材料分揀系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計

緒論材料分揀技術(shù)經(jīng)過了許多年的發(fā)展，這項技術(shù)已經(jīng)被人們知道和了解?，F(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到了眾多的行業(yè)中，比如物流服務(wù)、貨物運輸、商品管理、工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)銷售等行業(yè)。甚至是在軍事裝備的工程項目中也運用了材料分揀技術(shù)。因此可以看出這項技術(shù)已經(jīng)和人們的生活密切相關(guān)。系統(tǒng)中我們就以PLC為核心來設(shè)計一項基于PLC的材料自主分揀控制系統(tǒng)設(shè)計，主要圍繞硬件和軟件這兩方面來進行設(shè)計，硬件設(shè)計從材料自主分揀系統(tǒng)的傳感器、PLC系統(tǒng)控制器、傳送帶、氣缸這幾個方面進行設(shè)計，軟件設(shè)計主要從PLC的類型選擇進行設(shè)計和上位機的監(jiān)控功能方面來進行設(shè)計。1.1選題的背景及研究意義隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及通信技術(shù)和信息安全的快速發(fā)展，信息的傳輸、處理以及儲存的能力逐漸變得強大，材料自主分揀系統(tǒng)應(yīng)運而生。只有信息采集與輸入信息足夠準確，才能確保信息的有效。在上世紀中期，這項技術(shù)的使用標志著我國的物流管理從傳統(tǒng)的人工分揀向自動化分揀轉(zhuǎn)變。因此準確有效的完成材料自主分揀傳輸和處理成為了PLC控制材料分揀系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。研究材料自主分揀系統(tǒng)的目的是解放人們的雙手，降低勞動力，提高分揀的效率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)發(fā)展狀況在我國基本物流行業(yè)起步較晚，材料分揀在人工中所占的比例較高。材料分揀系統(tǒng)有很多的好處，但是也有一定的缺點，要求它使用的工作人員具有一定的經(jīng)濟技術(shù)要求，在一些國家的一些行業(yè)不用自動分揀的情況也很多。主要有以下兩個原因：一是投入大，回收慢，設(shè)備的情況復雜多變，運行成本和投資成本高，需要有穩(wěn)定的資源作為保證。二是自動分揀系統(tǒng)對商品包裝有要求有一定的局限性。但隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，高效率的分揀系統(tǒng)方式被人們越來越重視，特別是我國加入世界貿(mào)易組織(WTO)后，我國工業(yè)效率提升在持續(xù)增長。1.2.2國外發(fā)展狀況國外從20世紀60年代開始，歐美等其他國家就已經(jīng)開始研究分揀系統(tǒng)模型了，Harvey.SubcommandRichards.Muffin在1960年提出來為亨氏公司(H.J.HeinzCompany)開發(fā)。20世紀80年代后，國外的分揀系統(tǒng)發(fā)展越來越來迅速，他們將不同輸送帶有機結(jié)合起來，形成一個高效的材料分揀固定形狀；同樣另外一些人研究從材料搬運到材料檢測、分揀系統(tǒng)傳送帶之間如何構(gòu)建，以及如何搭配傳送帶的輸送線，構(gòu)建一個良好的材料工序檢測、分揀、搬運系統(tǒng)。目前，國際上有比較先進的自動分揀機，有小物品型自動分揀機、小型中速自動分揀機、推塊式自動分揀機、數(shù)字式分揀系統(tǒng)和全自動分揀系統(tǒng)等等。

2材料自主分揀系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1材料自主分揀技術(shù)目前，物流行業(yè)的高端科技產(chǎn)品(自動化立體倉庫、自動分揀機和自動化信息處理以及通訊等)被不斷應(yīng)用于各個領(lǐng)域。自主分揀系統(tǒng)出現(xiàn)在公眾眼前是在第一次世界大戰(zhàn)之后，美國和日本配送材料所采用的一種設(shè)備，自主分揀系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成為發(fā)達國家物流中心不可或缺的一部分。隨著科技的進步，電子標簽的出現(xiàn)，計算機技術(shù)的引進，材料自主分揀的相關(guān)技術(shù)在我國的發(fā)展空間會變得越來越大。2.2材料自主分揀技術(shù)的特點我們所研究的材料自主分揀系統(tǒng)不僅有人工分揀和半自動化的分揀的優(yōu)點，還具備以下幾種特點：1.使用的效率高。我們研究材料的自主分揀系統(tǒng)要在受不同時間、氣候、人力、溫度等諸多方面的影響下，還能夠繼續(xù)進行自主分揀，并且可以進行大批量的貨物分揀。2.誤差小。材料自主分揀系統(tǒng)的誤差率很大程度上取決于輸入信息的準確度的原因問題，其中產(chǎn)品的信息識別和載體起主要作用。在材料自主分揀系統(tǒng)中我們使用的是掃碼槍掃描條形碼輸入，只要我們能夠保證條形碼沒有錯誤，那么它的出錯率就會很小。掃碼槍掃描條形碼輸入能夠解決我們系統(tǒng)讀取信息不準確的問題，能提高材料自主分揀系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。3.可以基本上實現(xiàn)系統(tǒng)沒有人。研究材料自主分揀系統(tǒng)最重要的是解決勞動力人員多和降低勞動人員的工作強度問題。2.3材料自主分揀系統(tǒng)設(shè)計思想當系統(tǒng)應(yīng)用在快遞行業(yè)時，我們可以把材料自主分揀系統(tǒng)的類別按照地區(qū)來區(qū)分。當然我們所研究的系統(tǒng)并不是只能用在快遞行業(yè)，其他行業(yè)也可以適用。當然也可以應(yīng)用到其他行業(yè)，具體應(yīng)用到某個行業(yè)時只需要把對應(yīng)的類別改變成為自己所需要的那一個類別即可。下面我們就圍繞此系統(tǒng)來進行研究和分析。當上料口上面有貨物時，可編程控制器(PLC)通知掃碼槍的掃描條形碼閱讀器讀取產(chǎn)品的條形碼信息。條形碼讀取信息輸入系統(tǒng)后，判斷出貨物的類型為第一類，傳送帶啟動，與第一類對應(yīng)的氣缸和次傳送帶開始動作。把第一類貨物分到對應(yīng)第一類槽口完成計數(shù)后，就完成一個周期。如果條形碼識別出來貨物為第二類的話，第二類的氣缸和次傳送帶開始運行，把第二類貨物分到第二類貨物的槽口進行計數(shù)，第三類的動作過程也是同樣的步驟。若條形碼沒有識別出貨物是前面三類的哪一類時，把它規(guī)定成第四類，后面步驟跟前面的一樣。在設(shè)計材料自主分揀系統(tǒng)時，我們優(yōu)先的是使用自動化運行，但是考慮到工廠情況的復雜程度多種多樣，可能會出現(xiàn)其他的意外情況，為此我們還加入了手動操作的環(huán)節(jié)。當材料自主分揀系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，我們檢查系統(tǒng)是否是在安全的環(huán)境下，如果系統(tǒng)是在人為因素情況下出現(xiàn)的故障時我們可以采用手動的方式對材料的自主分揀系統(tǒng)進行分揀。手動分揀完成后，查看系統(tǒng)環(huán)境是否安全，是在安全的情況下我們按下復位按鈕，系統(tǒng)開始重新啟動運行。2.4材料自主分揀系統(tǒng)的工作過程當材料自主分揀系統(tǒng)接通電源后，PLC上電，設(shè)備的準備工作完成；運行指示燈亮，按下啟動按鈕，材料自主分揀系統(tǒng)的啟動，啟動燈亮；PLC給上料口一個上料的工作指令，上料口開始上料；然后PLC又給主傳送帶一個運行指令，傳送帶開始運行；PLC給掃描槍一個掃描條形碼識別輸入的指令，掃描槍開始掃描進行輸入分類；若掃描出來的材料是第一類時，PLC給氣缸一個指令，氣缸伸出；之后PLC給次傳送帶一個運行指令，次傳送帶開始運行把材料傳送到相應(yīng)的位置并進行計數(shù)。這樣就完成了系統(tǒng)的一個周期，后面的操作過程也是這樣循環(huán)進行的，唯一不同的地方是如果掃描出來的材料是第二類的話，它的氣缸和次傳送帶運行的就不是剛才啟動的那一組，而是另外一組氣缸和次傳送帶運行。如此循環(huán)下去。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障的話，按下停止按鈕，系統(tǒng)全部停止運行。圖2.1材料自主分揀順序圖2.5材料自主分揀系統(tǒng)設(shè)計流程材料自主分揀系統(tǒng)首先要確定上料區(qū)、傳感器、氣缸、傳送帶的順序，他們之間如何布置以及和如何運行的，確定好以后就分別進行敘述。圖2.2材料自主分揀系統(tǒng)示意圖

3硬件設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)組成材料自主分揀系統(tǒng)整體包含傳感器、條形碼識別、傳送帶、氣缸、PLC等，系統(tǒng)上電后，用掃碼槍掃描條形碼識別有無貨物，如果有貨物條形碼就會對檢測的貨物進行識別和分類。系統(tǒng)全部采用全自動的模式，系統(tǒng)啟動運行后，掃碼槍掃描條形碼能自動檢測識別判斷出貨物的某一類，條形碼識別檢測出之后對應(yīng)的那一組氣缸和次傳送帶動作進行貨物的自主分揀。3.2傳感器的選型3.2.1傳感器的選擇傳感器一般是把化學量或者其他物理量轉(zhuǎn)換成電信號的器件。它一般是由轉(zhuǎn)換元件和敏感元件組成的，具有獨立的檢測貨物的能力，可以將檢測出來的信號反饋給PLC，PLC給出輸出信號。被測量按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成我們可以使用的輸出信號。3.2.2光纖傳感器利用被測物體對光的反射來選擇流通電路，從而來判斷檢測物體的有無。光纖傳感器是光電傳感器的一種，只要由放大器和檢測頭組成，光纖傳感器不受任何電磁信號的干擾、使用壽命長、遠距離傳輸、在惡劣環(huán)境下也適用。光電傳感器是電量傳感器，它是用電壓和電流的變化形式來傳輸，光電傳感器是把電信號轉(zhuǎn)換成光信號在由光信號轉(zhuǎn)換成電信號。它由發(fā)送器、接收器和檢測電路這三部分組成。圖3.1光纖傳感器3.2.3掃碼槍掃描時我們一般都是掃描的貨物條形碼。條形碼是根據(jù)寬度和反射率的不同出現(xiàn)的條和空，編碼使需要按照一定的編碼規(guī)則編制，條形碼主要是用來表達數(shù)字或字母符號信息的圖形標識。從外表上看，是一組粗細不同、有一定規(guī)則的平行線條圖形，反射率相差很大的黑色條和白色條組成的。條形碼印制時必須要符合國家的條碼標準來。條形碼的成本很低、識別速度快是現(xiàn)代物流信息行業(yè)的普遍載體，條形碼技術(shù)共有兩類。一類是一維碼，另外一類是二維碼。工業(yè)上一般使用的是一維碼。條形碼識別通常是通過掃描器掃描條碼完成，有譯碼和掃碼兩個過程。條形碼掃描后發(fā)出的光源在反射后，反射到條形碼內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)換器根據(jù)黑白條光的強弱把光信號并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。經(jīng)過放大電路增強信號之后再輸送到整流電路中把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號最后由計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和管理，貨物上的條形碼信息被識別出來。圖3.2掃碼槍3.3傳送帶選型傳送帶主要用來傳送材料，傳送帶是由電機驅(qū)動，它與PLC之間有聯(lián)系，傳送帶運行時PLC會先給它一個運行指令，它才開始運行。把材料運行到一定位置后，其他設(shè)備才能進行下一步運行。系統(tǒng)中我們使用的既有主傳送帶也有次傳送帶，次傳送帶是對氣缸已經(jīng)分揀出來的貨物進行運輸。圖3.3傳送帶3.4PLC選型及端口分配PLC使用的是可編程存儲器，存儲器是要執(zhí)行順序控制、定時、邏輯運算和計數(shù)等指令的；存儲器通過模擬數(shù)字量的輸入輸信號出來控制各種型號的生產(chǎn)的過程。PLC是在傳統(tǒng)控制器的基礎(chǔ)上加入了計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)，而形成的一代的工業(yè)控制器，PLC主要用來取代執(zhí)行邏輯語言、繼電器、計數(shù)和順序控制系統(tǒng)等。3.4.1PLC的結(jié)構(gòu)PLC的結(jié)構(gòu)有CPU(中央處理器)、存儲器、數(shù)字量的輸入輸出接口、電源、輸入輸出的I\O擴展接口。3.4.2PLC的特點1.PLC的結(jié)構(gòu)簡單通用性強2.抗干擾性強，可靠度高3.功能比較完善，配套齊全，適用性也很強4.簡單易學3.4.3PLC的選擇根據(jù)材料自主分揀系統(tǒng)的需要，PLC控制器的輸入信號需要進一步細化，分別為1個條形碼閱讀器信號，5個開關(guān)信號(復位、啟動、停止、自動、手動)，4個光電傳感器信號，4個手動啟動氣缸運行信號和4個次傳送帶啟運行信號；1個主傳送帶啟動信號，4個氣缸自動啟動信號，4個次傳送帶啟動信號。西門子公司的PLC產(chǎn)品主要有：SIMATIC-200\300\400系列根據(jù)分析我們決定使用的是西門子公司S7-200SMART的PLC產(chǎn)品，因為S7-200SMART的指令的時間是0.15us,CPU(中央處理器)模塊的I\O點數(shù)最多有60個點，CPU模塊有1個RS-485和1個以太網(wǎng)接口，選用西門子公司的產(chǎn)品可以使用價格比較便宜的信號板擴展1個RS-485端口或者RS-232接口；用一般的以太網(wǎng)(網(wǎng)線)就可以實現(xiàn)程序的下載和監(jiān)控，還可以和其他的CPU模塊、計算機進行網(wǎng)絡(luò)通信。能最大限度的控制成本，RS-485端口和RS-232接口支持ModbusRTUUSS和PPI協(xié)議，可以實現(xiàn)自由端口的通信。

4軟件設(shè)計4.1功能分析該類系統(tǒng)是對一般較多的設(shè)備進行控制，設(shè)備都相對比較分散，距離較遠。不同的設(shè)備之間要頻繁的進行的信息傳輸，選擇時要使用具有多臺通信功能的PLC。圖4-1系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)設(shè)計中，使用一臺條形碼閱讀器和幾臺被控設(shè)備，使用一臺PLC控制多個對象。只要PLC的性能足夠強大，就可以完成我們系統(tǒng)所設(shè)計基本操作功能。除此之外，為了方便操作人員能更直觀的使用系統(tǒng)進行工作，給它添加一個人機交互的模塊。構(gòu)成圖4-1所示的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。從圖上我們可以看到系統(tǒng)共有四個部分：PLC控制器組態(tài)軟件(MCGS)的上位機、傳感器、電機、條形碼閱讀器等模塊，條形碼閱讀器和傳感器相當信息采集部分。1.PLC控制器：這部分相當于系統(tǒng)的大腦，承擔了數(shù)據(jù)的運算處理能力，運算處理是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分?？梢允占瘲l形碼閱讀器的信息，對信息處理加工，將得到的信息發(fā)送到電機上來執(zhí)行。同時將數(shù)據(jù)的信息反饋到上位機，方便工作人員進行監(jiān)控接受上位機發(fā)出的指令做出調(diào)整和更改。2.上位機：相當于是一個橋梁。它有三個作用：一是將設(shè)置好的參數(shù)由上位機送到PLC中進行自動化控制；二是將PLC得到的數(shù)據(jù)反饋到上位機使工作人員能及時的檢測數(shù)據(jù)變化的情況；三是對保存信息的數(shù)據(jù)進行分析。3.信息采集模塊：最主要是條形碼閱讀器。貨物上的條形碼掃描后得到信息，把信息傳遞給PLC，方便PLC進行下一步動作。4.電機模塊：執(zhí)行一些簡單操作把PLC指令傳送到驅(qū)動模塊，使驅(qū)動電機對貨物進行控制。設(shè)計PLC系統(tǒng)時要遵循以下三個原則。靈活可靠、易于擴展、通用性強等。PLC系統(tǒng)具有基本可供用戶使用的輸入設(shè)備，方便用戶進行監(jiān)督查看的輸入輸出設(shè)備和可編程控制器(PLC)。常見的輸入設(shè)備有開關(guān)按鈕，常見的輸出設(shè)備有繼電器和輸出設(shè)備所驅(qū)動的傳送帶之類的被控制對象。選擇PLC時要選擇具有一定的I/O容量的。I/O口的分配如下：表4.1I\O地址分配表I0.1I1.1I2.1I3.1根據(jù)I\O地址分配表來編寫梯形圖，編寫完成后調(diào)試編譯檢查是否有錯誤，有錯誤的話修改后才能保證程序的正常運行。4.2流程設(shè)計完成系統(tǒng)的通信協(xié)議配置后，在PLC中開始進行程序編寫工作。首先要處理條碼閱讀器接收信號部分程序，條碼閱讀器收到數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換為貨物信息,使用指令對數(shù)據(jù)信息進行的接收,接收到后把收到的數(shù)據(jù)放到存儲器中對條碼進行識別,識別成功給PLC使用。條形碼識別系統(tǒng)及傳送程序流程如下：圖4.3程序流程4.2.1自動控制部分將掃描槍掃描識別成功的信息輸入自動控制部分，然后根據(jù)原先設(shè)置好的條件把貨物傳輸?shù)綄?yīng)的通道。系統(tǒng)設(shè)計了多個通道對貨物進行分揀處理，編寫程序時要分為多個不同的對象使貨物運輸?shù)讲煌呢浳锿ǖ郎先ァ?.2.2手動控制部分當系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法在自動模式下完成工作時，選擇人工手動控制。4.3材料自主分揀系統(tǒng)的過程要求1.電源接通，PLC開始上電，設(shè)備準備就緒，指示燈亮，按下啟動，系統(tǒng)啟動傳送帶上料口開始進行下料，條形碼開始掃描條形碼進行識別，識別成功氣缸和次傳送帶開始動作。2.運行時按下停止按鈕，指示燈亮，系統(tǒng)停止工作。3.設(shè)計時，優(yōu)先使用自動化運行，考慮到工廠情況的復雜，可能會出現(xiàn)其他的意外事故情況，我們還加入手動操作模式。

5材料分揀系統(tǒng)與上位機之間的通信協(xié)議5.1系統(tǒng)與上位機的通信協(xié)議與PLC連接的的計算機我們稱為上位機，我們可以在上位機上設(shè)定參數(shù)、狀態(tài)顯示以及數(shù)據(jù)存儲。PLC與上位機是通過RS-232接口進行通信，實現(xiàn)了兩者之間的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送。因為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ沤涌谶x擇的串行接口是RS-232，所以得選擇RS-232串行通信接口設(shè)備連接比較方便。5.2上位機上機位的功能：1.進行材料材料和重量設(shè)定，傳送給PLC，PLC來控制并完成材料的自主分揀。2.在計算機上可以顯示它的實時運行狀態(tài)，對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。3.可以實現(xiàn)材料之間的數(shù)量統(tǒng)計和數(shù)據(jù)的存儲。上位機采用昆侖通態(tài)公司組態(tài)軟件(MCGS)進行數(shù)據(jù)得實時監(jiān)控。MCGS是一套基于Windows的軟件開發(fā)平臺，用于構(gòu)建和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件。MCGS設(shè)備進行驅(qū)動的程序采集的數(shù)據(jù)和發(fā)送設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動程序是由VC(C語言)、VB程序的語言DLL(動態(tài)鏈接庫)文件進行編寫，包含各種設(shè)備通信協(xié)議的處理程序。MCGS在運行環(huán)境當中用相應(yīng)的設(shè)備來進行驅(qū)動程序，與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的通信。每個驅(qū)動程序只占一個線的程序，他們之間互不干擾。圖5.1組態(tài)軟件PLC有1個RS-232口和RS-485口，這兩個任何一個通信端口都可以作為主站或者從站。通信接口可以作為編程的端口，與第三方設(shè)備通信的端口。在材料的自主分揀系統(tǒng)功能中用RS-232口與條形碼閱讀器進行通信，用RS-485接口與組態(tài)軟件(MCGS)進行通信。RS-232兩端的通信參數(shù)必須一致。PLC的自由通信協(xié)議指令可以實現(xiàn)與條形碼閱讀器之間的通信。通信功能可以是同一條指令來實現(xiàn)，不需要對其進行特殊編程，不需要多條通信指令的順序，可以同一條件下可以同時書寫多條通信指令。

6仿真分析6.1組態(tài)設(shè)計組態(tài)軟件的設(shè)計主要包括上料區(qū)、條形碼識別、4個光電傳感器、4個氣缸、1個主傳送帶和4個次傳送帶、計數(shù)器?？刂朴址譃樽詣涌刂坪褪謩涌刂?，自動控制控制系統(tǒng)復位、啟動、停止，手動控制也同樣可以控制啟動、停止、復位。6.2仿真分析組態(tài)軟件：該材料分揀系統(tǒng)主要是對條形碼進行識別分類之后對材料進行自主分揀的系統(tǒng)。組態(tài)仿真設(shè)計運行時首先打開相對應(yīng)的仿真軟件，找到對應(yīng)我們系統(tǒng)的仿真文件進入運行環(huán)境，找到背景方案選擇自己所需要的分辨率多少，進行通訊測試，測試完成后下載工程進行啟動運行。圖6.1模擬仿真1-1圖6.2模擬仿真1-2啟動后系統(tǒng)得電帶動傳送帶開始工作，上料區(qū)進行上料，掃描槍識別貨物，掃描槍掃描條形碼識別出來是第二類，主傳送帶運行，氣缸2伸出，主傳送帶停止，第二類的次傳送帶開始運行把分揀出來的貨物傳送到槽口并進行計數(shù)。完成一個周期。圖6.3模擬仿真1-3圖6.4模擬仿真1-4如果上料區(qū)上料后掃碼槍掃描條形碼識