（完成的论文）基于plc的包裹自动分拣装置控制系统设计

基于plc的包裹自动分拣装置控制系统设计摘要目前，我国物流业处在快速发展阶段，高于同时期GDP的增长速度，但是效率不高。特别是我国近段时间兴起的“双十一”购物节，大大刺激了全民购物狂潮，在出现“爆仓”的情况下，很多快递企业就容易出现暴力分拣、快递不快、错件层出等问题，导致消费者购物热情降低。目前，在我国快递行业很多还是以人工分拣为主，严重制约着我国物流特别是快递行业的发展。随着社会的不断发展,企业对生产设备自动化的要求越来越高,自动分拣装置作为生产流水线中一重要的组成部分越来越受到重视。设计了一套基于PLC的材料自动分拣装置控制系统,结合光电传感器,对物料的大小进行检测,自动分拣三种不同大小物料。对分拣装置控制系统的工作过程、硬件设计和软件编程作了详细介绍。 自动分拣系统能有效解决人工分拣所带来的问题，此系统具有能连续大批量的分拣运作、 分拣误差率低、分拣现场基本实现无人化等特点，因此被广泛应用于现代物流领域。随着物流 的发展，对快速分拣、经济适用性的要求越来越高，因而本文针对现有产品的优缺点研宄，设计了一种新型万向物流分拣系统。最后对课题研究的成果进行了概括总结，并对新型万向物流分拣系统后期的改进与应用提出了展望。关键词：物流分拣系统，PLCABSTRACTAt present, Chinas logistics industry is in the stage of rapid development, higher than the GDP growth rate in the same period, but the efficiency is not high. In particular, the double 11 shopping festival, which has emerged recently in China, has greatly stimulated the shopping frenzy of the whole people. In the case of out-of-stock, many express companies are prone to violent sorting, express delivery is not fast, wrong pieces emerge, and other problems, resulting in lower enthusiasm of consumers for shopping. At present, many express industries in China are still dominated by manual sorting, which seriously restricts the development of Chinas logistics, especially the express industry.With the continuous development of society, enterprises have higher and higher requirements for the automation of production equipment, and the automatic sorting device as an important part of the production line is getting more and more attention. A set of plc-based material automatic sorting device control system is designed, which combines photoelectric sensors to detect the size of materials and automatically sort three kinds of materials of different sizes. The working process, hardware design and software programming of the sorting device control system are introduced in detail.Automatic sorting system can effectively solve the problems caused by manual sorting. This system has the characteristics of continuous high-volume sorting operation, low error rate of sorting, and basically unmanned sorting site. Therefore, it is widely used in the field of modern logistics. With the development of logistics, the requirements for rapid sorting and economic applicability are increasingly high. Therefore, a new type of universal logistics sorting system is designed in this paper to study the advantages and disadvantages of existing products. Finally, the research results are summarized, and the prospects for the improvement and application of the new type of universal logistics sorting system are presented.Key words: sorting system, PLC目录目录2第一章绪论51.1研究背景51.2自动分拣系统51.2.1自动分拣系统简介51.3自动分拣系统的国内外研究现状61.4本课题来源、意义及论文主要内容71.4.1课题来源与意义71.4.2论文主要研究内容71.5本章小结8第二章分拣系统的结构设计82.1系统功能及环境需求82.1.1系统功能需求82.1.2系统环境需求82.2新型分拣系统总体方案设计 2.2.1新型分拣系统特点及应用前景92.4同类产品的创新性比较10第三章自动分拣控制系统的设计开发53.1分拣系统各部分功能分析53.2分拣系统硬件配置73.2.1 PLC的简介73.2.2自动条形码扫描器83.2.3变频器83.2.4通讯方案设计93.3基于PLC的自动分拣系统软件设计93.3.1系统主程序流程图设计103.3.2按钮控制子程序设计103.3.3变频器控制子程序设计113.3.4包裹扫描控制子程序设计113.5本章小结12第四章总结13参考文献13第一章 绪论1.1研究背景近20多年来，我国经济高速发展，现在到了经济转型升级和全面深化改革的历史节点，因 此，国家提出了“十三五”规划。在互联网高速发展引领下，中国制造2025应运而生，而“中国制造”正在加紧由生产型向服务型制造业转变。当下，物流行业作为服务业的显著代表正在蓬勃发展，现代物流的兴起，解放了人的劳动力，提高了生产率，促进了经济的增长和发展。生产中最早的产品分拣采用人工分拣法，生产效率低、生产成本高，导致企业在市场中竞争能力差，材料和产品的自动分拣已成 为企业的唯一选择。目前，国内大部分企业釆用了自动识别分拣系统，但以往的系统多釆用继电器控制，数字化程度低、故障率高、维 修不方便。针对上述问题，设计了一基于PLC(可编程控制器)的自动 分栋装置控制系统。装置经过改进后，成本降低、效率提高，在射料 分栋中取得了较好的控制效果。在我国，目前快递物流行业中还是以人工分拣为主，人工分拣主要是利用人手搬运以及分拣作业，其弊端有：（1)劳动强度大；（2)分拣速度慢；（3)出错率高；（4)成本高等。虽然国外已经有比较先进的自动分拣设备，但由于其设备造价昂贵，分类和输送装置路线很长占地很大，以及我国快递行业的商品种类多、规格包装不一致等因素，只能在少数场合使用，无 法满足大部分物流流通环节，因此制约着我国物流行业的发展4。研发和生产高效的自动分拣 机在我国有着迫切的需求，本课题针对现在市场上常用分拣系统在实际使用中所存在的问题和 可以改进的地方，并参考国外的类似产品，在此对比的基础上，设计出新型万向物流分拣系统，这是一个创新型产品，实现原理也和其他产品不同。不但能实现自动分拣的功能，而且还能同原有设备进行有效连接，进行联合运作与管理，满足大部分用户需求，顺应着快递行业的发展趋势。1.2自动分拣系统1.2.1自动分拣系统简介自动分拣系统(Automated Sorting System)是由计算机控制，按照人的指令通过分拣装置将货 物送到指定位置的传输系统5。通过水平直线型或者环形的输送装置将待分拣物品送至相应的分拣道口，由自动控制单元对物品进行信息识别，将识别的信息传送至计算机进行指令的处理，然后指令控制分拣操纵装置的动作来实现对物品的自动分拣，分拣后的物品经过分流道口进入 集货站台，最后对其或入库储存、或出库配送等操作，这就完成了全部的自动分拣作业。它能 连续运行，每小时的分拣能力到达了 5000-12000件物品，再加上几乎为0的分拣误差率，因此 其不仅可用于快递行业，还可以用于其他各种生产领域6。自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去，根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。分类装置的种类很多，一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种，不同的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品贯通过控制装置、分类装置，并输送装置的两侧，一般要连接若干分拣道口，使分好类的商品滑下主输送机（或主传送带）以便进行后续作业。分拣道口是已分拣商品脱离主输送机（或主传送带）进入集货区域的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。以上四部分装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。1.3自动分拣系统的国内外研究现状我国相对于欧美日等发达国家在物流行业的发展还有很大差距，国外先进企业都非常重视 先进物流系统的开发与引进，不断地引入人才和资金加大研发过程，将现代条码识别、RFID 识别等信息技术，PLC、单片机等控制技术，无线通讯，无接触式供电技术，组态监控技术等 应用于物流系统的设计之上，比较典型的就是物流分拣系统。自动分拣系统具有分拣速度快、准确率高、基本无人化操作等特点，因此被各行各业广泛使用。在物流装备系统上具有影响力的主要有德国的德马泰克、日本的大福、荷兰的范德兰德，其后还有诸如Swisslog、亚马逊等14。德国的物流产业发展主要集中在二次世界大战之后，目 前已经摆脱了物流单一运作模式，具备了规模化、标准化、机械化、多功能化等特征。以德国 的LLOYD公司为例，引入自动输送系统使生产力和效率提升了 15% 。对于分拣出库的要求， 自动化循环输送系统每小时存储800个纸箱，出库后进入分拣系统被送到10个分拣站，分拣站设置成多层模式，完成存储和分拣的功能要求，货物被分拣后进入包装工作站进行包装，最后运输到发货区。日本作为物流行业的后起之秀，在上世纪就跟上技术步伐制定了自动分拣系统 的标准和展望，并不断进行物流信息化的研究与整合，通过对系统的设计和开发提高了分拣效 率、降低了物流成本，在连锁商店、汽车行业得到使用和推广。Aotobacks作为大的物流中心，引进高效率分拣设备的同时，建立了相对应的信息化库存管理，使得工作人员大大减少17。我国物流技术装备发展相对落后，随着经济的高速发展，特别是物流行业，带动了我国物流技术发展的步伐，物流机械发展速度也明显高于其他机械行业22。今年来快递行业也大步向前，“网购节日”越来越多，电子商务订单量以指数倍增长，我国逐步超越欧美等发达国家成为世界上最大的物流中心，由于物流中心的成立，此时企业需要大量引进自动化物流设备，例如 自动化立体仓库、物流分拣系统等1。随着规模越来越大、系统越来越复杂、应用领域越来越 多，因此企业对自动分拣系统的研发十分重视，成为一个新的利润增长点根据统计数据可 知，我国大型的物流设备制造商有昆明船舶设备集团有限公司、江苏天奇物流系统工程股份有限公司等，由于我国企业在自动化物流设备行业研发起步较晚，没有很好的技术积累，没有核心的技术标准，自主研发能力较弱，因此市场占有率还很低，与发达国家有较大的差距。在我国物流业整体的发展过程中，输送分拣系统的应用得以日益广泛，而近十年间自动分拣输送技术与应用慢慢成为物流系统规划和方案设计的核心部分。1.4本课题来源、意义及论文主要内容1.4.1课题来源与意义最近几年物流的定义在我国开始流行，我国人口众多、地域广阔，决定了我国物流行业发 展的局限性，作为最早的快递服务行业，每天的信件量特别巨大，我国邮政部门为了提高服务 效率、减少额外人力成本，最早引入自动分拣系统26。信件为轻、小、薄类产品，同样的分拣系统将不适用于其他种类的产品分拣，因此开发更加先进和通用化的设备非常有必要，这样才能促进我国由物流大国向物流强国转变27。现有的自动分拣机有着各自的优缺点，普遍存在着 占地面积大、使用范围单一等特点。因此本课题研究的目的是研发一种新型万向物流分拣系统，在完成分拣功能的同时具有模块化、通用化特点，提高系统的分拣效率和使用范围。新型万向 物流分拣设备应用广泛，不仅运用于民用物流也可为工业领域，如车间物流、生产线物流等服 务。它可以提高企业经济效益，节省土地资源降低生产成本，促进物流行业的快速发展。随着 各行业对高速的自动分拣系统需求不断地加大，明显表现在烟草、医药、图书及超市配送领域，并向工业零配件等领域扩展，因此开发新型物流分拣系统有着广阔的前景。1.4.2论文主要研究内容本文主要以新型万向物流分拣系统为研究对象，结合现有系统的优缺点，完成了万向分拣 总体方案设计、分拣平台三维结构设计、静力学分析、模态分析、PLC控制系统设计等。设计的具体章节如下：(1) 第一章介绍了国内外物流设备特别是自动分拣系统的发展现状，引出了本文研究新型 万向物流分拣系统的重要性。通过对自动分拣系统组成的介绍，确定了设计高效的物流分拣机平台显得最为急迫。接着阐述了本课题来自于同企业合作的实际需求以及投入使用后的意义。 最后对本文的主要研究内容进行了章节划分与介绍。(2) 第二章确定了分拣系统的技术指标，提出了万向分拣的总体方案。用SolidWorks软件详细设计了三维模型，阐述整个机械系统的工作原理。分析了实现万向分拣的理论依据，完 成了对关键零部件的设计选型。(3) 第三章使用万向分拣机设计了一条分拣试验线，通过对系统各部分的功能要求分析， 完成对系统硬件选型设计，在硬件设计的基础上，利用PLC对系统进行软件设计，最终完成对系统的控制要求。对课题研究的成果进行了概括总结。1.5本章小结本章介绍了国内外物流设备特别是自动分拣系统的发展现状，引出了本文研究新型万向物 流分拣系统的重要性。通过对自动分拣系统组成的介绍，确定了设计高效的物流分拣机平台显 得最为急迫。接着阐述了本课题来自于同企业合作的实际需求以及投入使用后的意义。最后对本文的主要研究内容进行了章节划分与介绍。第二章分拣系统的结构设计本章解析万向分拣系统的整体结构，根据系统的功能要求，重点设计了实现万向分拣的操作装置。和大部分系统一样，万向物流分拣系统也由两部分组成：机械结构部分和控制系统部 分。此系统的机械结构部分主要包括：分拣杯、可伸缩万向节、十字型导轨滑台、摆架体、同步带组件及支撑结构等。2.1系统功能及环境需求2.1.1系统功能需求随着各种促销方式的兴起，网上交易量大幅上升，仓库经常出现爆仓现象，物流效率影响 着人们的购物体验。例如今年的双11购物狂欢夜，全网交易额已突破1800亿元，全国邮政、快递企业共揽收快件11.2亿件，派送7.9亿件，物流压力进一步凸显，消费者在急切等待商品 的同时，快递员也在超负荷工作。为了满足快递物流高效率的运行，迫切需要自动分拣系统来代替大部分人工劳动，解放快递员劳累的同时提高购物体验，让我国快递物流行业更加健康高效运行。1、分拣作业连续时间长自动分拣系统设置在企业内部空间，不受到各种不利条件的影响，只要保证良好的保养和 稳定的供电，一般可以连续工作5天以上，分拣效率一般为6000-12000件/小时，根据需要可 以调节不同的档位。2、分拣动作误差率低且可控现代分拣系统的误差主要由分拣信息错误引起的，而自动化系统主要采用条码识别技术或 者RFID识别技术，除非条码损坏导致分拣出错，所以一般误差率很低，使用射频识别误差率 会更低。3、分拣作业现场实现无人操作使用自动分拣系统的目的是为了提高分拣效率，最终解放劳动力，降低劳动成本，使得分拣现场实现无人化操作特点28。2.1.2系统环境需求每个省会城市基本都会建立一个分拣中心，快递到达分拣中心就需要进行分拣作业，分拣 出的商品送到各个区以及管辖的各个地级市，此时任务量繁重、路径较多，需要建立配套的大 型自动分拣系统。当分拣好的快递进行派送到达地级城市时，地级城市下面会有很多县，则又要建立分拣中心进行分拣派送，此时任务量不是很大、路径较少，需要建立配套的小型自动 分拣系统。因此根据环境需求的不同，分拣系统也会不同，一般逐级减小。自动分拣系统能灵活的与其他物流设备实现无缝连接，如自动化仓库、各种存储站、自动集放链、各种运载工具、机器人等。实现对物料实物流的分配、对物料信息流的分配和管理。深圳路辉作为行业内第一家研发滚珠模组带分拣系统的企业，其产品采用模块化设计，能完美对接各类物流设备，不受场地限制。采用自动分拣系统，人工分拣、堆置物料的劳动强度大大降低，操作人员无需为跟踪物料而进行大量的报表工作、登单工作，因而显著提高劳动生产率。另外，非直接劳动力如物料仓库人员、发料员以及运货员工作量的减少甚至取消，又进一步直接降低了作业成本。由于分拣系统运行平稳、安全性高，同时，人工拣取物料的作业量降低，对物品的损坏减少，为顾客假造了更多的价值，为公司赢得了更多的信誉和商机。滚珠模组带能适应各类包装货物，对货物的破损几乎为零，真正做到无痕分拣。2.2新型分拣系统总体方案设计 2.2.1新型分拣系统特点及应用前景不同的企业使用着不同的分拣系统，概括起来发现以下不足之处：1，部分设备结构复杂，连接部件较多，部分材料国内没有完全过关，因此导致价格昂贵，投资及运营成本较高；2,有些属于特种分拣系统，只能适用于特定产品，例如只能分拣形状相对规整的箱包类产品，因此通用性不好；3,有些结构简单紧凑，但是只能实现单向分拣，因此分拣效率大大降低；4,有 些价格低廉，但是有较大的空间需求，因此造成额外的场地限制等。如图2.1所示，常见的输送线在货物换向处有较大的转弯半径。如图2.2所示，采用了万向 分拣机结构的输送线可以与常见的输送线连接起来使用，在需要转向的地方可以通过垂直布置 来实现大角度环流。通过两者对比发现，后者由于其独特的能90度主动转弯功能，使得货物运 输距离减小、输送线的占地面积也大大减少。图2. 1常见输送线示意图图2. 2万向分拣线示意图新型万向分拣系统有多种结构形式，表面可做成圆形或者方形结构。现存的分拣系统一般 采用直线型的输送方式进行分拣作业，如图2.3所示，为了分析对比，万向分拣表面做成圆形结构，如图2.4所示。图2. 3常用直线分拣方式示意图 图2. 4新型万向分拣示意图假设分拣输送线的宽度为500mm，输送线上分布10个分拣道口，按照两侧对称分布，道口比输送线宽度略大约为600mm，同侧的相邻两个道口相距800mm，则此段分拣线长度约为6m。分拣同样尺寸的物品，按照新型万向分拣，其表面可做成直径约为800_的平台。通过 计算两者的占地面积，前者需要占地3m2,后者只需占地0.5m2,对于有10个分拣道口的分拣线而言，使用新型万向分拣装置的占地面积相应减少约80%，实际使用中为了提高分拣效率分拣道口数会成倍增加，因而占地面积会相应增大，对于大型的物流分拣中心，采用新型万向分拣系统对于节省占地面积效果会更加明显。当分拣平台做成方形结构时，可以将其做成一个个小的模块单元，使用过程中对其进行拼 装即可实现分拣系统的快速成型，模块化可大大缩短物流和生产制造周期，对于使用过程中的 维护过程可进行快速更换，提高效率节约成本。如图2.5所示，万向分拣机作用在输送线上时，通过自身的主动运动及万向角度控制特点，可实现物体的姿态调整和流向选择。2.2.2新型分拣系统组成及工作原理如图所示，本文研究的新型万向分拣系统是在控制器作用下，实现快递货物的自动输入输出和自动分拣，基本实现无人化，从而效率大大提高。工作原理：货物从入口进入普通的分拣输送装置，例如皮带或者辊道传送装置，由于路径的布置，有时需要垂直或者大角度转弯，此时把新型万向分拣机作为起换向的传送装置布置其中，利用其独特的能360度万向分拣功能的优势，在控制器指令的作用下，对货物进行90度方向分拣输送，从而使货物传输距离大大降低。当货物到达分拣区域时，利用扫描器对货物进行识别，判断货物进入分拣道口的流向，此时新型万向分拣机作为分拣装置，执行道口判断的控制指令，调整好角度方向，使货物准确进入待分拣道口，对于识别不出来或者识别困难的货物进行回流重新打码扫描，从而降低出错率， 保证系统的高效运行。该新型万向物流分拣系统核心部件是万向分拣机，下面将重点介绍其结构设计思路。分拣区域流向3输送线道口 2道口 4道口 6扫描识别2.4同类产品的创新性比较2.4.1万向滚珠分拣输送机的分析与比较针对万向分拣的概念，市场有一款比较成熟的产品，是深圳华南新海HONGSBELT公司生 产的万向滚珠分拣输送机，如图2.24所示。万向滚珠分拣输送机由滚珠模块拼接在一起组成输 送带，此产品的输送带为塑料结构，利用模块中的空隙与“齿轮”进行啮合传动，包裹随着输送带主运动往前移动，类似于链板传动。球形滚珠密密麻麻镶嵌在输送带上，在需要横向、侧移、转向甚至调整间距地方的底部安置摩擦驱动装置，如图中的绿色部分。图2. 24万向滚珠分拣输送机在工作过程中，万向滚珠分拣输送机可以完成以下功能应用，如图2.25所示。（a)中底部安置驱动器，以动态摩擦的方式使滚珠旋转，旋转方向与输送带前进方向呈直角，当货物到达驱动器布置范围内时，输送带上面的货物将会向左、右两侧进行移载运动；（b)中底部设置静态摩擦装置，经过此区域的滚珠在摩擦力作用下旋转，旋转方向与输送带前进方向相同，当货物到达此范围内时，上面的货物将会呈双倍速度向前运动，实现将货物拉开距离的效果，这将放大输送带速度并相应提高效率；（c)中底部设置平行于输送带左、右两侧的摩擦驱动器，两者做相对运动，当输送带滚珠达到此区域时，货物会在输送带上做90度以上的回转运动，适合于对货物输送有方向性要求的作业现场。新型万向物流分拣系统的研发与应用a)(b)(c)图2. 25万向滚珠分拣输送机功能图对万向滚珠分拣输送机的工作原理分析可知，分拣功能的方向实现主要靠输送带主运动方 向和滚珠运动方向矢量相加而成，核心构成为滚珠和底部的摩擦驱动装置，通过滚珠与摩擦带 的摩擦作用实现滚珠的万向分拣。表2. 6分拣方式对比分拣类型新型万向分拣机万向滚珠分拣输送机工作原理主动方式实现货物的万向分拣与输送需要两者运动的叠加被动实现货物分拣与输送系统结构简单，主要零部件为机加工件和外购件复杂，主要零部件需要开模， 整体装配复杂材料选择大部分材料选用Q235普通碳 素结构钢，价格便宜且耐用滚珠和摩擦带需要选用超耐 磨材料且摩擦系数大，价格昂贵，国内材料达不到设计标准使用寿命长摩擦带易磨损，需频繁更换噪声小大投资成本低高分拣货种综合只适合重物分拣扩充性可在空间上扩充为塔式结构， 分拣道口多，占地面积小只适合水平直线方向上的扩 充，占地面积大2.4.2阵列柱万向分拣平台的分析与比较对比于万向滚珠分拣输送机，本文设计开发的万向分拣机有许多优点，具体的功能特点对比如表2.6所示。如图2.26所示，本产品属于一种在物流自动分拣系统中使用的分类和输送装置。现有的分 类和输送装置路线很长、占地很大。为了提供一种既可实现货物自动分拣的基本功能，又能大 大缩短货物的传输距离、节省土地资源的自动分拣装置，因此设计成一组由多个万向柱紧密排 列、组合在一起而成的阵列，阵列中的每一个万向柱均为一个垂直竖立的可升降的柱体，以及32(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 固定在柱体顶端的万向球。该阵列在控制系统的作用下，通过控制同一线路区域的多个万向柱 体按一定梯度升起或下降，到达规定的高度，使得这些万向柱体临时构成具有一定宽度和坡度 的通道，这些通道具有直线或者曲线状等方向特征。因而在重力作用下货物沿着万向柱阵列中 的通道处到达指定的分拣道口，完成万向分拣作业。通过原理分析可知，阵列柱万向分拣平台主要通过控制多个万向柱体按一定梯度升起或下 降而临时构成具有一定宽度和坡度的通道，再利用货物自身的重力作用在通道内滑向分拣道口。 此种方式的优点是：1,节约能源；2,结构简单；3,拼装和置换容易。对比于本文设计开发的万向分拣平台，其缺点是：1,控制系统复杂，软件开发难度大；2, 只适合形状规整的重物，对于软包、轻小货物无法分拣；3,被动分拣速度慢、效率低，无法达 到快速分拣的目的。第三章自动分拣控制系统的设计开发本章将重点设计系统的控制部分，包括系统的硬件设计选型和软件的?序编写及仿真，通 过控制系统的设计开发，使机械系统能够按照实际工作需要有效运行，达到系统的各项技术指 标，能更早的投入生产使用。为了更好的进行分析对比，本章将开发设计的万向分拣平台应用于两种不同的自动分拣系 统中。首先用来替换一般的分拣操纵装置，采用直线型布置，设置左右对称的6个道口共3台 万向分拣机进行控制系统开发，验证平台的实用性和替换性。然后为了实现万向分拣功能，作 为样机模型，利用1台模型研究8个方向的分拣作业，为以后高速分拣应用提供技术支持。3.1分拣系统各部分功能分析作为小型试验分拣线，除了分拣装置使用本文设计开发的新型万向物流分拣机以外，其他 地方仍然使用常用设备，这样就能更好的满足企业要求，使得企业改造升级更加灵活，节省费 用。具体的分拣系统总体布局如图4.1所示。L klEEEEESSSSEEEEEEtr r道口 5道口 4道口 2图3. 1分拣线总体示意图待分拣物体由入口处进入主输送段，到达一定位置后，固定扫描仪对物体的条码进行激光 扫描，得到的物体信息传送给PLC等控制单元，经过控制单元的判断决定此物体进入哪一个分 拣道口，利用软件指令控制万向分拣机的分拣角度，当物体到达分拣段时，执行分拣任务到达 相应位置，完成正确分拣。如果条码损坏严重无法读取或者无法确定物体进入哪一个分拣道口， 则此时物体循环到回流处，进行重新打码识别再进入分拣线。为了更加直观系统的理解本文研究的分拣试验线，利用仿真分析软件对其进行三维建模， 如图3.2所示。图3. 2分拣试验线3D模型快递分拣系统主要由上包装置、传送辊道输送系统、包裹扫描识别系统、万向分拣机、分 拣道口和其他部分等组成。(1) 上包功能：贴好条形码的包裹利用短辊道送至主输送线上，进入待分拣区。(2) 条码识别功能：采用激光条码扫描器识别贴有条形码的被分拣包裹，识别后的信息转 换成PLC的输入信号，便于控制系统完成分拣指令。(3) 辊道输送功能：输送机构由变频器、三相交流电机、小皮带和滚轮等组成，当包裹到 达输送机上时，PLC控制变频器启动电机，将待分拣包裹送到分拣区域。为了实现分拣效率的 最大化，对于不同的物体分拣利用不同的输送速度，此时通过变频器调节电机的转速，实现分 拣速度的档位选择。(4) 分拣功能：条码信息输入到PLC和PC中，经过数据处理分析，由PLC生成相应的 控制指令，通过控制步进电机来实现分拣机的工作角度变化，将包裹分拣到指定道口。其他功能：光电传感器对进入分拣道口的包裹进行计数，当到达道口存储极限数量时， 产生报警信号，通知工作人员进行处理；开关按钮的启动、停止、复位等功能。当要求进行正 常工作时，按下启动按钮使设备开始运行；工作完成后，按下停止按钮使系统停机休息；在设 备发生故障或者出现紧急情况时，按下复位按钮可以使设备停止运转。指示灯选用绿、红、黄 各一个，报警用蜂鸣器一个。3.2分拣系统硬件配置3.2.1 PLC的简介数据显示，我国网络购物经济规模达到了 1.9万亿美元，国内电商和跨境电商发展后劲十 足。企业更要通过技术革新来解决以往物流行业效率不高、服务不好等通病。本文选用自动分 拣系统来解决这个问题，就需要将控制单元PLC应用到分拣系统中去。可编?逻辑控制器简称PLC (Programmable Logic Controller)，它是一种广泛应用于工业控 制的微处理器控制单元45_48。内部的存储器可以让用户按照实际需要编写相应?序，执行用户 输入的逻辑运算、计数、定时和顺序控制等指令。PLC有适应于工业控制的众多接口，通过这 些接口来实现硬件的输入输出，连接之后的现场设备同PLC等控制器共同组成一个工业自动化 系统。用户编写?序指令时，有专业的5种编?语言49: LD (梯形图）、IL (指令表)、FBD (功 能模块图）、SFC (顺序功能流?图）和ST (结构化文本）。应用这些编?语言在编?器上写出 控制?序，这些?序存储在内部存储器中，在PLC中CPU作用下执行这些?序指令，然后通 过D/A或者A/D转换成模拟信号或者数字信号，转换后的信号连接输入、输出端，进而控制连 接在输入、输出端的设备层，最后设备进行协同工作，完成用户的指令要求。由于PLC具有强 大的功能，易于编?、学习，使用和扩展方便等优点，在工业控制领域内，它已经成为工业自 动化的三大支柱之一5G。在PLC之前，工业控制普遍采用的是继电器，通过继电器的组合形式来实现用户对逻辑、 顺序等控制要求，相较于继电器控制，PLC有如下特点(1) 可靠性高：PLC中釆用无触点模式，将一些自诊断、冗余技术应用于产品中。硬件 方面选用一些精密、隔离等具有降低外部干扰对其影响的元器件，软件方面编写检测?序，当 外部环境不正常时，进行切断处理，等到故障恢复后再执行之前的?序。正因为有着较强的抗 干扰能力，因此在恶劣环境中也可以正常工作。(2) 功能强大：不仅像传统的继电器控制那样具有逻辑运算、顺序控制及电气连锁等功能， 而且还可以进行数据处理、数值运算等计算功能；对于I/O 口的不断完善，可以直接对数字量和模拟量进行输入输出控制；通讯能力和人机界面的快速发展，使得PLC更容易与其他PLC、 计算机、监控软件等上位机组成一整套分布式控制系统和监控系统；满足不同的控制要求，只 需改变用户?序，各种规模的PLC组成方便各种工业控制领域使用。(3) 编?简单：PLC中一般有5种编?语言，其中梯形图语言与传统的继电器控制接线 图最为接近，因此使用者大都采用梯形图进行编写?序。相较于计算机语言，梯形图更加直观 易懂，新手容易掌握学习。现在PLC中的编?语言也在不断发展，提供更友好的界面，更多元 的数据类型等容易接受的特征。PLC种类有很多，现在市场占有率较高的有：西门子PLC、三菱PLC、欧姆龙PLC和松 下PLC等因为本文研究的自动控制系统定义的I/O接口不是很多，选用小型的PLC即可。 其中三菱PLC有着灵活的输入输出接口，容易扩展模块，处理速度快，FX2N系列更是具有小 体积大功能的特点，也可适用于特殊用途，因此本文选用的PLC是三菱公司的FX2N-64MT型号。主控制器PLC在整个自动分拣系统中起着核心作用，是万向分拣机功能实现的实施者，与 车间监控、信息层、其他控制器和现场设备层都有数据交换，主要功能如下：1，收集现场信息?处理，如电机过热信号、包裹定位信号、启停控制信号、计数检测信号、 限位信号等。2, 控制信号输出，如步进电机运转控制信号、道口指示灯报警信号等。3，异步电动机启动、停止、调速，触发自动条码扫描器。4,与监控PC通讯，向其发送相关诊断数据?接受工人的指令。3.2.2自动条形码扫描器现代物流对于自动化?度要求越来越高，在物流运输管理上，条形码识别技术应用非常广 泛。由于其具有制作成本低、包含信息量大、采集速度快、可靠性高等优点，现在的快递包裹 均使用条形码技术来存储和运输。 条码应用一般有如下几个部分：1，数据源：反映客观事物的状态和信息，是要处理的对象，如本文的快递包裹。2, 条码阅读器：数据采集设备，准确读取条码数据，将其送入计算机等控制系统。3, 计算机：数据存储、处理的设备，计算机和网络构成一个系统。4, 应用软件：为各类问题进行控制策略研究?编写相应?序，通过控制器完成对输出设备 的控制应用。输出设备：数据经过计算机处理后的信息以表格或者图形等方式输出，管理者掌握信息 后制定相应决策。本文选用的激光式自动条码扫描器型号为SH-500-1D (Y)，主要技术参数如表3.1所示。 通过观察该型号的条码扫描器，符合本文系统的设计要求，选取合理。表3. 1SH-500-1D (Y)型条码扫描器性能参数名称读取速度支持条码类型读取倾角支持接口误码率参数120次/秒39、128码等45USB、RS2321/500 万3.2.3变频器分拣系统在实际工作中，通过变频器调节输送装置或者分拣装置的运行速度，提高分拣效 率。对于不同的货物分拣，需要有不同的速度进行调节，例如比较轻的物品分拣可以相应的提 高运行速度，使分拣系统的分拣能力达到最大化。变频器通过改变工作电源频率方式来控制交 流电动机，进而达到调速的目的54。因为变频器有着过流、过压、过载等保护功能，在电机启 动时，启动电流会很大，对电网和电机设备都会造成损害，通过变频器提供的软启动功能就会 消除这些影响，所以本文选用变频器来实现对三相异步电动机的调速控制。根据分析对比，最 终选用三菱变频器，具体型号为FR-E740-1.5K-CHT。实际使用过?中，通过调节变频器的频 率来实现速度的调节，分为低速、中速、高速三档方式。3.2.4通讯方案设计在大型快递包裹分拣现场，一般由一个主控PLC和多个从站PLC组成，形成一个1: N的 通信网络。常见的通信方式有工业以太网、MPI、PROFIBUS、PROFINET以及串行通信等， 其中Pmfibus是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业控制等领域被广泛使用。 Profibus-DP采用RS485通信标准，传输速率最高达到12Mbps，传输距离从100m到1200m不 等。在Profibus-DP网络中，中央控制器周期地读取输入信息和写出输出信息，一般约为10ms， 这种循环不断的扫描操作是自动化功能的基础。除此之外，Profibus-DP还提供强有力的组态和 诊断功能，可以构成单主站或多主站系统，在同一条总线上最多可连接126个站点。由于DP 响应快?且稳定，且考虑到实时性和经济性等要求，PLC之间的通信选择DP现场总线方式。监控PC与PLC之间距离相对较远，因此选用TCP/IP通信方式，工业以太网技术发展成 熟，组网方便且传输速度较快，被广泛应用于工业现场的通讯方式选择上55。此外，固定式激 光扫描器也可以用TCP/IP协议完成通讯，各设备之间的通信形成一个局域网络。变频器和控制器等设备与PLC的连接通常使用串口通信的方式，一般设备的通信接口采用 RS-232标准，三菱PLC的接口采用的是RS-422标准56，因此两者连接需要带有一个 RS232/RS422 转换器。其他外部设备例如各种开关、传感器等与PLC连接时可以经过电路转换后直接接入PLC的输入输出端口。3.3基于PLC的自动分拣系统软件设计在硬件配置的基础上，本节将基于PLC完成系统主?序和各子?序的软件设计，对相应的 ?序绘制流?图及仿真分析。3.3.1系统主?序流?图设计控制系统主?序流?图如图4.3所示。图3. 3控制系统主?序流?图3.3.2按钮控制子?序设计按钮控制要求：按启动按钮，绿灯亮，设备开始运行；按停止按钮，红灯亮，所有设备停止运行；按复位按钮，黄灯亮，设备等待运行，其PLC输入/输出端口连接见表4.3。输入继电器作用输出继电器控制对象XI启动按钮Y1绿灯X2停止按钮Y2红灯X3复位按钮Y3黄灯Y4电动机M表3. 3按钮控制I/O端口分配表3.3.3变频器控制子?序设计变频器控制要求：输送段由三相交流减速电机、传动带、三菱E740变频器组成，按下启动 按钮，通过变频器驱动电机，电机带动传动带把包裹运送到分拣段。为了提高效率，不同的货 物采用不同的分拣速度，通过调节变频器的频率来实现调速设定。按照变频器控制要求，其PLC 输入/输出端口连接见表3.4。表3. 4变频器控制I/O端口分配表输入继电器作用输出继电器控制对象XI低速启动Y1低速控制X2中速启动Y2中速控制X3高速启动Y3高速控制X4停止 3.3.4包裹扫描控制子?序设计包裹扫描控制要求：包裹扫描子?序流?图如图3. 6所示，采用激光器扫描包裹的条码信 息，将获得的信息同每个地区的快递信息进行匹配，结果发送至PLC，匹配不成功将循环到回 流处，匹配成功将启动相应的继电器，进而输送到相应的分拣道口。设计子?序时，将匹配信息用输入继电器代替，匹配到相应道口时，用电机代表进入相应 道口的动作，利用PLC进行?序编写与测试，这样就能更加简单方便看出逻辑判断与控制过?。 相应的硬件地?接口连接见表4.5。表4. 5包裹扫描:6制I/O端口分配表输入继电器作用输出继电器控制对象XI启动Y1传送带运动X2停止Y2道口电机X3包裹检测X4道口匹配按照变频器控制要求，编写相应的PLC控制?序，如图4.7所示。3.5本章小结本章使用万向分拣机设计了一条分拣试验线和样机模型，通过对系统各部分的功能要求分 析，完成对系统硬件选型设计，在硬件设计的基础上，利用PLC对系统进行软件设计，最终完 成对系统的控制要求。主要工作包括：(1) 根据系统配置完成了以PLC为核心的硬件系统的设计选型，主要包括FX2N三菱系 列PLC、激光式自动条码扫描器、E740三菱变频器以及光电传感器等。(2) 设计PLC输入/输出地?分配以及各硬件同PLC的通信连接，使成为一个整体，完成 以PLC为核心的硬件系统总体方案。(3) 通过功能分解，设计了按钮控制子?序、变频控制子?序、扫描控制子?序、万向分 拣角度控制子?序和道口计数报警控制子?序等，完成各部分的PLC梯形图绘制?对图形语言 进行分析说明。(4) 设计控制系统主?序流?图以及相应的控制?序，基于GX Developer软件进行主? 序梯形图编写，?对各子?序进行仿真调试，验证设计思路以及相应?序的准确性。通过对一般自动分拣系统的验证和样机模型控制系统的设计，充分表明研发的新型万 向物流分拣系统具有实用性特点，满足我