基于PLC物料传送分拣控制系统设计.docx

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基于PLC物料传送分拣控制系统设计

摘要

自动分拣控制系统在社会很多行业中得到广泛应用，自动分拣系统能实现大规模无人自动化控制，大大提高企事业单位在此环节上的工作效率。

本文主要论述PLC在自动分拣控制上的应用，以可编程控制器（PLC）为核心，结合气动装置、传感技术、位置控制等技术，设计低成本、高效率的自动分拣控制系统。

该系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点,可根据不同需求,稍加修改本系统即可实现要求。

关键词：

自动分拣；可编程控制器；高效；传感器

Abstract

Automaticcontrolsysteminthemostwidelyusedinindustry,theautomaticsortingsystemcanrealizelarge-scaleunmannedautomaticcontrol,greatlyimprovetheenterprisesinthisaspectoftheworkefficiency.

ThispapermainlydiscussesthePLCinautomaticsortingcontrolapplications,totheprogrammablecontroller（PLC）asthecore,combinedwiththepneumaticdevice,sensortechnology,controltechnology,designoflowcost,highefficiencyautomaticsortingsystem.Thesystemhasahighdegreeofautomation,stableoperation,highprecision,easytocontrol,accordingtodifferentneeds,minormodificationstothesystemcanreachtherequirements.

Keywords:

Automaticsorting;programmablecontroller;highefficiency;sensor

引言

自动分拣是指货物进入分拣系统到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动装置来完成的。

这种装置是由接受分拣指示信息的控制装置、计算机网络、搬运装置、分支装置（负责把到达分拣位置的货物按运到别处的装置）、缓冲站（在分拣位置临时存放货物的装置）等构成。

除了使用终端的键盘、鼠标或者其它方式向控制装置输入分拣指示信息的作业外，由于全部采用自动控制作业，因此它的分拣能力、分拣数量同人为分拣相比都比较大，效率也得到了进一步突破。

自动分拣系统的规模和能力已有很大的发展，目前大型分拣系统大多能分拣几十到几百个种类的物品，分拣能力达到每小时万件以上。

国外分拣系统规模都很大，主要包括进给台、信号盘、分拣机、分拣信息识别系统、设备控制系统和计算机管理系统等几大部分，还要配备外围的各种运输和装卸机械，组成一个庞大而复杂的系统。

自动分拣大部分与自动化立体仓库连接起来，配合自动引导车（AGV）、托链小车等其它复杂的系统，分拣系统在总体布置上，可以说千变万化。

从分拣技术水平上说，欧美各国发展最早，技术比较成熟，目前处于世界领先地位。

美国和欧洲在60年代开始使用，日本则在第二次世界大战后才引进分拣机，但近二十年来由于其本国经济发展需要发展迅速，后来者居上，从1970--1985年共有338台自动分拣机投入运行，其中58.32%用于储运业，17.15%用于销售业。

到1987年就已经拥有自动分拣机1000台，号称是世界上拥有分拣机最多的国家。

我国自动分拣技术起步较晚，目前已能与国际先进水平保持同步，但是缺少技术创新能力，使自动分拣技术的物流系数也减少，大部分小型超市配送中心仍然靠人工分分拣。

在二十世纪80年代，我国最初是一些邮局采用小型的半自动翻盘分拣机，用于邮包分拣。

1990年为迎接第十一届亚运会，从荷兰引进了一套有3个入口，60个出口的自动分拣系统，成立了北京食品配送中心，每小时可以配送3000件货物，使我国的分拣技术有了一个飞跃。

而如今分拣技术已经用于我国的各行各业，使这环节的效率得到了很大的提高。

自动分拣机最先在邮政部门开始应用，大量的信件和邮包要在极端的时间内正确分拣，非凭借高度自动化的分拣措施不可。

此后，运输企业、配送中心、通讯出版部门、烟草部门、出版行业、食品化工、造纸业、化工业、机械制造以及各类工业企业亦相继应用。

近二十年来,特别是物流行业，随着经济和生产的发展,商品趋势趋于"短小轻薄"，流通趋于小批量多品种和准时制（JUST-IN-TIME，简称JIT）。

分拣作业已成为一项重要的工作环节，分拣系统的应用已经日趋普遍。

我国目前多数配送中心和物流企业都是人工分拣。

显然，随着分拣量的增加、分送点的增多、配货响应时间的缩短和服务质量的提高，单凭人工分拣将无法满足大规模配送的要求，所以这一环节亟待提高。

而国外一些配送中心多采用分拣系统进行分拣，充分发挥了分拣技术分拣速度快、分拣点多、差错率极低、效率高和基本上全自动操作的优势。

日本一位物流专家认为，在用户需求表现为多种小批量的时代，物流技术的三大措施是自动分拣机、自动化仓库和无人自动引导车。

自动分拣机是其中最接近与成熟的产品，这可以认为是国家对于自动分拣在物流技术中的地位和现状的一个较好的概括。

自动分拣系统成为当代物流技术发展的三大标志之一。

1概述

1.1自动分拣系统的意义及特点

自动分拣系统（Automaticsortingsystem）是先进配送中心所必需的设施条件之一。

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。

1.1.1主要特点

（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，因此自动分拣系统的分拣能力是人工分拣系统可以连续运行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）分拣作业基本实现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以下工作：

　　①送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货。

　　②由人工控制分拣系统的运行。

　　③分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车。

　　④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，这其中部分人员都在从事上述①、②、③、④项工作，自动分拣线作到了无人化作业。

1.1.2系统的组成

　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。

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，但因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。

在引进和建设自动分拣系统时一定要考虑以下条件：

1.1.3一次性投资巨大

　　自动分拣系统本身需要建设短则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。

1.1.4对商品外包装要求高

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。

1.2研究的目的及意义

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。

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

2.1整体外观

如图2-1所示为PLC物料自动分拣系统的整体硬件图。

图2-1自动分拣系统硬件图

2.1.1系统概述

本物料分拣装置主要由PLC控制模块、变频器、机械手、位置检测与控制、物料输送及分拣、气动系统等模块组成。

通过传感器信号采集，PLC编程，对电磁阀、直流电机、交流电机等进行复杂的开关量控制、位置控制及时序逻辑控制，实现物料提升、故障报警、气动机械手搬运、皮带机输送、物料分拣等功能。

2.1.2系统组成

（1）该装置由型材实训台、物料提升机构、气动机械手、物料输送及分拣机构、PLC模块、变频器模块、按钮模块、电源模块、各种传感器、物料、I/O接口板和气管等组成。

（2）电源模块由三相电源总开关（带漏电和短路保护）、熔断器、单相电源输出、三相电源输出、电源插座、开关电源（提供DC24V）等组成。

（3）按钮模块由急停按钮、转换开关、复位按钮、自锁按钮、指示灯等组成。

（4）变频器模块由欧姆龙3G3JV-AB004变频器及接线柱组成。

（5）PLC模块由三菱主机为FX1N-32MR-001内置开关量I/O构成，机箱内装有24V/5A的开关电源为系统提供直流电源。

（6）物料提升机构由单出杆气缸、电磁阀、磁性开关、警示灯、直流减速电机、机械结构件等组成。

（7）气动机械手机构由单出杆气缸、双出杆气缸、旋转气缸、气爪、磁性开关、缓冲阀、电磁阀、机械结构件等组成。

（8）物料输送及分拣机构由三相交流电机、皮带、单出杆气缸、磁性开关（磁电传感器）、电磁阀、电涡流式电感传感器、电容式传感器、漫反射型光电传感器、机械结构件等组成[5]。

2.1.3送料机构

如图2-2所示为送料机构硬件图。

其中包括放料转盘：

转盘中共放两种物料，一种金属物料、一种非金属物料。

驱动电机：

电机采用24V直流减速电机，转速10r/min，转矩30kg/cm；用于驱动放料转盘旋转；物料滑槽：

放料转盘旋转，物料互相推挤趋向入料口，物料则从入料口顺着滑槽落到提升台上；提升台：

将物料和滑槽有效分离，并确保每次只提升一个物料；物料检测传感器：

物料检测为光电漫反射型传感器，主要为PLC提供一个输入信号，如果有物料在提升台上，就会驱动提升气缸提升物料；如果运行中，光电传感器没有检测到物料并保持4秒钟，则让系统停机然后报警；磁性传感器：

用于提升台气缸的位置检测。

检测气缸伸出和缩回是否到位，为此在前点和后点上各一个，当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个信号。

磁性传感器接线时注意。

蓝色接GND，棕色经过负载接PLC输入端；提升气缸：

提升气缸使用的是单向电控气阀。

当电控气阀得电，物料提升台上升，当电控气阀断电，则物料提升台下降。

图2-2送料机构图

2.1.4机械手搬运机构

如图2-3所示为机械手搬运机构的硬件图。

整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。

手爪提升气缸：

提升气缸采用双向电控气阀控制，气缸伸出或缩回可任意定位；磁性传感器：

检测手爪提升气缸处于伸出或缩回位置；手爪：

抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，单控气阀断电，手爪松开；旋转气缸：

机械手臂的正反转，由双向电控气阀控制；接近传感器：

机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出；双杆气缸：

机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。

气缸上有装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置；调速阀：

调节旋转气缸的转动速度和力度，同时也可调节提升气缸的伸缩速度和力度；缓冲器：

旋转气缸高速正转和反转到位时，起缓冲速作用[6]。

图2-3机械手搬运机构图

2.1.5物料传送和分拣机构

如图2-4所示为物料传送和分拣机构的硬件图。

其中包括落料光电传感器：

检测是否有物料到传送带上，并给PLC一个输入信号；落料口：

物料落料位置定位；金属料槽：

放置金属物料；塑料料槽：

放置非金属物料；电涡流式电感传感器：

检测金属材料，检测距离为2～5mm；电容式传感器：

用于检测非金属材料，检测距离为3～8mm；三相低速电动机：

驱动传送带转动，由变频器控制；推料气缸：

将物料推入料槽，由单向电控气阀控制[7]。

图2-4物料传送和分拣机构图

2.2PLC简介及选择

2.2.1PLC的发展历史

在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。

但随着工业的发展，继电器接触器控制已不能满足人们的要求。

为了解决这一问题，早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司），为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，就提出要用一种新型的控制装置取代继电器接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做出了具体设想。

要把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点溶入于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。

美国数字设备公司（DEC）根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。

其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。

在20世纪70年代初期、中期，可编程序控制器虽然引入了计算机的优点，但实际上只称为PLC（ProgrammableLogicalController）。

随着微处理器技术的发展，20世纪70年代末至80年代初，可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，使得可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。

因此，美国电器制造协会（NEMA）将可编程序控制器命名为PC（ProgrammableController），但人们习惯上将之仍称为PLC，以便与个人计算机PC（PersonalComputer）相区别。

80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术韵迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。

这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能，从而使PLC的应用范围和应用领域不断扩大。

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。

2.2.2PLC的定义和特点

PLC的发展初期，不同的开发制造商对PLC有不同的定义。

为使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会（IEC）于1985年1月制定了PLC的标准，并给它作了如下定义：

可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。

它的一些性能与继电器相比具有以下特点：

（1）可靠性高

可靠性包括产品的有效性和可维修性。

可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面：

①可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高。

②可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护及恢复等。

③可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单，操作方便，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。

④可编程控制器的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。

例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺（SMT）制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等；存储器内容的保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修的设计等。

（2）操作性高

①操作方便：

对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。

现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改。

②编程方面：

PLC有多种程序设计语言可以使用，梯形图与电气原理图相似；编程语句是功能的缩写，便于记忆；功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通。

功能模块图和结构化文本语言，功能清晰，易于理解等优点。

③维修方便：

PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间，提高了效率。

（3）灵活性好

①编程的灵活性：

PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。

使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。

②扩展的灵活性：

PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。

它可以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。

它不仅可以通过增加输入输出模块增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能。

③操作的灵活性：

操作的灵活性指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。

操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得很容易。

在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。

（4）可实现机电一体化

为了使工业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自动化三大支柱（PLC，机器人，CAD/CAM）之一。

可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。

2.2.3PLC基本结构和工作原理

（1）基本结构

目前，可编程序控制器的产品很多，不同厂家生产的PLC以及同一厂家生产的不同型号的PLC，其结构各不相同，但就其基本组成和基本工作原理而言，是大致相同的。

它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。

实际上可编程序控制器就是一种新型的工业控制计算机。

PLC硬件系统的基本框架，如图2-5所示

图2-5PLC硬件系统结构框图

①中央处理器（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输入输出接口

输入输出接口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。

下面通过开关量输入、输出模块来说明I/O模块与CPU的连接方式。

1）开关量输入模块

开关量输人设备是各种开关、按钮、传感器等，其信号可能是交流电压（110V或220V），直流电压（12～24V）等。

因此，输入模块要能将生产现场的信号转换成CPU能接收的TTL标准电平的数字量信号。

对于开关量中交流输入模块的工作原理，只是