曾祥蘋

(廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院， 廣東 廣州 510925)

0 引言

物流配送中心、港口、郵局等行業(yè)在包裹傳送與分揀上一直采用人工方式，其生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低，嚴(yán)重影響了企業(yè)市場競爭力的提高。因此，具有高效、穩(wěn)定、靈活等特點(diǎn)的PLC控制被應(yīng)用于包裹自動分揀系統(tǒng)中，傳感器技術(shù)的配合使用進(jìn)一步提高了自動分揀的精度和效率，本文將對PLC和傳感器技術(shù)在包裹自動分揀控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行具體闡述。

1 包裹自動分揀系統(tǒng)

自動分揀系統(tǒng)是物流配送中心常用的設(shè)備裝置，一般由分類裝置、輸送裝置、分揀道口三部分組成，在整個(gè)自動分揀系統(tǒng)工作過程中，各部分是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接起來的，通過自動控制配以適當(dāng)?shù)娜斯た刂仆瓿砂謷ぷ鳌８鞑糠盅b置的主要功能如下：

(1) 分類裝置：其功能是由執(zhí)行控制裝置發(fā)出分揀指示，當(dāng)具有相同分揀指示信號的包裹經(jīng)過分類裝置時(shí)，分類裝置立即根據(jù)分揀指示把該包裹放置在其他輸送機(jī)上，或者直接進(jìn)入分揀道口。

(2) 輸送裝置：其功能是輸送待分揀的包裹經(jīng)過控制裝置和分類裝置到達(dá)輸送裝置的兩側(cè)。通常情況下，輸送裝置與多個(gè)分揀道口連接，負(fù)責(zé)把待分揀的包裹輸送到分類裝置處，使分揀好的包裹滑下輸送機(jī)，從而進(jìn)行后續(xù)操作。

(3) 分揀道口:通過分揀道口使已經(jīng)分揀的包裹滑下輸送機(jī)，然后進(jìn)入集貨區(qū)域的站臺通道；工作人員把集貨站臺所有的包裹集中起來，統(tǒng)一入庫或組車配送。

2 包裹自動分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 自動分揀系統(tǒng)總體方案

根據(jù)自動化程度高、分揀精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、易控制等設(shè)計(jì)要求，確定了基于PLC和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制的包裹自動分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。先優(yōu)選一個(gè)合適的PLC設(shè)備作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心；然后配置輸送裝置，可采用噪聲低、功率大、體積小的電機(jī)驅(qū)動傳送帶，并在電機(jī)一頭配上編碼器用以控制包裹間的距離，同時(shí)在包裹存放區(qū)域與傳送帶之間設(shè)置一個(gè)滾動緩坡，避免包裹損壞；最后配置分揀系統(tǒng)，采用氣動裝置作為動力源驅(qū)動推桿進(jìn)行分揀，傳感器負(fù)責(zé)檢測包裹和氣缸的位置，從而提高分揀精度。

圖1 包裹自動分揀系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 自動分揀系統(tǒng)工作原理

條形碼識別技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于物流行業(yè)，配合掃描儀可快速識別包裹的相關(guān)信息，并對獲取的信息進(jìn)行地址匹配。在傳送帶的一側(cè)設(shè)置不同的包裹分類存放區(qū)域(如華北、東北、華南等8個(gè)區(qū)域)，在每個(gè)區(qū)域的對面設(shè)置有一臺掃描儀和推動包裹進(jìn)入相應(yīng)存放區(qū)域的氣缸推桿，當(dāng)光電傳感器檢測到有包裹分揀時(shí)，分揀傳送帶啟動運(yùn)行，將待分揀包裹輸送下去，若對應(yīng)掃描儀獲得的信息與該區(qū)域匹配，則將該信號作為PLC輸入，由PLC控制對應(yīng)的氣缸推桿推動包裹進(jìn)入相應(yīng)存放區(qū)域，完成分揀；若不匹配則繼續(xù)傳送下去繼續(xù)進(jìn)行分揀。

2.3 自動分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合包裹自動分揀控制的工作原理，系統(tǒng)涉及到的硬件設(shè)備主要包括控制裝置、氣動裝置、輸送裝置、電動裝置、電源、傳感裝置等。控制裝置部分主要指的是上位機(jī)和PLC設(shè)備；氣動裝置部分由氣缸、油霧器、分水濾氣器、輸氣通道等部分組成；輸送裝置主要是皮帶輸送機(jī)；電動裝置包括直流電機(jī)、電控?fù)Q向閥等；傳感裝置由傳感器、編碼器、開關(guān)等組件構(gòu)成。本文僅對PLC設(shè)備及傳感器的選用做具體說明。

2.3.1 PLC的選用

PLC主要有三菱、東芝、西門子等品牌，面對種類繁多的PLC，如何選擇適合于包裹自動分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的PLC是一個(gè)關(guān)鍵問題。本自動分揀系統(tǒng)對PLC點(diǎn)數(shù)有著明確的要求：實(shí)際輸入點(diǎn)27點(diǎn)，實(shí)際輸出點(diǎn)11點(diǎn)。為滿足這一要求，通過綜合對比確定選用三菱FX2N-80MR型號的PLC作為系統(tǒng)的主控制器。該型號PLC實(shí)際輸入點(diǎn)和實(shí)際輸出點(diǎn)均為40個(gè)，與分揀控制系統(tǒng)要求的點(diǎn)數(shù)相比留有較大的裕量，既能滿足當(dāng)前自動分揀系統(tǒng)的控制要求，也能為系統(tǒng)今后的升級奠定基礎(chǔ)。而且，這一型號的PLC在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了較好的靈活性和控制力，符合本系統(tǒng)易控制、分揀精度高的需求。

2.3.2 傳感器選用

傳感器是一種檢測裝置，可以將被測對象的各種物理變化量轉(zhuǎn)換為電信號，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。在自動分揀系統(tǒng)中，傳感器主要用于檢測包裹是否到位、氣缸動作是否到位等，為自動分揀系統(tǒng)有效地進(jìn)行各種動作提供必要的信息。

在本自動分揀系統(tǒng)中，可應(yīng)用光電式傳感器和磁性開關(guān)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能要求，具體功能設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 自動分揀系統(tǒng)中各傳感器功能

光電式傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)現(xiàn)控制的，通常由光發(fā)送器、光接收器和檢測電路三部分構(gòu)成。本文使用漫反射型光電傳感器檢測是否有包裹通過(如圖2所示)，在其檢測頭中裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的，當(dāng)檢測物通過時(shí)擋住了光，并把部分光反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個(gè)開關(guān)信號作為PLC的輸入。

磁性開關(guān)是一種利用磁場信號來控制的線路開關(guān)器件，也叫磁控開關(guān)，常用于氣缸上檢測氣缸活塞位置，即檢測活塞的運(yùn)動行程。使用磁性開關(guān)可以反饋氣缸活塞桿伸出的位置，利用此反饋信號來控制其他元件的動作，也可以控制氣缸的行程，且安裝多個(gè)磁性開關(guān)還可以實(shí)現(xiàn)氣缸在多點(diǎn)停止(但停止精度不高)。圖3為帶磁性開關(guān)氣缸的工作原理。當(dāng)帶有永久磁環(huán)的活塞運(yùn)動到預(yù)設(shè)位置(即裝有磁性開關(guān)位置)時(shí)，磁性開關(guān)內(nèi)部磁簧片就會被感應(yīng)，從而使得觸點(diǎn)關(guān)閉，產(chǎn)生信號；當(dāng)氣缸活塞離開感應(yīng)開關(guān)區(qū)域時(shí)，磁簧片失去感應(yīng)的磁性，從而使得觸點(diǎn)斷開，就不會產(chǎn)生信號，從而達(dá)到檢查氣缸活塞位置的目的。

圖2 漫反射型光電傳感器工作原理

圖3 帶磁性開關(guān)氣缸的工作原理

2.4 自動分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本包裹自動分揀控制系統(tǒng)以PLC為主控制器，控制程序是自動分揀系統(tǒng)工作是否到位的關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)包裹分揀控制特點(diǎn)，采用選擇性分支的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖對PLC程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.4.1 I/O分配

本包裹自動分揀系統(tǒng)的I/O分配如表2所示。

表2 PLC的I/O分配及功能

2.4.2 控制流程設(shè)計(jì)

包裹自動分揀系統(tǒng)的控制流程如圖4所示。具體工作流程如下：

(1) 啟動電機(jī)開關(guān)，控制系統(tǒng)開始運(yùn)行。

(2) 當(dāng)輸送帶上沒有包裹時(shí)，本系統(tǒng)處于低功率耗電狀態(tài)，分揀系統(tǒng)不工作。當(dāng)輸送帶上有包裹時(shí)，分揀系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，相關(guān)各部件進(jìn)行初始化，做好工作準(zhǔn)備。

(3) 當(dāng)輸送帶正常工作時(shí)，將上面的包裹向前運(yùn)送，直到分類裝置處。

(4) 此處，掃描儀對包裹上的信息進(jìn)行掃描。

(5) 經(jīng)過掃描后，確定包裹上的信息是否與控制裝置發(fā)出的指示信息相匹配。

(6) 若匹配成功，表示該包裹信息與控制裝置發(fā)出的信息相同，是當(dāng)前要發(fā)往地區(qū)的包裹。之后，把匹配結(jié)果通過無線的方式傳送至PLC的輸入端，PLC響應(yīng)后，啟動相應(yīng)的氣缸，使之進(jìn)入啟動狀態(tài)，并清除該氣缸的等待狀態(tài)。氣缸啟動后，把包裹推送到相應(yīng)存放區(qū)域內(nèi)，等待工作人員驗(yàn)收。氣缸完成一次操作后，必須立即復(fù)位，輸送帶繼續(xù)工作，等待下次操作指示。

(7) 若匹配失敗，表示該包裹信息與控制裝置發(fā)出的信息不相同，不是當(dāng)前要發(fā)往地區(qū)的包裹。同樣，把結(jié)果通過無線的方式傳送至PLC的輸入端，PLC響應(yīng)后，啟動相應(yīng)氣缸的等待狀態(tài)，并清除該氣缸的啟動狀態(tài)。與此同時(shí)，把信息匹配失敗的包裹通過輸送帶繼續(xù)向前輸送，準(zhǔn)備進(jìn)入下一次掃描。

2.4.3 分揀環(huán)節(jié)PLC控制程序示例

包裹由傳送帶輸送進(jìn)入不同區(qū)域的位置時(shí)，根據(jù)掃描儀獲得的地址信息是否與預(yù)設(shè)地址信息匹配進(jìn)行分揀，可采用選擇性分支狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖編程，如圖5所示。

3 結(jié)束語

本文利用現(xiàn)有的PLC和傳感器技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)自動化程度高、分揀精度高、靈活易控制且可大幅度提高分揀效率的包裹自動分揀控制系統(tǒng)，并對PLC設(shè)備及傳感器的選用、控制程序設(shè)計(jì)等進(jìn)行了具體闡述。隨著物流業(yè)的迅猛發(fā)展，對包裹自動分揀效率及精度的要求也將越來越高，在今后的工作中，應(yīng)當(dāng)加大對自動分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的研究，不斷優(yōu)化自動分揀系統(tǒng)的軟硬件條件，滿足日益提高的分揀工作需求。

圖5 分揀部分狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖示例

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