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分拣控制系统

分拣控制系统

“CETTIC全国可编程控制器（PLC）程序设计师”

职业培训认证结业设计

三菱FX系列分拣控制系统

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完成日期：

2007年12月25日

摘要：

作为“CETTIC全国可编程控制器（PLC）程序设计师”职业培训认证考试实践环节的结业设计，本文阐述了应用日本三菱公司生产的具有高性能价格比的微型可编程控制器三菱FX系列PLC设计实现分拣控制系统。

该系统充分利用了培训中讲述的可变成控制器（PLC）的多方面知识方法，使得该系统可靠稳定，应用范围广。

关键词：

可编程控制器PLC分拣控制系统

第一章概述……......…...……...…………………………..1

1.1选题背景................................................................................4

1.2PLC在控制系统中的应用.....................................................6

1.3PLC的几种流派...................................................................12

1.4自动分拣系统应用简述.......................................................13

1.5三菱FX2N系列产品的介绍...............................................15

第二章分拣控制系统...........................................................17

2.1总体设计...............................................................................17

2.11系统描述.............................................................................17

2.12系统要求.............................................................................18

2.2系统配置...............................................................................18

2.21I/O端口分配表....................................................................19

2.22状态转移图..........................................................................20

2.23梯形图..................................................................................22

2.24指令表..................................................................................26

2.25外部接线图..........................................................................29

2.3数据结构................................................................................30

2.31输入数据..............................................................................30

2.32输出数据..............................................................................30

2.33运算数据..............................................................................30

第三章性能测试与分析........................................................31

3.1程序模块的调试.......................................................................31

3.2性能分析...................................................................................31

第四章结束语..........................................................................32

参考文献..................................................................................32

第一章概述

1.1选题背景

自动分拣系统最前线

[PAS]诞生的经过

HOKUSHO于1990年3月和美国AutoMotion公司进行技术合作，在1991年3月开发了以重量级（相当于45kg）家电产品的快速分拣为目的的滑块式分拣搬运机[大型自动分拣机]。

随后于1993年7月开发了以中等重量（相当25k）纸板箱盒为对象的[小型自动分拣机]。

2年后，依次开发了以书籍、杂志等（相当于5kg）为对象的[迷你自动分拣机]。

为了保证分拣的正确性，减少分拣时对搬运货物的损害，所以目前为止一直坚持滑块式，并按照搬运重量开发了3种类型。

[PAS]是以迷你类型为核心的系统，开发完成能正确分拣轻量、质地薄商品的结构大约花费了1年半时间，同时也着手开发了软件（运用软件）。

在伊藤洋华堂的指导下，实现了彻底的降低成本，并成功地在1996年10月的国际物流综合展示会亮相。

当时的反响超出预料，之后迅速形成市场，现在以流通行业为中心的交货实绩超过160套。

在介绍该系统的最新动向之前，先简单介绍[PAS]的概要和到目前为止的使用状况。

[PAS]的最大用途是分拣的高精度

[PAS]取自于PieceAssortingSystem的第一个英文字母，该系统使用小件商品对应的分拣输送机，快速分拣零散单位的商品，并同时确认其数量。

关于该系统的引进优点·使用说明在后文中详细叙述，该系统的最大用途是实现极其高精度的分拣。

在进行人海战术作业的时候，实际结果和数据几乎没有100%的一致，也很难寻找错误的原因。

即使能够保存数据，但是由于数据可信度较低，所以无法灵活使用于应用当中。

如果能够将实际和数据尽量保持一致，就可以在各种场合下灵活使用，在那些目前为止被认为不可能的领域中实现大幅度地降低成本。

在使用[PAS]的场合下，就可以实现实际和数据的尽量一致，也可以在各种场合灵活使用这些数据。

数据越正确就越能实现正确的单品管理，进而把握正确的物流成本。

[PAS]的起源在于人

[PAS]的理念是“使人活用的工具”。

所以工序以现场为主导，积极灵活使用为前提，非常易懂，即使是临时工也能通过工具感觉来进行操作。

凡是那些容易让人出错，并且身心负担较重的数量确认作业可以委托给[PAS]，而那些无法使用机械作业的目视检验工作由作业人员进行，这样就没有被机械所驱使的感觉，而通过驾驭机械的感觉正好可以唤起作业者的积极性。

其结果是作业者的劳动积极性提高了。

另外，因为不是大家反复从事同一个单纯作业，每个人所担当的区域不同作业内容也不同，正所谓是作为一个团队的运用。

通过担当部署的改变，可以很容易地回避千篇一律，其结果可以抑制作业者的工作疲倦感。

通过工具感觉可以愉快、无误并积极地投入工作，[PAS]提高了生产效率，进而提高了ES（劳动者满意度）。

各个中心的活用类型

目前为止，虽然各种各样的中心引进了[PAS]，但主要还是分为4种类型。

①保管型物流中心/DC

出货时根据客户（播种）分拣

进货、退货时的数量检验+按项目分拣

②中转型物流中心/TC

入货时的数量检验+按客户（播种）分拣

③生产据点内配送中心

出货时按客户（播种）分拣

④退货处理中心

退货时的数量检验+按项目或种类分拣

除上述之外，还有其他各种用途，例如邮件、小物品集中配送保管中心等等。

将用途转换成引进动机来看，都是为了解决劳动密集型作业（进货检验、退货检验、拣选、流通加工、出货检验、包装等）诸问题（精度、生产效率、成本等）而引进[PAS]的。

这些问题是供应环节中的瓶颈问题之一。

引进[PAS]的好处

适用在订单拣选的情况下:

①交货精度（可以在1/100000以下）;

②实现将一个店铺进一步分为多个部门（按部门交货服务）;

③省人的效果（和手工作业相比约为1/2）。

适用退货处理的场合:

①实现退货（人货）（检验、入库的零错误）;

②省人的效果（和手工作业相比约为1/2）。

最新的动向和展望

从台数上来看，大约一半左右是用于流通行业中按客户（播种）分拣，今后还会进一步增加。

从处理的商品种类上来看，没有特别明显的倾向，但是由于一开始就是可以对应各种零件的系统，所以用于以化妆品、医药用品为主，服装、书籍、加工食品、日用杂品、CD、玩具、录像带等不胜枚举的商品。

特别值得一提的是用户引进[PAS]的理由。

假设用户所处理的商品从加工食品改变为日用杂货，即使这样，也可以毫无问题的继续使用[PAS]，我认为这一有利点可能就是滑块式成为主流的间接原因。

从物流中心的形态来看，还是以密集型（共同、中转型）中心为主流。

这是因为一方面提高了效率，另一方面在国际会计基准中现金流动越来越被重视，所以不得不进一步压缩库存。

在这样的中心里提高综合能力是必要的条件。

除此以外，环境安全规则（家电循环再利用容器包装的循环再利用法）和企业的IS014000系列的不断开展中，推进产品循环再利用的设备投资也很活跃。

和上述的压缩库存相同，为了正确把握退货商品，[PAS]也将被活用。

另外，不仅在国内，在韩国、台湾已经有几套[PAS]正在被使用，和国内一样也存在着潜在市场。

结论

如同“按中心活用类型”中介绍的一样，[PAS]的各种用途都在被应用，这些用途都来源于客户的构思。

今后，作为实现客户构思的工具将发挥更大的作用。

[PAS]的基本使用说明

开发[PAS]系统的目的是为了正确快速并花费极少劳动力，将商品以零散单位进行细分作业。

以对应零件的滑块式分拣输送机[迷你自动分拣机]为核心，配置投入用的带式输送机，以便装载搬运物搬运到分拣输送机上，在投入部设置投入电脑（触摸式面板）和输入用的条形码读数装置。

另外配对进行情报管理用的管理电脑，控制机械用的控制电脑。

管理电脑里装有标准运用软件。

这样大致分为情报管理、控制部、投入部、分拣滑槽部

（1）情报管理控制部

进行数据加工、管理、通信、显示、控制输送机。

通过TCP/IP的网络通信或者软盘进行分拣数据的交接。

（2）投入部

在操作和投入搬运物时，输入数据，辨认被投入的商品，搬运到分拣输送机上。

配合数据输入自动化，引进影像扫描自动输入系统已成为主流。

（3）分拣滑槽部

根据分拣数据分拣到各个滑槽。

对应商品的形状滑槽有各种类型，但是基本上是3种类型（钢制倾斜滑槽、滚轮倾斜滑槽、带式输送机滑槽）

现在[PAS]有3种类型，标准型PASI，能够分拣圆筒形物品（Φ30mm为止）的PASll，对应邮件、小物品的PASll。

1.2PLC在控制系统中的应用

可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。

PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：

高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。

比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。

PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。

人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。

用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。

自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。

至今，在PLC的编程语言——梯形图中还可以看到这些布线的影子。

直到60年代末、70年代初可编程控制器问世，随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展，以及微处理器的出现，PLC产品朝小型和超小型化方面进行了一次飞跃，最终使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。

一、可编程控制器的主要功能

　　PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位。

今天的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。

　　PLC系统一般由以下基本功能构成：

?

多种控制功能?

数据采集、存储与处理功能?

通信联网功能?

输入/输出接口调理功能?

人机界面功能?

编程、调试功能1、控制功能逻辑控制：

PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。

　　定时控制：

它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：

接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。

　　计数控制：

用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。

　　顺序控制：

在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。

2、数据采集、存储与处理功能数学运算功能：

　　基本算术：

加、减、乘、除。

　　扩展算术：

平方根、三角函数和浮点运算。

　　比较：

大于、小于和等于。

　　数据处理：

选择、组织、规格化、移动和先入先出。

　　模拟数据处理：

PID、积分和滤波。

3、输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。

位数和精度可以根据用户要求选择。

　　具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。

4、通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。

　　通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。

如西门子S7-200的Profibus现场总线口，其通信速率可以达到12Mbps。

　　在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。

通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。

5、人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。

允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。

　　实现人机界面功能的手段：

从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。

6、编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。

二、可编程控制器的主要特点

1、可靠性高PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。

2、模块化组合灵活可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。

I/O从8～8192点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。

3、功能强PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。

基本型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等。

复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。

4、编程方便PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图（SFC）编程，不需要太多的计算机编程知识。

新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。

5、适应工业环境PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。

这是PLC产品的市场生存价值。

6、安装、维修简单与计算机系统相比，PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。

使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。

然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。

　　一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率（RF高频）电磁干扰、防火等。

7、运行速度快随着微处理器的应用，使PLC的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。

8、总价格低PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。

另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。

　　PLC系统与工业总线计算机和DCS系统相互渗透，互为借鉴，相互竞争而发展。

促进了工业的进步。

　　PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需要。

三、PLC的通信及联网PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信。

PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统。

　　以西门子公司的SIMATICNET为例，在其提出的全集成自动化（TIA）的系统概念中，核心内容即包括组态和编程的集成、数据管理的集成以及通信的集成。

通信网络是这个系统重要的、关键的组件，提供了部件和网络间完善的工业通信。

　　SIMATICNET包含了三个主要层次：

　　AS-I网——传感器和执行器通信的国际标准，扫描时间5ms，传输媒体为未屏蔽的双绞线，线路长度为300m，最多为31个从站。

　　PROFIBUS——工业现场总线，用于车间级和现场级的国际标准，传输率最大12m/s，传输媒体为屏蔽双线电缆（最长9.6km）或光缆（最长90km），最多可接127个从站。

　　工业以太网——用于区域和单元联网的国际标准，网络规模可达1024站1.5km（电气网络）或200km（光学网络）。

　　在这一网络体系中，尤其值得一提的是PROFIBUS现场总线，PROFIBUS是目前最成功的现场总线之一，已得到广泛地应用。

它是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。

为数众多的生产厂家提供了优质的PROFIBUS产品，用户可以自由地选择最合适的产品。

PROFIBUS已经成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170，并在世界拥有了最多的用户数量。

四、PLC与工业控制计算机（IPC）和集散控制系统（DCS）的比较1、各自技术发展的起源计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。

硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。

　　集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。

　　PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。

　　近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。

在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和PID调节等功能模块；运算速度提高，CPU的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络（LAN），因而也可构成为一个集散系统。

特别是个人计算机也被吸收到PLC系统中。

　　PLC在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。

2、相同点在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，PLC、工业计算机、集散系统（DCS）之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O模件组成。

编程方面也有很多相同点。

3、区别点由于PLC和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具。

实际上的区别继续存在。

　　PLC用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。

集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。

　　特别提出的是与STD总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。

PLC更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于STD工控机，但是从开关量控制而言，PLC的性能优于STD工控机。

　　总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。

没有什么控制器绝对完善，也没有哪种产品绝对差，只能说选择更适用的产品。

4、增长趋势比较（见表）表　1995年四类控制产品的初步统计名次

产品类别

销售额（美元）增长率/%

1PLC

39亿（不包括软件）

50亿（包括软件）15.9

2PID

29亿14.2

3DCS

28亿5.7

4个人计算机15亿14.9　控制软件7.8亿15

PLC自问世以来，经过20多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，1987年世界PLC的销售额为25亿美元，此后每年以20%左右的速度递增。

进入90年代以来，世界PLC的年平均销售额在55亿美元以上，其中我国约占1%。

当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。

五、PLC的综合经济分析综上所述，在恶劣环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动控制将越来越广泛。

但是，这种新型控制装置在推广使用