高 霞，馬 濤

(1.長江職業(yè)學(xué)院機電汽車學(xué)院，湖北 武漢 430073) (2.武昌職業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430202)

隨著淘寶、京東等電商的崛起，物流服務(wù)需求也隨之逐漸增加。自動分揀系統(tǒng)[1-3]由于分揀效率高(每小時可達(dá)7 000件)、連續(xù)分揀、誤差率低等優(yōu)點，已成為物流作業(yè)的重要環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)大多數(shù)自動分揀系統(tǒng)采用繼電器控制，存在易老化、定位精度低、故障率高、數(shù)字化程度低等缺點，嚴(yán)重阻礙了其在物流服務(wù)行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)繼電器電路不易實現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能和數(shù)字控制能力，且維護(hù)過程繁瑣，嚴(yán)重制約了物流服務(wù)行業(yè)的發(fā)展。因此，研究一種新型自動分揀系統(tǒng)對于物流服務(wù)行業(yè)具有重要意義。

1 自動分揀系統(tǒng)設(shè)計思路

為提高自動分揀系統(tǒng)的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和精度，并實現(xiàn)簡單安全的操作，筆者考慮到可編程邏輯控制器(PLC)[4-6]具有的可靠性高、應(yīng)用靈活、使用方便、功能強大等優(yōu)點，以西門子S7-300PLC為基礎(chǔ)，進(jìn)行自動分揀系統(tǒng)的設(shè)計。

基于PLC的自動分揀系統(tǒng)主要涉及PLC技術(shù)、氣動技術(shù)以及傳感器技術(shù)等。進(jìn)行基于PLC的自動分揀系統(tǒng)設(shè)計必須了解系統(tǒng)控制過程，明確控制需求以及各階段轉(zhuǎn)換條件。相關(guān)條件包括：輸出電壓為AC 220V，消耗功率為250W，環(huán)境溫度為-5℃～40℃。

自動分揀系統(tǒng)作為現(xiàn)代物流配送及流通的核心設(shè)施，包括工料自動提取、自動檢測、分類以及自動存入倉庫等4個模塊。其分別對應(yīng)分揀系統(tǒng)的機械部分，包括變頻調(diào)速的長距離傳送帶、傳感器檢測、分揀機械手和貨物自動出庫，涉及上料功能、傳輸功能、分類存儲功能、其他輔助功能等。

1)上料功能。上料是指自動分揀系統(tǒng)將集中在物料庫的待分揀物料傳輸至傳輸線的過程，具體流程為：啟動自動分揀系統(tǒng)，上料光電傳感器感應(yīng)到物料，延時2s，上料氣缸將物料推出至傳輸線后及時縮回，使物料落下。

2)傳輸功能。傳輸是在物料被推出后進(jìn)行的。具體流程為：物料被推出后，PLC控制器控制電機，通過皮帶帶動物料輸送，經(jīng)過電感、電容等各類傳感器時傳感器檢測到信號反饋給PLC，PLC依據(jù)信號判斷物料類型，為分類存儲做準(zhǔn)備。

3)分類存儲功能。具體流程為：依據(jù)各傳感器傳送的物料屬性，PLC啟動電機帶動運料小車將物料送到指定位置進(jìn)行分類存儲。

4)其他輔助功能，主要包括系統(tǒng)啟動、停止、復(fù)位以及報警。具體流程為：系統(tǒng)啟動，并進(jìn)行復(fù)位操作，目的是清空料臺、皮帶上物料；啟動后，設(shè)置相應(yīng)的警示燈，禁止在系統(tǒng)運行時進(jìn)行人為干預(yù)，以防對設(shè)備正常運行產(chǎn)生影響；當(dāng)所有工作完成后，點擊“停止”按鈕，所有部件停止運作，并設(shè)置相應(yīng)的警示燈。

2 自動分揀系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于PLC的自動分揀系統(tǒng)[7]可實現(xiàn)物料的自動分揀以及姿勢調(diào)整，在整個工作過程中，都涉及到實時控制、模擬現(xiàn)實以及故障報警等。

本文研究的是一種基于PLC的自動分揀系統(tǒng)[3]，主要包括：1)電源系統(tǒng)，向自動分揀系統(tǒng)供電；2)數(shù)據(jù)采集卡，以超聲波傳感器為基礎(chǔ)，用于物料檢測并進(jìn)行分類存儲；3)數(shù)據(jù)傳輸線路，包括用于串口通信的RS485總線和WiFi；4)數(shù)據(jù)處理裝置，包括PLC控制器、電機、LCD、SDRAM、鍵盤和A/D模塊，其中A/D模塊為16位，與PLC控制器相連，接收并處理來自數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)信息；5)數(shù)據(jù)輸出控制設(shè)備，主要包括報警裝置、運料車以及推料氣缸，電機正常運行可帶動運料車到相應(yīng)位置，然后通過推料氣缸將物料輸送到相應(yīng)存儲位置，完成一次分揀。具體自動分揀系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 自動分揀系統(tǒng)原理圖

該自動分揀系統(tǒng)的具體實施過程包括兩部分：第一部分是物料分類和PLC處理，超聲波傳感器檢測到不同物料并進(jìn)行分類，數(shù)據(jù)信息經(jīng)A/D模塊處理后傳送給PLC控制器，PLC控制器將信號反饋給上位機進(jìn)行分析處理；第二部分是分揀操作以及電機監(jiān)控，涉及的LCD以及SDRAM用于展示存儲的大量數(shù)據(jù)信息。

3 自動分揀系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

基于PLC的自動分揀系統(tǒng)主要完成物料的自動提取、自動檢測、工料自動分類以及自動存入倉庫，從硬件角度考慮，主要涉及控制器選擇、輸入/輸出模塊選擇以及PLC連接；從軟件角度考慮，主要涉及PLC控制器的設(shè)計。下面分別從軟、硬件角度進(jìn)行分析。

3.1 硬件設(shè)計

1)控制器選擇。PLC作為自動分揀系統(tǒng)的核心，具有可靠性高、抗干擾能力強、功能齊全、適用性強、維護(hù)方便等優(yōu)點。對于PLC的選擇，基本原則是：在確保PLC控制功能的前提下，盡可能滿足可靠性高、維護(hù)方便以及性價比高等優(yōu)點。本研究選用西門子S7-300PLC控制器，其具有循環(huán)周期短、處理速度快、模塊化編程、控制點數(shù)多等優(yōu)點。其中CPU選擇CPU315-2DP，其具有較大的容量，主/從接口型號為PROFIBUS-DP，具有分布式和集中式兩種I/O接口。

2)輸入/輸出模塊選擇。以CPU315-2DP為核心的自動分揀系統(tǒng)，輸入模塊采用SL系列的1746-IB16，架設(shè)在第1槽，包括貨架出開關(guān)、滾筒線入/出開關(guān)、弧形滾筒鏈入開關(guān)、皮帶線入開關(guān)、滾筒線條掃描開關(guān)、分揀線的對射傳感器等20個輸入信號；輸出模塊采用1746-OB16，架設(shè)在第2槽，包括滾筒線、電機、分揀線阻擋器等16個輸出信號。其中A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將光電設(shè)備的端口電平信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后形成電平輸入信號；控制系統(tǒng)接收輸入信號，并將其本身的高電平轉(zhuǎn)換為低電平發(fā)送給光電設(shè)備，光電設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動作。

3)PLC連接。皮帶傳送實現(xiàn)方式：PLC控制器控制變頻器提供電能驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，電機帶動皮帶實現(xiàn)運動。實踐證明，變頻器作為一種性能優(yōu)越的調(diào)速裝置，可以減少電機速度調(diào)整時間，使得電機運行更加平穩(wěn)可靠，并能有效提高設(shè)備運行效率、降低設(shè)備運行及維護(hù)成本。PLC通過高速端和正常啟動端兩個端口對變頻器進(jìn)行控制：當(dāng)端口電壓值相同時，電機啟動；端口電壓值有差別時，電機停止工作。

3.2 軟件設(shè)計

在整個自動分揀系統(tǒng)的PLC控制部分，軟件設(shè)計是核心。首先依照分揀系統(tǒng)的具體要求，確定電路參數(shù)和限定保護(hù)、控制方式以及應(yīng)完成的操作，然后依照生產(chǎn)設(shè)備的實際需求，分類設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的不同部分。所采用的主程序框圖如圖2所示。

圖2 PLC主控制流程圖

1)狀態(tài)分析。

自動分揀系統(tǒng)接收到啟動信號開始運行，標(biāo)記為“運行”態(tài)。如圖2所示，產(chǎn)生輸出信號的“運行”態(tài)，主要包括：1)上料氣缸電磁閥的上料需求表現(xiàn)在啟動完成后，在已經(jīng)完成的物料分揀基礎(chǔ)上，上料光電傳感器產(chǎn)生輸入信號，2s后進(jìn)行上料操作。2)分揀電磁閥的動作要求表現(xiàn)為運料小車到達(dá)指定存儲入口。3)機械手的旋轉(zhuǎn)要求則為手爪夾緊物料并上升到位，旋轉(zhuǎn)電磁閥進(jìn)行自鎖，如果達(dá)到運料小車上方，解鎖；下降要求為物料抵達(dá)終點，升或降電磁閥直到夾緊物料。4)夾緊要求為第一次下降到指定位置后，氣爪電磁閥執(zhí)行自鎖動作，再次到這一位置時，進(jìn)行解鎖操作。5)警示燈綠燈亮表示啟動，紅燈亮表示沒有啟動信號，黃燈亮則代表10s內(nèi)上料光電傳感器沒有接收到輸入信號。

2)控制過程分析。

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計包括1個系統(tǒng)、2個模塊，即傳送帶變頻速度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、物料自動檢測分類控制模塊以及物料自動入庫控制模塊。其中傳送帶變頻速度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是通過變頻器調(diào)整電機的工作電源頻率進(jìn)而控制電機的轉(zhuǎn)速，從而控制傳送帶的速度。PLC輸出端傳送多種運行信號給變頻器，物料經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換成電信號驅(qū)動傳送帶開始工作，電機以固定頻率運行，幾秒后，提升電機運行頻率到某一值并固定，再過幾秒，降低電機運行頻率到某一值，此時按下電機“停止”按鈕，電機停止運轉(zhuǎn)。

物料自動檢測分類控制模塊則是以分揀機械手為工具，從生產(chǎn)線的傳送帶上提取物料。根據(jù)要求，系統(tǒng)通過多種傳感器，如電容傳感器、顏色傳感器等進(jìn)行物料分類，并將物料信息自動存儲到處理器。如果檢測到的信息存在錯誤，則分揀機械手自動將物料送回，并在逆向經(jīng)過傳送帶時重新檢測物料類型。

物料的自動入庫控制模塊是指物料分類結(jié)束后，通過傳感器對物料進(jìn)行檢測，然后分裝入庫。但入庫時應(yīng)該注意，入庫應(yīng)該對應(yīng)空層，如果該層非空，那么庫會自動旋轉(zhuǎn)直到空層出現(xiàn)再進(jìn)行物料入庫操作；進(jìn)入倉庫的貨物應(yīng)該配備相應(yīng)的庫屬性，以此確保入庫正確；物料進(jìn)入倉庫時，如果庫的旋轉(zhuǎn)方向與層定位一致，則庫停止旋轉(zhuǎn)，以此避免硬件產(chǎn)生沖突。

4 結(jié)束語

以PLC為核心的自動分揀系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)物料的自動分揀，還能實現(xiàn)分類入庫的功能，同時極大降低運行成本，提高生產(chǎn)效率以及可靠性。實踐證明：基于PLC的自動分揀系統(tǒng)不僅能夠極大地方便操控電機的啟停，更能夠有效降低能源消耗，同時還能夠?qū)魉脱b置進(jìn)行精確控制并能有效控制電機的傳動位移，極大地提高物料分揀的準(zhǔn)確率和效率。