自动分拣毕业设计.docx
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自动分拣毕业设计
第一章邮件自动分拣系统
最初的分拣系统是完全基于人力的作业系统。
通过人工搜索、搬运来完成货物的提取。
这种分拣系统的作业效率低下，无法满足现代化物流配送对速度和准确性的高要求。
随着科学技术的飞速发展，分拣系统中开始运用各种各样的自动化机械设备。
计算机控制技术和信息技术成为信息传递和处理的重要手段。
机械化、自动化、智能化成为现代分拣系统的主要特点与发展趋势。
自动分拣系统（automaticsortingsystem）是二战后在美国、日本以及欧洲的大中型物流中心广泛采用的一种分拣系统。
一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口四部分组成，它们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分拣系统。
随着计算机技术的飞速发展，可编程控制器应运而生。
并且功能也越来越强大。
在应用上，PLC有着其他设备无以比拟的优越性，它可靠性高，抗干扰能力高；适用性强，应用灵活；编程方便，易于使用；功能强大，扩展能力强；控制系统设计、安装、调试方便；维修方便，维修工作量少；体积小，质量轻，易于实现机电一体化。
1.1自动分拣系统概述
现代社会已将物流的高科技（自动分拣桃、自动化立体仓库、信息处理及通
讯自动化等）广泛应用于各个流通领域。
可以肯定，随着物流大环境的逐步改善，科学技术日新月异的进步，特别是感测技术（激光扫描）、电子标签及计算机控制技术等的引入使用，自动分拣系统在我国发展空间巨大。
1.1.1自动分拣系统的含义
自动分拣系统（AutomatedSortingSystem）是二次大战后率先在美国、日本的物流中心中广泛采用一种自动化作业系统，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。
该系统的作业过程可以简单描述如下：
流动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时间内从庞大的高层货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进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。
1.1.2自动分拣系统的例子
1．物流配送自动分拣是一种全新的流通模式和运作结构，其管理水平要求达到科学化和现代化。
通过合理的科学管理制度、现代化的管理方法和手段，物流配送中心可以充分发挥其基本功能，从而保障相关企业和用户整体效益的实现。
管理科学的发展为流通管理的现代化、科学化提供了条件，促进流通产业的有序发展。
此外，也要加强对市场的监管和调控力度，使之有序化和规范化。
随着条码识别技术的发展和自动化水平的不断提高，条码技术已普及应用到工业、商业、运输业、邮电业及其它各行业的物流管理系统中。
而近年来条码被应用在机场，作为行李分拣的一个重要手段，已越来越受到人们的瞩目。
2．行李自动分拣系统目前采用的方法是将条码贴在旅客行李上，然后采用条码识别系统来进行行李的自动分拣。
为了能够高效率地识别皮带式或托盘式输送带上的行李条码，需要包括条码阅读器、控制器及安装构架等在内的一套阅读系统。
3．材料分拣系统是一个模拟自动化工业生产过程的微缩模型，它使用了PLC、传感器、位置控制、电气传动和气动等技术，可以实现不同材料的自动分拣和归类功能，并可配置监控软件由上位计算机监控。
适用于各类学校机电专业的教学演示、教学实验、实习培训和课程设计，可以培养学生对PLC控制系统硬件和软件的设计与调试能力；分析和解决系统调试运行过程中出现的各种实际问题的能力。
1.1.3自动分拣系统的组成
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。
1．控制装置。
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、输送装置进行相应的作业。
2．分类装置。
分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指令，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使其改变输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。
3．输送装置。
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鱼贯通过控制装置、分类装置，并沿固定线路运送商品。
4．分拣道口。
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。
1.1.4自动分拣系统的使用条件
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，成为发达国家先进的物流中心、配送中心所必需的设施条件之一，但要求使用者必须具备一定的技术经济条件。
1．一次性投资巨大。
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，还有相配的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统，这一系统不仅占地面积大，动辄两万平方米以上，而且一般自动分拣系统都建在自动主体仓库中，这样就要建三至四层楼高的立体仓库，库内需要配备各种自动化的装运设备，设施毫不亚于建立一个现代化工厂所需要的硬件投资。
这种巨额投资要花10—20年才能收回，如果没有可靠的货源作保证，则有可能使投资回收期更加延长。
2．对商品外包装要求高。
自动分拣机只适用于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、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器进行自动分拣，必须采取相应措施：
一方面推行标准化包装；另一方面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。
3．业务量要大。
启动分拣系统的开发经营成本比较大，开机后的运行成本也比较大，因此需要有相应的业务量支持，需保证开机后货源不断，使系统连续带负荷运行，以保证系统的使用效率。
1.2自动分拣系统的主要特点
在我国，自动分拣系统主要用于邮政业的信函分拣或机场的行李分拣等场合。
自动分拣系统具有传统的人工分拣无可比拟的优势，其主要特点如下：
分拣效率高：
由于采用流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等因素的限制，可以连续运行，而且单位时间分拣件数多，因此它能够连续大批量的分拣物品。
一般情况下，自动分拣系统可连续运行100个小时以上。
中等效率的分拣系统每小时可分拣7000件物品。
比起人工每小时最多分拣150件的效率来说，有点特别明显。
更重要的是不需要大量的劳动力来从事分拣作业。
实现了从劳动密集型到技术密集型的转变。
分拣误差率低：
自动分拣系统的分拣误差率主要取决于所输入分拣信息的准确性。
而这又取决于分拣信息的输入机制。
其中携带货物的相关载体和识别装置起着主导作用。
如果采用人工输入，则误差率在3%以上；如果采用条形码输入，在条形码喷码无误和无破损的情况下出错率很低。
目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物；如果采用当前广泛研究的电子标签，则不仅解决了分拣过程中读取信息的不便，而且提高了系统的抗干扰能力和运行稳定性。
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劳动力的使用，降低劳动强度，自动分拣系统能最大限度减少人员的使用，基本做到无人作业。
分拣系统本身并不需要人员，在分拣过程中主要从事以下工作：
送货小车抵达自动分拣作业线的进货端时，由人工接货；由人工控制分拣系统的运行；分拣系统的末端用人工将分拣出来的货物进行分包、堆盘、装车；自动分拣系统系统的经营、管理与维护。
自动分拣系统最早在我国邮政部门使用。
邮件分拣作业是自动分拣的一个重要的应用领域，邮件分拣机依据邮件的地址，迅速、准确地将发往不同地点的邮件从众多邮件中按邮政编码分拣出来。
自动分拣系统的使用，改变了传统的手工作业的分拣方式，大大减轻了笨重的体力劳动，而且更为重要的是提高了邮件分拣作业的准确性。
我国人口众多，人员之间的联系紧密，邮件数量相当巨大。
近年来，随着我国经济的发展和社会的进步，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。
供货厂家有国家邮政局上海研究所、德国SIEMENS公司、日本NEC公司。
本文主要介绍邮件分拣机的工作原理。
下图为某邮件分拣机的工作原理框图。
它主要通过对在传送带上通过的邮件进行扫码获得邮件的信息，识别出邮政编码后由邮政编码的数字信息来控制邮件流向。
邮
件
分
分拣系统的工作原理图
第二章设计过程
2．1设计思路
2.1.1思路步骤
1.首先初步了解控制要求，控制涉及元件，查阅相关资料。
2.了解BCD拨码器的结构和工作原理。
3.在初步了解控制要求及其所需元件后初步进行状态划分，进行I/O口的初步分配。
4.进一步细化控制要求，绘制工作流程图，硬件接线图。
5.画出梯形图，语句表。
6.到实验室调试，进一步优化程序，修改不足。
2.1.2重点难点
重点：
用BCD拨码器实现邮政编码，用0001、0010、0011、0100、0101分别表示邮码1、2、3、4、5。
难点：
灯闪烁问题的处理也是设计的一个难点，本设计在处理这个问题上巧妙的采用特殊存储器SM0.5，此位提供高低电平各0.5S，周期为1S的时钟脉冲。
从而实现红灯L2闪烁的目的。
2.2设计选择
根据邮件分捡机的工艺流程和控制系统。
考虑综合情况和外部因素，我决定采用西门子S7-200X系列的PLC。
S7-200系列PLC的硬件配置
本书以S7-200系列PLC为目标机型，介绍西门子PLC的特点，为今后更好地学习和掌握S7-300/400打下基础。
S7-200系列PLC作为西门子SIMATICPLC家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，在各个领域得到广泛的应用。
S7-200系列PLC的基本硬件组成
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。
其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。
1．基本单元
S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见表4-11：
表4-11S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
—
S7-200CPU222
8
6
2个扩展模块
78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点
S7-200CPU224
14
10
7个扩展模块
168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200CPU226
24
16
2个扩展模块
248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200CPU226XM
24
16
2个扩展模块
248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
2．扩展单元
S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表4-12所示。
表4-12S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数
类型
型号
输入点
输出点
数字量扩展模块
EM221
8
无
EM222
无
8
EM223
4/8/16
4/8/16
模拟量扩展模块
EM231
3
无
EM232
无
2
EM235
3
1
2.2.1其他选择
ＰＬＣ机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的ＰＬＣ；其它情况则最好选用模块式结构的ＰＬＣ。
对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带Ａ／Ｄ转换、Ｄ／Ａ转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。
PLC的功能及应用场合
1）替代继电器
继电器触点输入/输出、逻辑线圈、定时器、计数器
替代传统使用的继电器，完成条件控制和时序控制功能
2）数学运算
四则数学运算、开方、对数、函数计算、双倍精度的数学运算
设定值控制、流量计算；PID调节、定位控制和工程量单位换算
3）数据传送
寄存器与数据表的相互传送等
数据库的生成、信息管理、BAT-CH（批量）控制、诊断和材料处理等
4）矩阵功能
逻辑与、逻辑或、异或、比较、置位（位修改）、移位和变反等
这些功能通常按“位”操作，一般用于设备诊断、状态监控、分类和报警处理等
5）高级功能
表与块间的传送、校验和、双倍精度运算、对数和反对数、平方根、PID调节等。
通信速度和方式、与上位计算机的联网功能、调制解调器等
2.2.2输入／输出的选择
ＰＬＣ是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。
它与工业生产过程的联系是通过Ｉ／Ｏ接口模块来实现的。
通过Ｉ／Ｏ接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。
同时通过Ｉ／Ｏ接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。
ＰＬＣ从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ接口模块都具有较好的抗干扰能力。
根据实际需要，一般情况下，ＰＬＣ都有许多Ｉ／Ｏ接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。
2.3元器件选择
元器件选择列表
序号
名称
型号
数量
1
PLC
西门子S7-226
1
2
电动机
Y250M-4
4
3
接近开关
LJ5
6
4
传送带
DV60
1
5
复位按钮
LA25
1
6
启动按钮
LA25
1
7
停止按钮
LA25
1
8
电源开关
1
9
熔断器
RL6-25
2
10
灯泡
2
11
BCD拨码器
1
2.4PLC的工作原理
1．PLC的等效电路
PLC的工作酷似一个继电器系统，其等效电路可分为三部分：
输入部分、内部控制电路和输出部分，如图2-4所示。
图2-4PLC的等效电路
①输入部分----这部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。
输入端子外接行程开关、按钮等的触头，内连输入继电器线圈。
输入继电器由外部信号通过输入端子驱动，可提供无限多对常开、常闭的软触点供内部使用。
②内部控制电路----由用户根据控制要求编制的程序所组成，其作用是按用户程序的控制要求对输入信号进行运算处理，判断哪些信号需要输出，并将得到的结果输出给负载。
③输出部分----这部分的作用是驱动外部负载，所以输出端子是PLC向外部负载输出信号的端子，其内连输出继电器（Q）的一对常开触点。
输出继电器除提供一对常开触点驱动负载以外，还可以提供无数对常开、常闭触点供内部使用。
2．PLC的周期工作方式
PLC是通过一种周期工作方式来完成控制的，每个周期包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
①输入采样阶段----PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的状态读入到输入状态寄存器中存储，这一过程称为采样。
在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，而且将在PLC执行程序时被使用。
②程序执行阶段----PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入状态寄存器和输出状态寄存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输出状态寄存器中保存。
但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。
③输出刷新阶段----在所有用户程序执行完毕后，PLC将输出映像寄存器中的内容送入输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外部负载。
PLC重复执行输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。
PLC的一个扫描周期一般为40～100ms之间。
第三章系统硬件设计
根据该邮件分拣机的控制要求，该系统有4台电机，2个指示灯，6个接近开关，5个邮箱，3个按钮，1个BCD拨码器，1个传动装置。
该邮件分拣系统采用PLC控制需要有12个输入点，7个输出点，选用西门子S7-200系列PLC，基本单元选用CPU226模块DC24输入/继电器10输出。
3.1邮件分拣系统PLC控制
3.1.1PLC控制范围及要求：
——自动准确识别邮政编码。
对邮政编码不符合规格的邮件进行处理（剔除），并根据邮政编码的不同加以分类，实现邮件的准确自动分拣；
——自动计件，能够实时监测邮件的分拣数量。
硬件部分的分拣机是将软件识别出的邮政编码的编码信息随传送带分拣入各个代表唯一地址的邮箱中，如编码信息代表上海的就拣入上海的邮箱。
3.1.2分拣机的动作过程
按下启动按钮后，电动机M5运行，绿灯L2亮，传送带运转，表示可以进邮件。
S1～S6为检测邮件的接近开关，当接近开关S1为ON时表示邮件分拣机检测到有邮件到来。
从拨码器拨入BCD码模拟邮件的邮政编码，分别以1、2，3、4、5代表北京、上海、天津、重庆、沈阳5个城市的邮政编码，即正常的邮政编码值为1、2、3、4、5。
若非此5个数，则红L1闪烁表示出错，电动机M5停止，需按下启动按钮后才能重新运行。
若是此5个数中的任意一个，则红灯L1亮，绿灯L2灭，电动机M5持续运行。
当接近开关S2为ON时，表明邮件到达第一个邮箱处，如果邮件编码与此处编码相同，则电动机M5停止，电动机M1启动并推动推杆，将此邮件分拣到该邮箱内，接近开关S2变为OFF，M1的推杆自动收回，分拣完毕后红灯L1熄灭，绿灯L2亮表示可以继续进邮件；如果邮件编码与此处编码不同，则电动机M5继续保持运行，当接近开关S3为ON时表明邮件到达第二个邮箱处再进行比较判断，依次类推，当接近开关S4和接近开关S5为ON时表明邮件到达第三个和第四个邮箱处；如果邮件编码与前四处编码均不同，则表明编码为5，邮件将经过接近开关S6处自动进入第5个邮箱，然后红灯L1熄灭，绿灯L2亮可以继续进邮件。
邮件分拣机的PLC控制用于对相关邮件的自动化分拣，单一邮件分拣机的硬件示意图如图2。
图2
3.1.3任务分析
邮件检测开关S1～S6采用接近开关，与启动按钮、复位按钮和停止按钮共同作为PLC的输入分配I／O地址，并且接近开关S1～S6在邮件被分拣到邮箱内以后会自动复位。
拨码器采用BCD码，至少需要一个字节的存储单元来存储拨入的邮政编码。
电动机M1～M4的邮件分拣推杆在邮件被分拣到邮箱内以后，将会自动弹回原位。
邮码设置通过外部拨码开关来实现，三个拨码开关表示数据0-7，在PLC程序设计部分选用了MOVE指令来简化程序。
3.2机型的选择及输入输出的确定
3.2.1内存估计
用户程序所需的内存容量受以下几个因素的影响：
内存利率：
开关量输入，输出点数；用户的程序水平。
所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数×10；
所需内存字数=模拟量点数×100（只有模拟量输入）；
所需内存字数=模拟量点数×200（模拟量输入／输出同时存）。
该系统控制程序比较小，而且输入输出点较少，因此内要求比较低。
一般的PLC都能满足其要求。
3.2.2响应时间
可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接受持续时间小于扫描周期的输入信号；但是在本系统中，邮件的输入速度是相对比较慢的，不可能比扫描周期短，所以，系统响应时间没特殊要求，不需要考虑这方面的问题。
邮件分拣是一个比较固定的、环境条件较好的工艺过程，要实现的功能也相对简单，无A/D和D／A转换、加减运算。
另外，控制程序也比较固定，不需要在线编程，选用整体式PLC就可以满足工艺的要求了。
综合前面的工艺要求与I/0点数可知，在机型上可选用西门子公司生产的CPU型号为226型的微型可编程控制器。
3.3邮件分拣模块
此模块的功能是根据前一个模块（邮政编码检测模块）的工作结果来动作的。
当邮件从邮政编码检测模块中出来时，邮件分拣模块的电机就按照PLC控制装置发出的控制信号工作，带动与邮件邮政编码相应的轨道动作，接到邮件传送带上，将邮件接入对应的分拣轨道上来，实现邮件按邮政编码的准确分拣。
输出形式为盘袋兼容，既适应目前的邮件作业方式，又可以满足将来采用信盘、集装箱运输的要求。
输出单元采用玻璃钢曲面滑槽，邮件由垂直下落旋转90。
后水平入袋（盘），减小了邮件的破损率。
3.3.1供件模块
这一部分分为两块：
一个是人工供件模块，一个是自动供件模块。
在人工供件模式下，分拣人员阅读邮件上的地址或邮政编码，键入地址信息，将部件放入邮件传送单元；再光电检测邮件长度、厚度尺寸，剔除不符合分拣规格的邮件：
合格邮件经传送带通过邮件计数模块，进入邮件分拣模块对应的轨道，完成分拣。
在自动供件模式下，人工将成叠的邮件放在供件机上，邮件由动分离装置逐件分离（用吸取式机械手完成），然后进入同步供件单元：
邮件经同步供件单元进入外形检测单元。
3.3.2机型的选择
邮件分拣是一个比较固定的、环境条件较好的工艺过程，要实现的功能也相对简单，无需A/D和D/A转换、加减运算。
另外，控制程序也比较固定，不需要在线编程，选用整体式PLC就可以满足工艺的要求了。
综合前面的工艺要求与I/O点数可知，在机型上可选用西门子公司生产的CPU型号为226型的微型可编程控制器。
3.4I／O分配
在设计过程中选用西门子S7-200系列PLC，基本单元选用CPU226模块DC24输入/继电器10输出，扩展单元选用EM223DC8输入/继电器8输出能满足控制要求。
在确定了控制对象的控制要求和选择好PLC的机型后，即可以进行安全监控系统的流程设计，考虑到编程简单、检查方便和接线容易等因素，根据实际过程，编制了输入、输出点的地址编号。
可编程控制器系统I/O点数估算。
系统I/O分配见下表
表1输入、输出点分配
输入量
输出量
启动按钮
I0.0
红灯（L1）
Q0.0
复位按钮
I0.1
绿灯（L2）
Q0.1
停止
I0.2
传送带M5
Q0.2
接近开关1（S1）
I0.3
电动机1（M1）
Q0.3
接近开关2（S2）
I0.4
电动机2（M2）
Q0.4
接近开关3（S3）
I0.5
电动机3（M3）
Q0.5
接近开关4（S4）
I0.6
电动机4（M4）
Q0.6
接近开关5（S5）
I0.7
接近开关6（S6）
I1.0
BCD拨码器
I2.0～I2.3
由表可知共需I/O点数为13个输入，7个输出
其硬件连接图如下：
图3为分拣机与PLC的硬件连接图
第四章系统软件设计
在系统软件设计过程中，首先根据系统控制要求和工艺流程设计出系统顺序功能图，然后根据顺序功能图设计出梯形图。
4.1邮件入箱控制软件设计流程
设计流程：
邮件检测；编码信息检测；编码信息转化为脉冲信号；邮件入箱；出错控制。
PLC控制部分流程图如图3所示：
图3
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