呂慧敏北京信息職業(yè)技術學院 北京 100015

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基于PLC控制的物料分揀倉儲系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

呂慧敏
北京信息職業(yè)技術學院 北京 100015

摘 要：針對目前我國勞動力數(shù)量大量減少，用工成本大幅增加的情況，為降低用工成本，提升生產效率，設計滿足社會化物流需求，基于PLC控制的物料分揀倉儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)物料的傳送、檢測、搬運和存儲等功能。該系統(tǒng)選取西門子公司S7-200系列的226CN可編程序控制器作為控制器，該PLC具有良好的性能、低廉的價格和網(wǎng)絡通訊功能。本系統(tǒng)可實現(xiàn)單獨的物料分揀，也可實現(xiàn)單獨的倉儲系統(tǒng)，同時也能通過網(wǎng)絡將兩個獨立的系統(tǒng)連接在一起，增加使用的靈活性，此外本系統(tǒng)提供接口單元，便于學生在本系統(tǒng)上開展創(chuàng)新性的教學練習，提高學生的綜合能力。

關鍵詞：自動化物料分揀倉儲系統(tǒng)；自動控制；可編程序控制器；傳感檢測

我國自動化分揀倉儲設備的研發(fā)和應用起步較晚，與國外相比約晚20年左右。前期主要受歷史因素影響，相當長的時期內只停留在研究階段，改革開放以來，通過國外產品引進及與國外專業(yè)廠商技術合作與交流，引入了國外先進技術和理念，國內對自動化分揀倉儲的研制越來越成熟，應用也越來越多。早期主要應用于在郵政行業(yè)，生產和流通領域運用的并不是太多。近幾年，分揀倉儲系統(tǒng)由于它能有效地解決分揀倉儲過程人工作運行成本高、效率低等弊病，所以應用越來越廣泛。傳統(tǒng)的自動化分揀系統(tǒng)，由于當時的技術水平不高，分揀的種類不多和分揀精度不高，再加上PLC技術、位置控制技術、氣動技術都不夠完善。所以應用到實際生產效果不是很明顯。傳統(tǒng)的物料分揀都是通過人工來進行分揀的，這樣不但增加了人員的成本，而且分練速度和精確度都得不到保障。物料自動分揀倉儲系統(tǒng)能連續(xù)、大批量地分揀存儲貨物，由于采用流水線自動作業(yè)方式，并不受氣候、環(huán)境、時間、人的體力等限制，可以連續(xù)運行。

本文設計的物料分揀倉儲實物系統(tǒng)，是涵蓋了PLC技術、位置控制技術、氣動技術的綜合系統(tǒng)。隨著生產技術的發(fā)展和機械化程度的逐步提高，分工也越來越細，本系統(tǒng)能夠廣泛應用到物料分揀倉儲領域，對于生產過程中需要重復分揀某些特征明顯物料有重要的現(xiàn)實意義，該系統(tǒng)的應用可以減少成本和提高勞動生產率。

1　系統(tǒng)硬件構成

該系統(tǒng)是包含PLC、傳感器、變頻器、變頻調速、步進電機及氣動等技術的綜合應用的系統(tǒng)，系統(tǒng)內部含有網(wǎng)絡接口可組成可編程序控制器（簡稱PLC）網(wǎng)絡。該系統(tǒng)的結構方框圖如圖1所示，主要由控制單元、物料分揀單元、平面?zhèn)}儲單元、接口單元等組成。

圖1　系統(tǒng)的結構方框圖

控制單元由電源模塊、2 臺PLC組成。電源模塊選用開關電源，主要作用是為系統(tǒng)提供直流24 V 的電源。系統(tǒng)選用PLC型號為西門子S7-226cn型，2 臺PLC主要是用于分別控制平面?zhèn)}儲單元和物料分揀單元，然后通過PLC 網(wǎng)絡實現(xiàn)PLC 之間的相互通訊，完成系統(tǒng)的統(tǒng)一動作。PLC 之間的網(wǎng)絡根據(jù)PLC 的機型特點，選用PPI網(wǎng)絡方式。

物料分揀單元由傳送帶、氣動機械手、傳感器組、變頻器、交流電機、旋轉編碼器、井式出料塔、氣動推料機構等組成。其中變頻器、旋轉編碼器、交流電機與PLC 組成帶位置反饋的速度控制系統(tǒng)。傳感器組由電容傳感器、電感傳感器、顏色傳感器、光電傳感器組成，根據(jù)3種傳感器檢測的不同結果，我們可以識別貨物的顏色、材質、數(shù)量等屬性。

倉儲單元由步進電機及其驅動器、平面庫、直線導軌、氣動入庫機構等組成。通過控制氣動入庫機構在直線導軌上的位移，實現(xiàn)不同貨物進入到不同的倉位。

接口單元采用開放式結構，系統(tǒng)所有控制線和信號線均通過導線引到面板上來，因此在學生實驗時，只需要在面板上接線即可。

2　控制系統(tǒng)結構和功能

2.1物料分揀單元

物料分揀單元由傳送帶單元，機械手單元、傳感器單元、井式出料單元、變頻器單元等部件構成。物料分揀單元是用來檢測貨物的材質屬性，將系統(tǒng)中不同的貨物進行分類，然后按照其屬性分類將不同的貨物按不同的標識送達到下一個單元中去。

貨物出庫主要由井式出料單元完成。井式出料單元主要由井式儲料塔、推料氣缸、傳感器檢測單元等組成。井式儲料塔用于存放待檢測貨物，推料氣缸用于將貨物從儲料塔送入到傳送帶上面去。傳感器單元主要是用于檢測貨物存儲情況以及對系統(tǒng)運行過程進行監(jiān)控。當物料進入到儲料塔中時，推料氣缸就會在系統(tǒng)的控制下將貨物送入到傳送帶。

傳送貨物主要由傳送帶單元完成其過程。傳送帶單元由交流電機、帶式傳動機構、傳感器定位單元、旋轉編碼器單元等組成。交流電機采用變頻器進行控制，利用PLC 本身自帶的PWM 功能進行調速控制。當系統(tǒng)需要處理的貨物數(shù)目較多時，傳送帶速度提高，否則速度減小。

貨物定位主要由旋轉編碼定位單元完成其功能。旋轉編碼定位單元由旋轉編碼器、同軸連接器等組成。當電機轉動時，旋轉編碼器也通過同軸連接器與電機保護同步，同時將電機旋轉的角度位移轉換成脈沖信號反饋到PLC 單元中去。當貨物在傳送帶上運行時，通過PLC 的高數(shù)計數(shù)功能就能夠準確識別貨物的移動距離，從而實現(xiàn)定位控制。

檢測貨物主要由傳感器單元完成其過程。傳感器單元由電感傳感器、電容傳感器、顏色傳感器、安裝支架、網(wǎng)孔板等部件組成。當貨物進入檢測區(qū)后，各檢測元件分別檢測貨物的材質屬性，并將其數(shù)據(jù)傳送到PLC 中去，并記錄于PLC 存儲區(qū)中。

搬運貨物主要由氣動機械手完成其過程。氣動機械手由升降機構、旋轉機構、夾緊機構、安裝支架等部件組成。當貨物到達指定位置后，升降機構下降并夾緊貨物，運動到位后旋轉到下一工位完成搬運過程。

2.2平面?zhèn)}儲單元

平面?zhèn)}儲單元由平面?zhèn)}庫系統(tǒng)、直線導軌送料單元、步進電機單元、氣動單元、傳感器單元等組成。平面?zhèn)}儲單元通過網(wǎng)絡讀取上一單元的工作信號及存儲數(shù)據(jù)值，根據(jù)系統(tǒng)設定將不同標識的貨物送入到不同的倉庫中。

當物料分揀單元進入工作狀態(tài)以后，平面?zhèn)}儲單元自動完成復位操作，送料機構回到系統(tǒng)的原點。當機械手單元將貨物移動到下一個單元時，系統(tǒng)將貨物的屬性標識、當前狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳送到平面?zhèn)}儲單元，平面?zhèn)}儲單元就會根據(jù)參數(shù)進行控制。在直線導軌上總共有10個運動工位，分為原點、接貨區(qū)、倉位1區(qū)、倉位2區(qū)、倉位3區(qū)、倉位4區(qū)、倉位5區(qū)、倉位6區(qū)、倉位7區(qū)、倉位8區(qū)。當系統(tǒng)復位時，送料機構位于原點，當機械手旋轉到位后，送料機構位于接貨區(qū)，完成貨物的轉載后，根據(jù)貨物的標識送入不同的倉位中。送料機構的定位是由步進電機單元進行控制。其定位點可根據(jù)系統(tǒng)的不同設定進行手動示教調整。

2.3控制單元

控制單元由兩臺PLC組成，也是本系統(tǒng)的核心。要求所用的主機必須具備網(wǎng)絡功能、高數(shù)計數(shù)功能、脈沖輸出功能、PWM 輸出功能等。在該系統(tǒng)中，選用西門子s7-200 CPU226型主機。該設備具備兩個通訊端口，分別用于網(wǎng)絡連接和編程通訊。在下載測試之前，需要檢查網(wǎng)絡電纜是否連接。如果進行單元的分項測試，可以不接網(wǎng)絡電纜，直接將編程電纜PC/ PPI與上位機連接。

控制單元的所有IO接口都已經(jīng)與接口板上相對應的端子相連接，因此在測試過程中不需要松動端子排。在編寫程序時，將PLC 置于“STOP”檔，系統(tǒng)運行時，應將PLC置于“RUN”檔。

2.4接口單元

接口單元由貨物分揀單元接口板和平面?zhèn)}儲單元接口板組成。該單元將所有元器件的接口都引到面板上，故學生進行測試操作時，只需要將相對應的端子用安全接插線進行連接，省去了元器件接線的麻煩。為了學生接線方便，所有接線端子的底座都用顏色進行標記。例如PLC 的輸入端在面板上用藍色標識，而面板上所有傳感器的輸出端、旋轉編碼器的輸出端也是用藍色標識；PLC 的輸出端在面板上用青色標識，而變頻器、氣缸、步進電機的控制信號也是用青色標識；電源輸出的正端是用紅色標識，負端是用黑色標識，因此其他器件的電源引線的正端是用紅色標識，負端是用黑色標識。

3　軟件設計

圖2　系統(tǒng)流程圖

根據(jù)前面講述的系統(tǒng)功能，物料先從分揀單元進行分揀和檢測，通過機械手搬運到下倉儲單元，通過網(wǎng)絡協(xié)議構成主從站連接方式，分揀單元通過網(wǎng)絡把對物料的檢測信息傳送給倉儲單元，倉儲單元根據(jù)物料的種類進行分類存儲，實現(xiàn)物料的自動化分揀倉儲。本系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

該流程圖要分別編輯到兩個PLC程序中，從M0.0 到M1.2的程序編輯存放在物料分揀單元中PLC中，從M1.3到M1.7的程序編輯在平面?zhèn)}儲單元中的PLC中。兩個PLC需要進行網(wǎng)絡協(xié)議配置，本系統(tǒng)以倉儲單元為主站，分揀單元為從站，配置網(wǎng)絡通訊可以在指令向導中選擇NETR/NETW，進入網(wǎng)絡讀寫操作指令的向導進行配置，如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡通訊指令向導

4　結束語

本系統(tǒng)通過2臺PLC組成一個小型網(wǎng)絡，完成物料自動傳送、識別、搬運和分類倉儲功能。本系統(tǒng)在硬件選擇方面優(yōu)先考慮滿足功能要求，其次保證性能前提下選擇具有價格優(yōu)勢的產品，保證產品的性價比。在控制器方面選取西門子公司S7-200系列的226CN可編程序控制器作為控制器，該PLC具有良好的性能、低廉的價格和網(wǎng)絡通訊功能。該PLC是我國企業(yè)中應用廣泛的主流PLC，也是我校學生在學的PLC類型，該控制器的選擇符合學生在校學習要求，也為畢業(yè)后參加工作崗位奠定基礎。本系統(tǒng)在控制功能方面可實現(xiàn)單獨的物料分揀，也可實現(xiàn)單獨的倉儲系統(tǒng)，同時也能通過網(wǎng)絡將兩個獨立的系統(tǒng)連接在一起，增加使用的靈活性，通過編程調試，設備運行穩(wěn)定，功能實現(xiàn)良好。

本系統(tǒng)的開發(fā)適應我國勞動力數(shù)量減少，用工成本增加的情況，本系統(tǒng)能連續(xù)、大批量地分揀存儲貨物，采用流水線自動作業(yè)方式，不受氣候、環(huán)境、時間、人的體力等限制，可以連續(xù)運行。本系統(tǒng)的使用可以提升生產效率，大幅降低用工成本，滿足社會化物流需求。

本系統(tǒng)覆蓋知識點廣泛，涉及PLC、氣動、位置控制等技術，學生可利用該設備進行多種知識和技能的訓練，利用系統(tǒng)提供接口單元，學生可以自主開展創(chuàng)新性的教學練習，提高學生的綜合能力。

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Design and Implementation of Material Sorting and Storage System Based on PLC Control

Lv Huimin
Beijing Information Technology College， Beijing， 100015， China

Abstract:In view of China's labor quantity is reduced， labor costs increase greatly， the author is to reduce labor costs， improve production effciency，design to meet the needs of social logistics， based on PLC control of material sorting storage system， the system can realize the transmission of materials， inspection， handling and storage， and other functions. The system selects the S7-200 series of SIEMENS 226CN series PLC as controller，the PLC has good performance， low price and network communication function.This system can realize the separate material sorting， also can realize the separate storage system， but also through the network to connect two independent system， increase the use of fexibility， in addition the system provides interface unit， students in the system to carry out innovative teaching practice， improve students' comprehensive ability.

Key words:automatic material sorting and storage system； auto-control； programmable controller； sensing detection

收稿日期：2015-11-20

作者簡介：呂慧敏，碩士，講師。