数可达1 1 2 个，用h e l 0 连接器，i o 点数可达1 8 4 个【2 2 1 。开关量、模拟、 计数器模块等都安装在t s x 3 7 2 2p l c 的有效位置。开关量模块有两种尺寸：占 用一个安装槽( 两个位置) 的标准尺寸和仅占一个位置的半尺寸，模拟量模块 为半尺寸( 第一个槽只能安装标准尺寸模块) 。 t s x 3 7 2 2 型p l c 的基本配置( 基本模块数矛 j i o 数) ：开关量i o 模块为2 8 个i o 点的开关量模块用l 块；模拟量输出模块用l 块。它的缺省配置是波特率为 山东大学硕士学位论文 9 6 0 0 的u n i t e l w a y 主通讯模式，也能够配置u n i t e l w a y 从模式和a s c i i 字符模式【1 1 。 两个小型8 针d i n 尺寸的r s 4 8 5 端口，主要用于连接该系列的编程电缆。 t s x 3 7 2 2p l c 结构如图3 3 所示【1 7 】： 图3 3t s x 3 7 - 2 2p l c 1 一一3 槽机架，集成了电源，处理器和基本存储器 2 一一p l c 安装孔 3 一一集中显示块 4 一一端口( t e r ) 5 一一人机接v ia u x 6 一一存储器扩展卡槽，如果当前无扩展卡，应将手柄放在原位上，否则会 使p l c 停机 7 一一电源端口盖 8 一一更换电池时填写的标签 9 一一电源端口 1 0 一一通讯卡槽 1 1 备用电池盖 1 2 一一连接小型扩展架的连接器，它备一个可移动的盖子保护 13 一一安装于d i n 导轨上的机构 1 4 一一安装集成模拟和计数功能的连接器 山东大学硕士学位论文 工作电源：t s xs u p l 1 过程电源模块为由t s x 3 7 系y l j p l c 控制的应用系统 的外围设备，操作终端、指示灯、按纽等提供2 4 v 直流电源。2 4 v 电压可由l o o 2 4 0 v5 0 6 0 h z 的交流电或直流电提供。基于p l c 内的直流2 4 v 电源为传感器和需要 供电的扩展i 幻供电，所提供的电流1 0 v ，最小负载1kq 。 0 “ - - 2 0 m a ，最大负载6 0 0q 。 4 “ - - 2 0 m a ，最大负载6 0 0q 。 3 3 2a b b 变频器 采用的是a b b 公司的a c s6 0 4 型号变频器，该三相变频器和变频器模块 适用于鼠笼式电机的速度控制。如图3 4 所示为a c s6 0 4 的接地，主电电缆和 电机电缆与a c s6 0 4 在柜体左侧连接，主电电缆，电机电缆和控制电缆可以从 山东大学硕士学位论文 底部或项部进线【15 1 。 图3 4a b b 变频器接线 电缆选型： 功率电缆：电缆允许通过的电流有效值应大于a c s 6 0 0 的额定有效电流； 电缆端子的允许工作温度大于6 0 ，电缆的允许最大工作温度至少为6 0 。c ；电 缆必须满足短路保护要求；电缆的电感和阻抗必须按在故障条件下允许接触电 压选择( 这样在接地故障发生时，故障电压不会升得过高) 【9 】。对于6 9 0 v a c 额定电压的设备，主电源的电缆电压等级应为l k v 。用四芯电缆作为主电源输 入电缆，作为保护导线芯，电缆屏蔽层的电导应小于相导线芯的电导的5 0 。 电机电缆屏蔽层：为有效地抑制电磁波的辐射和传导，屏蔽层的电导必 须至少为每相导线芯的电导的1 1 0 ，评估屏蔽层的有效的一个方法是屏蔽层的 电感必须较低，但是还取决频率【l 引。 控制电缆：控制电缆使用屏蔽电缆，根据一般的习惯，控制电缆的屏蔽 层直接在a c s6 0 7 内部接地，模拟信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线，不能 把不同模拟信号置于同一个公共返回线，模拟信号和数字信号的传输电缆应该 山东大学硕士学位论文 分别屏蔽和走线。 3 3 3 直线电机工作原理 直线电机简单而言，相当与普通电机的变型，直线电机本身相当于普通电 机的定子，小车次级板相当于普通电机的转子，以达到驱动载体作直线运动【2 引。 该电机的特点是结构简单、可靠、安装方便、易于维护、不易出现故障。在外 加电源接通后，直线电机产生磁场，推动小车次级板向前运行。有效推力为3 0 k g 、 功率因数为c o s = 0 5 、速度误差小于0 0 1 m s 。采用强制风冷却，直线电机连续 工作1 0 小时，表面温度低于7 5 0 c ，驱动噪声小1 2 5 l 。 图3 5 直线电机 3 3 4 光电开关 采用的是o m r o n 的e 3 v 3 一r 8 1 型光电开关，在本系统的作用为每走过一个 小车采集到一个信号，以此采样到当前的运行速度，经过p l c 自动调节速度。 山东大学硕士学位论文 3 4 驱动系统运行速度一时间变化图 如图3 6 所示为速度一时间变化图，由于本系统才用三档速度，和一检修速 度即高、中、低、检修速，相应的速度为2 2 5 r n s 、1 5 m s 、1 1 2 5 r n s 、0 3 7 5 r n s 。 由于直线电机数一定，也就是本系统在同一档速度的推力一定【3 3 1 。于是不同档 的速度的上升曲线协率( v 1 t 1 ) 是不同的，所以本系统运行达到匀速需要的时 间为t 1 。t l 并不是一个固定的值，而是根据不同档速度有所变化。而且不同档 的速度下降曲线协率( v 1 t 2 ) 是不同的，本系统从匀速下降n o 运行需要的时 间为t 2 ，t 2 币i t l 一样不是一个固定的值，也随不同档速而有所变化【2 4 1 。 速度 i 一 v l t 0 一 ，jl t 己j 间 图3 6 动系统运行速度一时间变化图 山东大学硕士学位论文 第四章小车控制系统 4 1 小车控制系统的改造 对小车系统的改造将托盘式小车改为交叉带式小车，每八个小车为一组， 每组车由一个控制箱控制信息的传递；每个小车通过变频器和鼠笼式三相异步 电动机的控制实现小车的正反转，使小车可以准确的e 、下包。 4 2 小车控制系统概述 图4 1 小车 带式高速包刷分拣机小车控制系统的设计大量采用标准化、模块化。具有 灵活的系统布局，允许水平面与地面呈曲线变化；高可靠性；维护方便；低机 械磨损；能准确接包和准确卸包。 小车与小车的连接采用“拖车+ 万向球绞”的方式互相搭扣，整个小车车架由 特殊铝合金型材焊接而成，其余主要部件为特殊铝合金型材焊接而成，运行起 来平稳可靠。 具有自动承接物件基本对中与双向卸件入格功能。 山东大学硕士学位论文 小车运行参数完全受控于小车上的移动式p l c 控制单元。 主机控制系统和移动式p l c 之间通过智能母线传递控制小车的运行参 数。 保证物件平稳进入小车带面中心和物件的准确入格。 4 3 小车控制系统的组成 小车控制系统主要由电机、变频器、控制盒( 包括可编程控制器p l c 、松 下t u ) 、电源盒( 包括2 4 v 直流电源) 组成。 图4 2 小车控制系统组成 4 3 1 电机 采用的是鼠笼式三相异步电动机，此电机是根据要求特制的电机。除具有 普通电机的一些特点外( 比如：正反运行) ，还具有为达到本系统要求的一些 特点，由于电机提供接卸物件的动力，每次动作最长在几秒钟内就能完成，所 以该电机不能长时间的运行工作【7 】o 电机运行速度由变频器输出的电压控制， 根据物件的不同重量，电机的出力不同，以达到多段速运行的目的【3 2 。 习一 二节l 扫l 囝上 醋 一 一 一凝一 、， 一 机国艟 旧l 山东大学硕士学位论文 4 3 2 变频器 变频器采用的是松下v f 0 超小型变频器( 功率为1 5 k w ) ，该变频器的寿 命受周围温度的影响很大，离机体5 c m 处的温度容许一1 0 , - - , 5 0o c ，不能把发热 物体放在附近或置于箱内，这样会使变频器的周围温度升高，从而降低寿命。 如果电源不稳定而使电源端频繁地进行o n o f f 操作时，会导致变频器发生故 障；如在变频器运行时在负荷端进行o n o f f 操作，会导致变频器异常跳闸； 如电机要在启动和停止，则要利用变频器的运行信号进行8 1 。如图4 3 所示为 变频器接线端子示意图。 图4 3v f 0 接线端子示意图 松下变频器 控制电路端子 ，| | 5 | j 阢 一li 。j 。ll 。 c m 正转 s w l 反转s 1 9 2 在主端子回路上，将电源连接到输入端子( l ，n ) 上，电动机连接到输出 端子( u 、v 、w ) 上；输入电压容许范围为+ 1 0 、1 5 ，输入频率容许范围 为5 ；以最短方式连接到大容量电源变压器时( 5 0 0 k v a 以上) ，在变频器 的输入端一定要设置改善功率因数的扼流线圈。在控制电路端子上，3 ) a j 公共端 ( 一2 4 v ) ；5 为正转运行端子，当p l c 输出时，变频器控制电机正转：6 ) a j 反转 运行端子，p l c 输出控制是电机反向运行；7 、8 为多段速端子，根据不同的组 合，可以有四段速度，及o o 为第一段速度，0 1 为第二段速度，1 0 为第三段速度， 1 1 为第四段速度0 】；分多段速度的目的是根据物件的重量有不同的速度接卸物 山东大学硕士学位论文 件，以达到准确的接卸物件【l 。接线时控制信号线使 用屏蔽线，并与动力线和强电电路分离布线；控制信 号线的接线长度应在3 0 m 以下，因为控制电路的输入 信号为微小信号，为防止接点输入时接触不良，将两 个微小信号接点并列，使用双接点，在控制端子n o 5 8 处连接无电压接点信号或开路式集电极信号，如右图 j - _ _ _ q _ _ - h - - _ - h _ w p 鼙麟纂煮擎鞋疑 所示；用开路式集电极输出驱动感应负荷时，一定要连接旁路二级管。 4 3 3 可编程控制器 如右图所示采用松下可编程控制器f p 0 ，特点为小巧精致、 模块组合；控制、扩展单元种类繁多的单一或复合结构；高 度兼容性适宜于各种需要的高速度和大容量，适合于维护和 扩充。一个控制单元只有2 5 m m 宽，此时控制单元的尺寸为 宽2 5 高9 0 长6 0 m m ；扩充到i o1 2 8 点，宽度也只有 1 0 5 m m ，此时控制单元的尺寸为宽1 0 5 高9 0 长6 0 m m ；扩 展单元可直接连接到控制单元上，扩展单元使用锁定单排触 头即可形成层叠系统，而无需特殊扩展电缆、底板等【2 j 。 该图为3 2 点输入输出模块( f p 0 e 3 2 c t ) ，有一个编程 口、运行指示灯、编程指示灯、错误指示灯等。f p 0 e 3 2 c t 每个基本指令执行速度为0 9 u s ，5 0 0 步的程序只需l m s 的扫描 单台使用或多 妊嘲善矗， 时间，这意味着f p 0 执行本系统程序的扫描时间为4 m s ，以f p 0 的扫描速度，可 捕捉短至5 0 u s 的脉冲。 运行过程中的重写功能：当f p 0 正在运行时，例! t l l f p 0 正在进行程序纠 错和起动调试时，也可以重写程序； 不需备用电池：程序内存使用e e p r o m ，程序和内部内容无需备用电 池即可被存储，甚至对机器的编码程序进行编程也是安全的； 密码功能：密码功能仅为修改程序而设计，只有被授权的人才能修改 程序，因此程序更有安全保障； 输入输出发光二极管显示：输入输出发光二极管内装在机体内，它是 山东大学硕士学位论文 每个单元的标准显示，输入输出状态一瞥即知。 4 4 小车的结构 如图4 4 所示为小车结构示意图，由于每组小车由八个小车组成。以运行 方向为准，依此编号为1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 号小车。在这八个小车中除4 、 5 号小车外，其余的小车结构相同，均由变频器、电