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自动分拣控制系统论文
摘要
分拣控制系统在社会各行各业如：
物流配送中心、邮局、采矿、港口、码头、仓库等行业得到广泛运用，分拣系统能够大大提高企事业单位该环节的生产效率。
本文在对熟悉了自动及分拣系统的原理的基础上，根据一定的分拣要求,对材料分拣进行了以三菱PLC为控制核心，MCGS组态软件为监控软件，设计出材料分拣控制系统的控制系统和监控系统。
该材料分拣系统以PLC为主控制器,结合气动装置、传感器技术、组态监控等技术,可以进行现场控制产品的自动分拣。
系统具有自动化程度高、运行稳定、分拣精度高、易控制的特点,对不同的分拣对象,稍加修改本系统即可实现要求。
对本系统完成其设计之后，进行了整体调试。
在硬件部分，调试其各部分安装的位置及角度，使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。
将硬件各部分的动作幅度进行调试之后，进行了软硬件综合调试，实现材料分拣系统中上料、传送与分拣的全过程。
关键词：
材料分拣传感器气动装置PLCMCGS组态软件
Abstract:
Sortingcontrolsysteminallsectorsofsocietysuchas:
logisticsanddistributioncenter,postoffice,mining,ports,terminals,warehousesandotherindustriesarewidelyused,wecanseethatthesortingsystemcangreatlyimprovethelevelofproductionenterprisesefficiency.
Familiarwiththegoodsintheautomaticandsortingsystemprinciplefoundation,accordingtocertainrequesttosortthemitsubishiPLCascontrolcore,Mcgssoftwareformonitoringsoftware,thedesigngivesmaterialsortingcontrolsystem.ThetransportofgoodsandmaterialssortingsystemmainlybyPLCcontroller,combinedwithpneumaticdevice,thesensortechnology,configurationandmonitoringtechnology,on-sitecontrolproductautomaticsorting.Systemhasahighdegreeofautomation,stableoperationandhighprecision,easycontrolsortingbasedonthefeaturesofdifferentsortingobject,slightlymodifyingthesystemcanberealizedrequirements.
Aftercompleteditsdesignofthesystem,executingtheoverallcommissioning.Inhardware,testingtheinstallationlocationandangleofthevariouspartstomakeitruntheblockmaterialandtheangleofthesensorsuitableforinstallation.Afterthevariouspartsofthehardwaredebugrangeofmotion,integratinghardwareandsoftwaredebuggingtoachievematerialsortingsystem,feeding,deliveryandsortingoftheentireprocess
Keywords:
MaterialsortingsensorPneumaticdevicePLCMcgssoftware.
1绪论
1.1分拣系统基本介绍
自动分拣系统（Automaticsortingsystem）是先进配送中心所必需的设施条件之一。
它具有很高的分拣效率，通常每小时可分拣商品6000-12000箱，可以说，自动分拣机是提高物流配送效率的一项关健因素。
它是二次大战后在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动分拣系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。
自动分拣机是自动分拣系统的一个主要设备。
它本身需要建设短则40-50米，长则150-200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大（动辄20000平方米以上），而且还要建3-4层楼高的立体仓库和各种自动化的搬运设施（如叉车）与之相匹配，这项巨额的先期投入通常需要花10-20年才能收回。
该系统的作业过程可以简单描述如下：
物流中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点（如指定的货架、加工区域、出货站台等），同时，当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短的时间内从庞大的高层货存架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送地点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。
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。
1.2分拣系统的意义
二次大战以后，自动分拣系统逐渐开始在西方发达国家投入使用，成为发达国家先进和物流中心，配送中心或流通中心所必需的设施条件之一。
（1）能连续、大批量地分拣货物由于采用大生产中使用的流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，它可以连续运行100个小时以上，每小时可分拣7000件包装商品，如用人工分拣则每小时只能分拣150件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。
（2）分拣误差率极低自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，则误差率在3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有差错，否则不会出错。
因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。
（3）分拣作业基本实无人化国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。
分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货，由人工控制分拣系统的运行，分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车，自动分拣系统的经营、管理与维护。
如美国一公司配送中心面积为10万平方米左右，每天可分拣近40万件商品，仅使用400名左右员工，自动分拣线做到了无人化作业。
对于分拣系统的应用前景，主要着眼于分拣系统的可靠性，优越性，应用领域的适用性以及系统的经济效益、成本等方而来考虑。
但因分拣系统其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，因此，在发达国家，物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也很普遍。
对于自动分拣系统因其自身存在的一些问题，在一定程度上限制了其应用的领域及其范围。
在引进和建设自动分拣系统时一定要考虑以下条件：
自动分拣系统的一次性投资巨大，其本身需要建设短则40~50米，长则150~200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大，动辄2万平方米以上，而且一般自动分拣系统都建在自动主体仓库中，这样就要建3~4层楼高的立体仓库，库内需要配备各种自动化的搬运设施，这丝毫不亚于建立一个现代化工厂所需要的硬件投资。
这种巨额的先期投入要花10~20年才能收回，如果没有可靠的货源作保证，则有可能系统大都由大型生产企业或大型专业物流公司投资，小企业无力进行此项投资。
它对商品外包装要求也很高，自动分拣机只适于分拣底部平坦且具有刚性的包装规则的商品。
袋装商品、包装底部柔软且凹凸不平、包装容易变形、易破损、超长、超薄、超重、超高、不能倾覆的商品不能使用普通的自动分拣机进行分拣，因此为了使大部分商品都能用机械进行自动分拣，可以采取二条措施：
一是推行标准化包装，使大部分商品的包装符合国家标准；二是根据所分拣的大部分商品的统一的包装特性定制特定的分拣机。
但要让所有商品的供应商都执行国家的包装标准是很困难的，定制特写的分拣机又会使硬件成本上升，并且越是特别的其通用性就越差。
因此公司要根据经营商品的包装情况来确定是否建或建什么样的自动分拣系统[6]。
1.3本文研究的主要内容
在本文中，以货物材料的分拣系统为例，详细的分析了在基于PLC控制的自动分拣系统的设计，文中介绍了分拣系统中信号的采集分析中传感器的一些基本知识，并通过要求与比较，确定了硬件系统中的一些元器件的选择与确定了PLC的选型。
在介绍了一些PLC与组态软件的基本知识后，对本课题进行硬件与软件设计，设计出主电路与控制回路，并建立了实际的模型，在软件设计中，确定了I/O分配，并按照控制要求设计出了PLC梯形图。
在实际工作过程中，需要对整个控制过程进行监控，运用组态软件（MCGS）建立其实际的模型，并进行动态画面的设定与数据报表的输出，完成一个较完整的监控界面。
在本系统完成其设计之后，对其进行整体调试。
在硬件部分，调试其各部分安装的位置及角度，使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。
将硬件各部分的动作幅度进行调试之后，进行了软硬件综合调试，实现材料分拣系统中上料、传送与分拣的全过程。
2分拣系统中硬件设计
2.1PLC的选型
2.1.1PLC的分类
目前，在我国PLC的分类还没有一个统一的标准。
根据性能和应用范围可将其进行如下分类。
1、按性能分类
根据PLC的I/O点数、用户程序存储器容量和控制功能的不同，可将其分为小型、中型和大型二类。
小型PLC又称低档PLC，它的I/O点数小于128点，用户程序存储器容量小于4K字，功能简单，以开关量控制为主，可实现条件控制、顺序控制、定时记数控制。
适用于单机或小规模生产过程。
中型PLC又称中档PLC，它的I/O点数在128~512点之间，用户程序存储器容量为4K~8K字，功能比较丰富、兼有开关量和模拟量的控制能力，具有浮点数运算、数制转换、中断控制、通信联网和PID调节等功能。
适用于小型连续生产过程的复杂逻辑控制和闭环过程控制。
大型PLC又称高档PLC，它的I/O点数在512点以上，用户程序存储器容量达到8K字以上，控制功能完善，在中档机的基础上，扩大和增加了函数运算、数据库、监视、记录、打印及中断控制、智能控制、远程控制的功能。
适用于大规模的过程控制、集散式控制系统和工厂自动化网络。
2、按结构分类
根据PLC的构成形式，可将PLC分为整体式和机架式（模块式）两大类。
整体式PLC是将CPU、存储单元、输入输出模块和电源部件集中配置在一个机箱内。
这种PLC输入输出点数少、体积小，价格低，便于装入设备内部。
小型PLC通常采用这种结构。
机架式PLC将各单元做成独立的模块，使用时将这些模块分别插入机架底板的插座上。
可根据生产实际的控制要求建立模块，构成不同的控制系统。
这种PLC输入输出点数多，配置灵活方便，易于扩展。
大中型PLC通常采用这种结构。
3、按应用范围分类
根据应用范围的不同，可将PLC分为通用型和专用型两类。
通用型PLC作为标准工业控制装置可在各个领域使用，而专用型PLC是为了某类控制要求专门设计的PLC，如数控机床专用型、锅炉设备专用型、报警监视专用型等。
由于应用的专一性，使其控制质量大大提高[9]。
2.1.2PLC种类及型号选择
PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。
根据系统中的控制要求PLC点数：
实际输入点15点，实际输出点8点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为32点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择PLC型号为：
FX2N—32MR，合计总数32点—16点输入，DC24V，16点继电器输出；尺寸（mm）：
220×87×90，其性能、价格都优于其他PLC。
FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。
FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。
由于FX2N系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
该型号PLC有16个输入节点，16个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。
2.2传感器的选择
2.2.1传感器的简介
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器是一个完整的测量装置（或系统），能把被测非电量转换为与之有确定关系的有用电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。
[3]
传感器一般由敏感元件、变换元件和其他辅助元件组成。
但是随着传感器集成技术的发展，传感器的信号调理与转换电路也会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集成在同一芯片之上。
因此，信号调理电路以及所需辅助电源都应作为传感器组成的一部分，如图2-1所示。
图2-1传感器的组成示意图
敏感元件——感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件，如膜片和波纹管，可以把被测压力变成位移量。
若敏感元件能直接输出电量（如热电偶），就兼为传感元件了。
还有一些新型传感器，如压阻式和谐振式压力传感器、差动变压器式位移传感器等，其敏感元件和传感器就完全是融为一体的。
变换元件——又称传感元件，是传感器的重要组成元件。
它可以直接感受被测量（一般为非电量）且输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。
传感元件也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。
例如，差动变压器式压力传感器，并不直接感受压力，而只是感受与被测压力成确定关系的衔铁位移量，然后输出电量。
一般情况下使用的都是这种传感元件。
信号调理与转换电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。
信号调理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多种类，常用的电路有电桥、放大器、振动器和阻抗变换器等。
传感器根据使用要求的不同，可以做的很简单，也可以做的很复杂；可以使带反馈的闭环系统，也可以是不带反馈的开环系统。
因此，传感器的组成将依不同的情况而有所差异[2]。
2.2.2传感器的选择
传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。
它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。
根据本设计的要求需要对位置检测装置、视觉传感器进行选用。
位置检测装置检测气缸动作是否到位，视觉传感器是为了完成对物料的识别。
（1）位置检测装置
在本设计中，当气缸执行动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。
行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。
在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。
行程开关的品种规格很多，按其操作结构可分为直动、滚轮直动、杠杆单、双轮等。
选用行程开关时，应根据不同使用场合，满足各方面的要求来进行选择。
本设计中采用直线接触式磁感应开关检测气缸回位动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。
（2）视觉传感器
系统视觉的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能够对不同的物体进行识别，本系统采用材质传感器和颜色传感器，对物料进行分拣。
电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，用来检测金属物体。
它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。
这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化。
由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。
本系统用该器件来检测铁质材料。
电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关。
它的测量头通常是构成电容器的一个极板,而另一个极板是待测物体的本身。
当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。
由此，便可控制开关的接通和关断。
本装置中电容传感器是用于检测铝质材料[1]。
根据不同物料有不同的颜色，可以针对一种颜色的物料进行拣出。
颜色传感器同样也属于具有开关量输出的位置传感器。
它是在Si等多数光电二极管之前，分别放置R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色的彩色滤光器，以便处理各自的输出信号并识别彩色的方法。
材料分拣系统采用它主要是用来识别红色与绿色的材料。
目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型：
①色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色LED光源；②RGB（红绿蓝）颜色传感器，它检测物体的对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。
这类装置许多是温反射型、光束型、光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸脂外壳中。
典型的输出有：
NPN和PNP、继电器和模拟输出。
为了便于PCL控制程序的编写，利于公司企业的经济效益，综合其各种情况，在本设计，选择RGB颜色传感器着为识别物料颜色的装置，继电器输出方式，便于PLC控制系统的简单化，控制系统更容易实现[4~5]。
2.3驱动部分的分析与选择
系统的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，其驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。
目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。
液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。
但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。
电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。
但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。
因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。
气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。
另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。
在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。
气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。
表2-1给出了各种控制方式的比较：
表2-1各种控制方式的比较
项目
气压传动
液压传动
电气传动
机械传送
系统结构
简单
复杂
复杂
较复杂
安装自由度
大
大
中
小
输出力
稍大
大
小
不太大
定位精度
一般
一般
很高
高
动作速度
大
稍大
大
小
响应速度
慢
快
快
中
清洁度
清洁
可能有污染
清洁
较清洁
维护
简单
比气动复杂
需要专门技术
简单
价格
一般
稍高
高
一般
技术要求
较低
较高
最高
较低
控制自由度
大
大
中
小
危险性
几乎无问题
注意着火
一般无问题
无特殊问题
通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本[16~18]。
2.4执行机构的选择
在气压传动系统中，组成气动回路是为了驱动用于各种不同目的机械装置，其最重要的三个控制内容是：
力的大小、运动的方向和运动的速度。
与生产装置相连接的各种类型的气缸，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现对三个内容的控制，正是利用它们组成了各种气动控制回路。
现今各控制系统中用于分拣物料的执行机构主要有以下几种：
（1）机械手夹持式
夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。
它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。
其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。
夹持式手部设计时应注意以下事项：
①手指应有一定的开闭范围；②手指应具有适当的夹紧力；③要保证工件在手指内的定位精度；④结构紧凑，重量轻，效率高；⑤通用性和可换性。
[19]
（2）气吸式
气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。
它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。
主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。
气吸式又可分为：
负压吸盘：
真空式、喷气式、自挤式空气吸
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