邮件分拣系统的设计.docx
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邮件分拣系统的设计
摘 要
自动分拣控制系统在各个行业都应用广泛：
物流配送、邮政、采集、海运、仓管等行业得到广泛运用，分拣系统极大提升各单位生产效率。
初次设计后，进行了整体思路、流程调整。
硬件组成方面适当优化调节各组成部分方位、并有细微角度修正，达到平稳系统运作、理想化传感器角度的目的。
硬件整体调整完善后，开始软硬件协调测试，最终促成本设计中邮件输入、邮件输送、邮件分拣的系统过程。
本系统在机械自动化理念及分拣系统基础原理上，根据给定的要求,以邮件为对象选取PLC控制核心、MCGS监控软件的简单组合，进而设计出邮件安全分拣系统的控制和监控。
将PLC做主控器,结合传感器应用等技术,能够实时监控和保障邮件的安全分拣。
系统具有思路简明、运行稳定、分拣精度高、易控制的特点,若分拣对象改变,只需简单改动便可达到良好效果。
关键词：
邮件分拣；安全平稳；传感器；PLC；监控软件
Abstract
Sortingcontrolsysteminallsectorsofsocietysuchas:
logisticsanddistributioncenter,postoffice,mining,ports,terminals,warehousesandotherindustriesarewidelyused,wecanseethatthesortingsystemcangreatlyimprovethelevelofproductionenterprisesefficiency.
Familiarwiththegoodsintheautomaticandsortingsystemprinciplefoundation,accordingtocertainrequesttosorttheMitsubishisPLCascontrolcore,Mcgssoftwareformonitoringsoftware,thedesigngivesmaterialsortingcontrolsystem.ThetransportofgoodsandmaterialssortingsystemmainlybyPLCcontroller,combinedwithpneumaticdevice,thesensortechnology,configurationandmonitoringtechnology,on-sitecontrolproductautomaticsorting.Systemhasahighdegreeofautomation,stableoperationandhighprecision,easycontrolsortingbasedonthefeaturesofdifferentsortingobject,slightlymodifyingthesystemcanberealizedrequirements.
Aftercompleteditsdesignofthesystem,executingtheoverallcommissioning.Inhardware,testingtheinstallationlocationandangleofthevariouspartstomakeitruntheblockmaterialandtheangleofthesensorsuitableforinstallation.Afterthevariouspartsofthehardwaredebugrangeofmotion,integratinghardwareandsoftwaredebuggingtoachievematerialsortingsystem,feeding,deliveryandsortingoftheentireprocess
Keywords：
Materialsorting；sensor；Pneumaticdevice；PLC；Mcgssoftware
目 录
第1章 前言
1.1 任务的提出
近年邮政事业得到了空前发展。
邮政通信网的技术含量不断增加，技术装备水平也在不断提高，邮件处理已基本实现机械化，并且朝着自动化的方向迈进。
其中，利用机器自动分拣邮件是一个重要的课题。
国内的研究工作起源于20世纪70年代中期。
20多年来，科技人员不断跟踪国际分拣技术的发展状况，推陈出新。
截止1998年底，全国共有106套邮件自动分拣设备投入运行，1998年完成的重大科研成果，它不是简单地将理信机和OVCS分拣系统拼成一台设备，而是一次读取图像，完成理信和分拣，且具有语音提示、格口显示、分层停机、标签制作等功能，处理效率为32000件/h。
该机的研制成功标志着我国邮件分拣设备的制造技术已达到国际先进水平。
邮件分拣系统系统改变了人工分拣的工作方式分拣，极大提高了效率。
作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器（PLC）从无到有实现了工业控制领域接线逻辑到储存的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制，过程控制，及集散控制等各种任务的跨越。
她具有可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强，体积小，重量轻，能耗低等一系列的优点。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等各个行业。
与计算机，通信技术并称为现代工业控制的三大支柱。
邮政工作和人们的生活是息息相关的。
随着人们生活水平的提高，社会的不断发展，邮政工作也越来越多样复杂。
但传统邮件的分拣大多采用手工操作，这样的后果是不但效率低，工作量十分的繁重而且误差率级高。
为了改善这种状况，实现邮件处理的高度自动化，提高邮件的处理速度，减少大量的人力，以适应现代化的发展，从而由PLC控制的邮件分拣十分必要的。
邮件分拣技术，正是基于科技，经济发展的需要，研发并不断完善的。
1.2 分拣系统基本介绍
二次世界大战之后，自动分拣系统逐渐在西方多个国家进入应用领域，成为发达国家先进物流中心，配送中心，流通中心必需具备的设施条件之一。
（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。
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，所以，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普遍存在。
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。
1.3 本文研究的主要内容
以邮件分拣系统为设计目的，认真设计以PLC控制的自动邮件安全分拣系统，本次设计的邮件安全分拣系统通过要求与比较传感器的基本知识和参数，择优选取硬件系统中所需的元器件并完成PLC的选型。
在了解PLC与组态软件的相关知识后，为本选题构思软硬件的协调设计，设计出主电路与控制回路，并建立了软件模拟，设计中，确定了I/O分配，并按控制条件汇成PLC梯形图设计。
在实际工作过程中，需要对全过程控制状态进行实时监控，理想情况下可运用组态软件建立其实际的模型，搭配动态画面设定、数据报表输出，做出较完整的监控界面。
初次设计后，进行整体思路、运作流程调整。
硬件组成方面适当优化调节各组成部分方位、并有细微角度修正，达到平稳系统运作、理想化传感器角度的目的。
硬件整体调整完善后，开始软硬件协调测试，最终促成本设计中邮件输入、邮件输送、邮件分拣的系统全过程。
1.4 方案论证
本课题是基于区分邮件的不同而设计的邮件分拣系统，主要是实现对特别处理后的邮件A、邮件B和不同颜色邮件的自动分拣，具体方案初步设计如下：
（1）接通电源，按下启动开关，系统进入启动状态，指示灯绿灯亮。
（2）系统启动后，邮件输入传感器（光电传感装置）检测到邮件传送带无邮件或各气缸未复位时，传送带须继续运行一个行程10ｓ后自动停机,指示灯红灯亮。
（3）系统启动后，邮件输入传感器（光电传感装置）检测到传送带有邮件，每隔2S气缸动作一次，动作时间维持为1ｓ，将待测邮件推到传送带上，待测物体开始在传送带上运行，并对其进行计数。
（4）当电感传感器检测到邮件A时，且其对应的接近开关感应到邮件接近，对应气缸将待测物体推下，并对其进行计数。
（5）当电容检测传感器检测到邮件为邮件B时，且其对应的接近开关感应到邮件接近，对应气缸动作将被检测到的邮件推下，并对其进行计数。
（6）当颜色检测传感器检测到邮件为红色时，且其对应的接近开关感应到邮件接近，相应气缸动作将待测物体推下，并对其进行计数。
（7）剩余邮件在传送带上继续传送，当最后导轨对应的接近开关感应到邮件接近，其气缸动作将被检测到的邮件推下，并对其进行计数。
图1-1 邮件分拣系统的示意图
本方案理论上具有可操作性无明显逻辑错误，初步判断可进行实验验证。
第2章 自动分拣系统中硬件设计
2.1 PLC的选型
2.1.1 PLC基本结构
图2-1 PLC结构框图
（1）中央处理单元（CPU）
中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作任务等。
（2）存储器
存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序以及运算数据的单元。
可编程序控制器配有两种存储器，即系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）。
（3）输入/输出（I/O）电路
输入输出电路是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。
输入口用来接收生产过程的各种参数，输出口用来送出可编程控制器的运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。
按照信号的种类归类有直流信号输入、输出，交流信号的输入、输出；按照信号的输人、输出形式分有数字量输入、输出，开关量输入、输出，模拟量输入、输出。
（4）电源
可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源以及为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。
（5）编程器
编程器是PLC的重要外部设备，利用编程器可将用户程序送入PLC的用户程序存储器，调试程序、监控程序的执行过程。
编程器从结构上可分为三种类型，简易编程器、图形编程器和通用计算机编程。
2.1.2 PLC的扫描工作过程
PLC扫描工作方式主要分三个阶段：
输入采样、程序执行、输出刷新。
1）输入采样
PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读人到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。
PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输人端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。
在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。
2）程序执行
PLC完成了输入采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。
再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。
但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。
3）输出刷新
在执行到END指令，即执行完了用户的所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。
PLC工作过程除了包括上述三个主要阶段外，还要完成内部处理、通信处理等工作，在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。
在通信服务阶段，PLC与其他的带微处理器的智能装置实现通信[11~14]。
2.1.3 PLC的分类
我国PLC的分类尚无统一的标准。
据性能，应用范围可将其如下分为：
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]。
2.1.4 PLC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 传感器的原理简介
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”。
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2-2所示。
图2-2 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邮件的识别。
（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，本系统采用邮件传感器和颜色传感器，对邮件进行分拣。
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A邮件。
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邮件B邮件[1]。
根据不同邮件有不同的颜色，可以针对一种颜色的邮件进行拣出。
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。
在本邮件分拣系统选用是用来识别红色与绿色的邮件。
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，综合其各种情况，在本设计，选择RGB颜色传感器着为识别邮件颜色的装置，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。
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 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]。
图3.1驱动系统原理图
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。
现今各控制系统中分拣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
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