方弄玉，傅沈文，鄒心遙，羅旭，劉宇容

(廣東農工商職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510507)

一種應用三方通信技術的全自動分揀系統設計

方弄玉，傅沈文，鄒心遙，羅旭，劉宇容

(廣東農工商職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510507)

采用三方通信技術，將主站FX2N-48MRPLC與從站FX2N-16MRPLC、D700變頻器、觸摸屏通過三方通信方式連入通信網絡，設計了集輸送、姿勢判別、材質判別、顏色判別、姿勢調整、次品剔除、分揀一體的全自動分揀系統，詳細介紹了該系統的方案設計，硬件配置和三方通信方式、程序設計技巧等。試驗證實，變頻器應用傳送帶能保持工件安全、連續(xù)傳送，而且為系統節(jié)省能耗，變頻器程序采用多個命令格式(HF0)可以縮短程序掃描時間，減少繁瑣的程序編寫，提高生產運行效率；利用脈沖定位，可減少由于傳統時間定位引起的誤差，實現精準控制；同時該系統可在傳送模塊中增加其他的傳感器，增加物流分揀的安全性；將通信技術拓展到無線通信，可實現手機監(jiān)控，智能管理。該系統可廣泛應用于物流分揀、工廠自動化分揀生產線中。

三方通信； 自動分揀系統；HF0格式；變頻器；PLC

0 引 言

伴隨著經濟的飛速發(fā)展和網絡購物的迅速擴張，網上零售市場的交易規(guī)模日益擴大，增幅甚至高達162.38%[1],物流業(yè)的迅速發(fā)展與物流服務質量下降的矛盾也開始凸顯,因暴力分揀,貨物損壞等理由的投訴量明顯增加,民營物流企業(yè)要在網購環(huán)境下增強競爭力、提高生產效率，保持可持續(xù)發(fā)展的重要途徑即實現分揀系統的自動化。

隨著現代科技的高速發(fā)展，具有高技術含量的自動化處理模式逐漸取代人工處理模式，目前已經成為發(fā)達國家大中型物流中心不可缺少的一部分[2]。

在國內外，自動分揀系統的研究很多：如楊丹丹[3]等設計了基于ARM的快遞貨物自動分揀系統，以LPC2368微控制器為核心，該設計比傳統方法體積小、成本低且效率高。陶秀義[4]等設計了一種卷煙分揀系統，能消除傳統分揀工藝中各工序之間的等待時間，可以大大提高分揀效率；吳穎穎[5]等對分區(qū)自動揀選系統揀選策略進行優(yōu)化研究，計算并證實兩種可靠的優(yōu)化策略； Ge P J[6]等設計了水果自動分揀系統，該系統應用型強，可靠性高，分揀錯誤率少。

本文借鑒前人的優(yōu)秀設計的基礎上，討論了一種應用三方通信[7]技術的全自動分揀系統方案，采用整體化設計思路，充分考慮了軟硬件各自的特點并進行互補優(yōu)化，對工件的送出，傳送，材質判別，顏色判別，姿勢判別、分揀，進行了分析和設計，通過大量的實驗和調試證實，該系統設計更加高效節(jié)能、經濟，運行可靠，同時拓展靈活。

1 基于三方通信的自動分揀系統方案設計

本研究綜合分析各類自動分揀系統運行情況，將自動分揀系統的功能概括為送料、皮帶傳送，二自由度機械手搬運、分揀等四大內容[8-9]，其方案設計如圖1所示。

整個系統由FX2N-48MRPLC, FX2N-16MRPLC、D700變頻器、威倫觸摸屏和三菱D700變頻器、各種傳感器組成，主站PLC負責工件傳送、判別和姿勢糾正工作，從站PLC負責工件的分揀，變頻器控制電機實現傳送帶的高、低速運行，整個系統構成通信網絡10。

圖1 自動分揀系統方案設計

2 三方通信方式

FX系列可編程控制器(PLC)通信方式很多，如1:1通信，N:N通信, 無協議通信，計算機鏈接通信等[11](1-2,1-3,1-4)，各種通信方式適用于不同的通信情況，本系統要求實現主站PLC與從站變頻器，主站PLC與從站PLC之間的通信，需要使用三種通信協議，主站PLC通過無協議通信與從站PLC和從站變頻器進行數據的讀寫操作，從站PLC、變頻器接收到主站數據或者需要向主站發(fā)送數據時，主站PLC被看成一臺計算機，從站PLC遵循計算機鏈接通信協議格式，從站變頻器遵循變頻器專用通信協議進行數據收發(fā)。

(1) 無協議通信

無協議通信[11](9-1)是指PLC用RS指令發(fā)送、接收數據，，與計算機等設備進行通信數據交互。如圖2所示，本設計中，主站發(fā)送數據給從站時，把需要發(fā)送的數據以8位模式存儲于D1～D49地區(qū)域，然后再發(fā)送給從站，如讀從站數據，則存儲于D51～D76區(qū)域，本設計中主站給變頻器發(fā)送數據占用了D1～D19區(qū)域，主站給從站PLC發(fā)送通信請求讀D150數據時占用D 21～D37區(qū)域，主站向從站寫入D149數據時占用了D21～D41區(qū)域。

圖2 無協議通信程序

(2)計算機鏈接通信

如圖3所示，計算機鏈接通信[11](7-1)用計算機做主機，通過RS485接口與16臺PLC組網，采用專用通訊協議，在計算機與PLC之間交換數據。此文中，主站PLC相當從站的一臺計算機，如本設計中主站PLC向從站請求讀取從站PLC中D150的數據，參照三菱FX通訊用戶手冊[11](7-5)中通信格式，通信程序編寫如下(D150中有從站原點狀態(tài)，準備就緒，已取走工件等信息)

圖3 主站PLC向從站請求讀取從站PLC中D150的數據

(3)三菱變頻器專用通信

變頻器的通信控制一般采用1∶N 主從通信方式，本設計中FX-48MR PLC作為主站，使用RS-485通信控制方式，變頻器作為從站，本文主站PLC向從站變頻器寫入數據時使用通信格式HFO[12] (169-176)，其中指令代碼由計算機發(fā)給變頻器，指明程序要求，因此通過響應指令代碼，變頻器可進行各種方式的運行和監(jiān)控。

3 基于三方通信的自動分揀系統PLC程序設計技巧

1)PLC選型及I/O分配

PLC是控制系統的核心部件，正確選擇PLC,對整個控制系統技術經濟性指標起著重要的作用, 在選型上我們應綜合考慮性價比、性能與任務適應性等，主站選擇FX-48MR PLC，從站選擇FX2N-16MR PLC，能滿足整個系統I/O點要求，I/O點分配如表1，表2所示。

表1 主站PLC的I/O分配表

2)程序技巧處理

(1) 用變頻器多個命令格式(HF0)縮短程序長度

在主站PLC與從站變頻器通信程序處理中， 考慮了程序過長將延長PLC程序掃描時間，影響程序運行效率，同時為減少程序員編寫程序的繁瑣步驟，我們采用變頻器多個命令HF0[12](169-185)格式，如圖4所示，主站可以同時向從站寫入運行指令和設定頻率，而原來的寫入方式要求運行指令和頻率分開寫入，如圖5所示。

表2 從站PLC的I/O分配表

圖4 多個命令格式(HF0)程序

圖5 非多個命令(A格式)

圖6 數器C236計數脈沖達到590個，推料桿推料

(2) 計算脈沖個數實現精準定位

在傳送帶輸送工件時，如果工件姿勢不正確，工件輸送到從站PLC控制的機械手下方時，應停止傳送帶運轉而翻轉機械手翻蓋，如果工件沒有精準停止在機械手下方就會導致翻蓋動作無法完成，因此精準定位在該系統中非常重要，本設計替換傳統的用時間簡單定位方法，而用高速計數器計算脈沖個數來實現精準定位，通過多次調試證實，用脈沖定位可以克服傳送帶因慣性停機的時間誤差，在工件翻轉和次品剔除模塊都可實現精準定位， 其程序設計如圖6所示。

4 試驗結果與分析

本研究在Sukey可編程程序系統設計師考核設備上進行了試驗，在試驗中進行如下調試：

1)在主站PLC與從站PLC、變頻器通信過程中，通信格式的一致性，同通信過程中發(fā)送、接收數據的時間差都會影響通信效果，通過多次調試，通信寫入/讀取切換時間為150 ms,從站PLC等待時間設定為60 ms，從站變頻器等待時間為80 ms時，能實現正常的主從站數據交互。

2)當變頻器加減速時間調整為0.5 s以下時，啟停傳送帶工件容易出現碰撞，本文設置變頻器加減速時間2 s～3 s，工件傳送相對平穩(wěn)。

3)在傳送工件過程中，傳送帶張緊度應調節(jié)合理，本文設置傳送帶1 Hz以下不能帶動，1 Hz 能帶動時，表明傳送帶張進度比較合適。

4)本設計中為實現精確推次品、翻轉姿勢而無誤差在調試過程中需測量光電檢測器的脈沖當量，我們使用公式：脈沖當量μ計算值=工件移動距離/高速計數脈沖數，通過求三次平均 ，計算所得脈沖當量為μ=(μ1+μ2+μ3)/3=0.256 6，同時通過計算脈沖個數確定推次品、和翻轉動作，在調試過程中發(fā)現，相比傳統的時間定位方式，脈沖定位精準無誤差。

5 結束語

本文研究表明，采用PLC技術,變頻技術，三方通信方式設計的全自動分揀系統可靠性高、安全性好、擴展靈活。變頻器應用傳送帶能保持工件安全、連續(xù)傳送，而且為系統節(jié)省能耗，變頻器程序采用多個命令格式(HF0)可以縮短程序掃描時間，減少繁瑣的程序編寫，提高生產運行效率，利用脈沖定位，可減少由于傳統時間定位引起的誤差，實現精準控制；同時該系統可在傳送模塊中增加其他的傳感器，如危險液體檢測，氣體檢測等，可增加快遞的安全性；將通信技術拓展到無線通信，可實現手機監(jiān)控，智能管理等系。該系統可廣泛應用于各種物流分揀、自動化分揀生產線中。

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The Design of a Fully Automatic Sorting System Using Three-party Communication Technology

Fang Nongyu, Fu Shenwen, Zou Xinyao, Luo Xu, Liu Yurong

(Guangdong AIB Polytechnic College, Guangzhou Guangdong 510507, China)

In this paper, we use three-party communication mode to connect master station FX2N-48MRPLC and slave station FX2N-16MRPLC, D700 frequency converter and touch screen. A fully automatic sorting system is designed, which integrates such functions as feeding, pose discrimination, material discrimination, color discrimination, pose adjustment, inferior elimination and sorting. It describes in detail the scheme design of the system, hardware configuration, three-party communication mode and programming technique. Experiments prove that the conveyor belt used by the frequency converter can not only ensure safety of working pieces and continuous transmission, but also reduce energy consumption. The multiple demand format adopted by the frequency converter can shorten program scanning time, reduce tedious programming and improve production efficiency. By using pulse positioning, we can reduce errors caused in traditional time positioning so as to realize accurate control. In the meanwhile, this system can use additional sensors in its transmission module to raise safety in logistics sorting. Communication technology is expanded to wireless communication so that mobile phone monitoring and intelligent management can be realized. This system can be used widely in logistics sorting as well as automatic sorting lines in the factories.

three-party communication； automatic sorting system； HF0 format； frequency converter；PLC

國家星火計劃，項目編號(2013GA780007；2013GA780003)；廣東省高等職業(yè)教育教學改革項目項目編號(GDJG2015094)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.032

TP29

A

1000-3886(2017)01-0107-03

方弄玉(1983-)，女，廣東廣州人，碩士生/講師，主要研究方向：電氣自動化方向。

定稿日期: 2016-07-19