基于plc的物流分拣系统设计.docx

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基于plc的物流分拣系统设计

摘要

本文重点提出了调查单位材料的控制机制组合排序,并将分拣操作过程理解为订单的到达过程,每个分拣器类型订单的服务过程和分拣机器之间的转换过程。

在控制过程中分拣器的分类线分为优先级分拣器和普通分拣器，优先级分拣器使用完整服务控制,普通分拣器使用有限的服务（k=1）,适用于查询服务体系理论,通过嵌入式马尔可夫链和概率生成函数建立系统的数学模型,精确解决控制机制模型和第一和第二查询系统的特征参数,结合实际生产订单的优先级参数选择进行仿真分析。

关键词：

拣选，查询机制，中等优先级查询。

Abstract

Abstract—Thepaperproposedtheprioritypollingcontrolmechanismoftheunitmaterialcombinationssortinglines,andsortersoperatingprocessisunderstoodtobethearrivalprocessoforders,serviceprocessofeachsortersortsordersandtheconversionprocessbetweensortingmachines.Controlprocess,sortersofthecombinedsortinglinesaredividedintotheprioritysortersandordinarysorters,prioritysortersusefullservicecontrol,ordinarysortersuselimitedservice（k=1）,appliesthepollingservicesystemtheory,throughtheembeddedMarkovchainandprobabilitygeneratingfunctiontoestablishthemathematicalmodelofthesystem,theexactsolutionofthecontrolmechanismofthepollingsystemmodelandthefirstandsecondcharacteristicparameters,combinedwiththeactualproductionpriorityparametersoforderspickingforsimulationanalysis.

IndexTerms—OrderPicking;PollingMechanism;SecondaryPriorityPolling

1绪论

1.1物流分拣系统简介

物流分拣系统分为：

人工物流分拣系统和物流自动分拣系统两种。

随着社会的进步和发展，人工物流分拣系统在生产生活中的应用还占很大一部分。

人工分拣系统的步骤一般是：

拣配，发票，道口，运输，储存或反检。

自动物流自动化分拣系统是集系统工程、电子工程、机械工程、信息识别、自动通讯和控制、动力驱动和计算机技术于一身的高新技术系统。

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物流分拣系统的发展及应用情况

在物流分拣行业开始的早期大家都是使用人工分拣系统来进行作业。

人工方式拣取：

通常小体积、少批量、搬运重量在人力范围内拣出货频率不是特别高的，可以采取手工方式拣取；随着工作量的增加和工作效率要求的提高，人们开始加入机械辅助人工作业大大提高了工作效率和工作量。

机械辅助作业：

对于体积大、重量大的货物可以利用升降叉车等搬运机械辅助作业。

随着商品品种的日益丰富和社会需求个性化的发展，简单的人工分拣或机械分拣已不能完全满足高速、准确的分拣要求，自动化分拣系统越来越广泛地运用于不同的物流中心，为实现高效率、高质量的物流服务起到重要的作用。

自动分拣系统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。

在现代，许多大型的工业生产中应用到了物流分拣系统。

物流分拣系统在不断的应用中日趋完善。

1.3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。

2物流分拣系统的结构和运行原理

2.1物流分拣系统的结构

物流分拣系统顾名思义包含了运输与分拣两大部分。

物流分拣系统根据其工作流程，所需要用到的设备有：

传送带与电机，传感器，可编程控制器（PLC），电磁阀。

物流分拣系统的工作流程是：

物流金属小块从入库场传送带进入物流分拣系统经过力传感器的检测后电磁阀闸门打开，物流小块进入分拣阶段的传送，物流小块分为铁，铝两种。

在分拣传送阶段传感器对不同的物体进行感应检测并使物流分拣系统做出相应的动作。

图1.物流分拣系统

2.1.1传送带与电机简介

传送带是利用工作构件的旋转运动或往复运动，或利用介质在管道中的流动使物料向前输送。

例如，辊子输送机的工作构件为一系列辊子，辊子作旋转运动以输送物料；螺旋输送机的工作构件为螺旋，螺旋在料槽中作旋转运动以沿料槽推送物料；振动输送机的工作构件为料槽，料槽作往复运动以输送置于其中的物料等。

传送带一般按有无牵引件来进行分类:

具有牵引件的传送带设备和没有牵引件的传送带设备。

具有牵引件的传送带传送带设备种类繁多，主要有:

带式输送机、板式输送机、小车式输送机、自动扶梯、自动人行道、刮板输送机、埋刮板输送机、斗式输送机、斗式提升机、悬挂输送机和架空索道等。

没有牵引件的传送带设备常见的有辊子作旋转运动、螺旋输送机。

常见的传送设备有：

（1）板式设备

1、适用范围广。

除粘度特别大的物料外，一般固态物料和成件物均可用它输送；

2、输送能力大。

特别是鳞板板式输送机（一般称为双链有挡边波浪型板式输送机）的生产能力可高达1000t/h；

3、牵引链的强度高，可用作长距离输送；

4、输送线路布置灵活。

与带式输送机相比，板式输送机可在较大的倾角和较小的弯曲半径的条件下输送，因此布置的灵活性较大。

板式输送机的倾角可达30°-35°，弯曲半径一般约为5-8m；

5、在输送过程中可进行分类、干燥、冷却或装配等各种工艺加工；

6、运行平稳可靠；

（2）斗式输送机（Bucketelevator）：

斗式输送机。

输送散装货（如煤等）货斗的传送带，传送带连续不断地将货斗送到敞开的舱口上面的某一点后，再将货斗向货舱中倒空

斗式输送机，适用于冶金、矿山、建筑、化工、食品、粮食等行业一定粒度、块度的物料和粉料的输送。

它包括有驱动装置（含逆止装置）、壳体（包括水平段、改向段、垂直段）、及位于壳体内的牵引链、料斗、头轮和尾轮，在壳体的两端设有加料段和卸料段，料斗的两侧通过联接环分别与两根平行的牵引链相联接。

头轮上设有与牵引链相吻合的齿。

其输送形式为一字形、L形、Z形三种。

本实用新型的优点是具有体积小、功耗低、输送形式灵活、密封输送等特点。

（3）带式设备

是在一定的线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称连续输送机。

输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。

输送机输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。

带式输送机（直线式）该输送机用于物料的输送。

采用不锈钢网带作为载体，适用于各种食品行业的烘干、去湿、冷冻等、热处理等；不锈钢制成，具有耐高温、便于清洗等特点；具体尺寸可以根据客户要求定做。

带式输送机应用行业：

食品、冶金、电力、煤炭、化工、建材、码头、粮食等。

带式输送机结构形式有：

水平直线输送、提升爬坡输送、转弯输送等多种形式，输送带上还可增设提升挡板、侧挡板等附件，能满足各种工艺要求。

带式输送机输送机材质：

有A3低碳钢、201不锈钢、304不锈钢等。

驱动方式有：

减速电机驱动。

调速方式有：

变频调速、无极变速。

电机按工作电源种类划分：

可分为和。

.按结构和工作原理可划分：

可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。

.按起动与运行方式可划分：

电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

.按用途可划分：

驱动用电动机和控制用电动机。

按转子的结构可划分：

笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

按运转速度可划分：

高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

低速电动机又分为齿轮、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

电机的基本结构：

三相异步电动机的结构，由定子、转子和其它附件组成。

（1）、定子（静止部分）由定子铁心；定子绕组；机座等部分组成。

（2）、转子（旋转部分）由三相异步电动机的转子铁心：

三相异步电动机的转子绕组等部分组成。

（3）、三相异步电动机的其它附件

1、端盖：

支撑作用。

2、轴承：

连接转动部分与不动部分。

3、轴承端盖：

保护轴承。

4、风扇：

冷却电动机。

直流电动机采用八角形全叠片结构，不仅空间利用率高，而且当采用静止整流器供电时，能承受脉动电流和快速的负载电流变化。

直流电动机一般不带串励绕组，适用于需要正、反电动机转的自动控制技术中。

根据用户需要也可以制成带串励绕组。

中心高100～280mm的电动机无补偿绕组，但中心高250mm、280mm的电动机根据具体情况和需要可以制成带补偿绕组，中心高315～450mm的电动机带有补偿绕组。

中心高500～710mm的电动机外形安装尺寸及技术要求均符合IEC国际标准，电机的机械尺寸公差符合ISO国际标准。

2.1.2传感器简介

传感器（英文名称：

transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，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。

传感器的特点包括：

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成，如图：

图2.传感器的组成

敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

传感器的常见种类有：

电阻式、变频功率、称重、电阻应变式、压阻式、热电阻、激光、霍尔、温度、无线温度、智能、光敏、生物、视觉、位移、压力、超声波测距离、雷达、一体化温度、液位、真空度、电容式物位、锑电极酸度、酸、碱、盐电导。

传感器的主要特性分为：

线性度；灵敏度；迟滞；重复性；漂移；分辨力；阈值。

2.1.3可编程控制器（PLC）简介

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。

它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入（I）和输出（O）接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。

可编程逻辑控制器简称PLC（英文全称：

ProgrammableLogicController）。

随着科学技术的发展，为适应多品种，小批量生产的需求而产生发展起来的一种新型的工业控制装置。

现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

（1）、常用的I/O分类如下：

开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

1987年国际电工委员会（IEC）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种数字运算操作的电子的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。

它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入（I）和输出（O）接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。

”

PLC的基本机构：

从PLC的硬件结构形式上，PLC可以分为整体固定I/O型，基本单元加扩展型，模块式，集成式，分布式5种基本结构形式。

图3、PLC结构框图

（2）、可编程控制器PLC由：

中央处理单元（CPU）；存储器；输入输出接口（I/O模块）；通信接口；电源等部分组成。

（3）、PLC具有：

可靠性高，抗干扰能力强；硬件配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；容易改造；体积小，重量轻，能耗低等特点。

2.1.4电磁阀

电磁阀（Electromagneticvalve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。

用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。

电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。

电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

（1）、电磁阀的工作原理是：

电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。

这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

1、电磁阀从原理上分为三大类：

1）、直动式电磁阀

原理：

通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

特点：

在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。

2）、分步直动式电磁阀

原理：

它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。

当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。

特点：

在零压差或真空、高压时亦能可*动作，但功率较大，要求必须水平安装。

3）、先导式电磁阀

原理：

通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。

特点：

流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。

（2）、电磁阀从阀结构和材料上的不同与原理上的区别，分为六个分支小类：

直动膜片结构、分步直动膜片结构、先导膜片结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。

（3）、电磁阀按照功能分类：

水用电磁阀、蒸汽电磁阀、制冷电磁阀、低温电磁阀、燃气电磁阀、消防电磁阀、氨用电磁阀、气体电磁阀、液体电磁阀、微型电磁阀、脉冲电磁阀、液压电磁阀常开电磁阀、油用电磁阀、直流电磁阀、高压电磁阀、防爆电磁阀等。

（4）、从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类（直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构），按照气路数分为2位2通，2位3通，2位4通，2位5通。

电磁阀分为单电控和双电控，指的是电磁线圈的个数，单线圈的称为单电控，双线圈的称为双电控，2位2通，2位3通一般时是单电控（单线圈），2位4通，2位5通可以是单电控（单线圈），也可以是双电控（双线圈）。

（5）、按电磁阀的使用材质不同可分为：

铸铁体（灰口铸铁、球墨铸铁）、铜体（铸铜、锻铜）、铸钢体、全不锈钢体（304、316）、非金属材料（ABS、聚四氟乙烯）。

（6）、按管道中介质的压力不同可分为：

真空型（-0.1~0Mpa）、低压型（0~0.8Mpa）、中压型（1.0~2.5Mpa）、高压型（4.0~6.4Mpa）、超高压型（10~21Mpa）

（7）、按介质温度不同可分为：

常温型（~）、中温型（~）、高温型（~）、超高温型（~）、低温型（~）、超低温型（）。

（8）、按工作电压不同分为：

交流电压：

AC220V380V110V24V；直流电压：

DC24V12V6V220V；一般常用电压为AC220VDC24V，推荐用户尽量选用常用电压、特殊电压供货周期较长。

（9）、按电磁阀的防护等级可分为：

防爆型、防水型、户外型等。

2.2物流分拣系统的运行原理

（1）、传送带自动传送，速度在设计初期为设定好的。

（2）、在检测位置安装传感器，分别为检测物块有无得压力传感器和检测铁块的霍尔接近开关。

（3）、编制程序

（4）、接通电源

（5）、物块进入入口传送端传送带。

（6）、运行方式：

物块在进入传送带后开始进入系统。

在进入入库端末端的时候有压力传感器检测是否真有物块到来，若有物块被检测则电磁阀打开送物块进入合流端，在合流端会将三个进口的物块合并到一起通过与入口端的传送速度差来进行调节物块的距离，物块在经过合流端之后进入分拣区，由霍尔传感器进行分拣，传感器有动作则电磁阀动作传送出铁块，若传感器没有信号发出则将铝块自行运送到铝块区域。

期间传感器与电磁阀的动作由PLC进行控制。

3物流分拣系统中硬件选择设计

3.1传送带与电机的选择

物流分拣系统中所需要的传送带与电机要严格按照设计要求进行选择使用。

这样既可以保证系统的安全可靠的运行也能减少不