基于PLC的自动分拣系统研究

高 霞，马 涛

(1.长江职业学院机电汽车学院，湖北 武汉 430073) (2.武昌职业学院电子信息工程学院，湖北 武汉 430202)

随着淘宝、京东等电商的崛起，物流服务需求也随之逐渐增加。自动分拣系统[1-3]由于分拣效率高(每小时可达7 000件)、连续分拣、误差率低等优点，已成为物流作业的重要环节。目前国内大多数自动分拣系统采用继电器控制，存在易老化、定位精度低、故障率高、数字化程度低等缺点，严重阻碍了其在物流服务行业中的广泛应用。此外，传统继电器电路不易实现复杂逻辑功能和数字控制能力，且维护过程繁琐，严重制约了物流服务行业的发展。因此，研究一种新型自动分拣系统对于物流服务行业具有重要意义。

1 自动分拣系统设计思路

为提高自动分拣系统的可靠性、数据传输稳定性和精度，并实现简单安全的操作，笔者考虑到可编程逻辑控制器(PLC)[4-6]具有的可靠性高、应用灵活、使用方便、功能强大等优点，以西门子S7-300PLC为基础，进行自动分拣系统的设计。

基于PLC的自动分拣系统主要涉及PLC技术、气动技术以及传感器技术等。进行基于PLC的自动分拣系统设计必须了解系统控制过程，明确控制需求以及各阶段转换条件。相关条件包括：输出电压为AC 220V，消耗功率为250W，环境温度为-5℃～40℃。

自动分拣系统作为现代物流配送及流通的核心设施，包括工料自动提取、自动检测、分类以及自动存入仓库等4个模块。其分别对应分拣系统的机械部分，包括变频调速的长距离传送带、传感器检测、分拣机械手和货物自动出库，涉及上料功能、传输功能、分类存储功能、其他辅助功能等。

1)上料功能。上料是指自动分拣系统将集中在物料库的待分拣物料传输至传输线的过程，具体流程为：启动自动分拣系统，上料光电传感器感应到物料，延时2s，上料气缸将物料推出至传输线后及时缩回，使物料落下。

2)传输功能。传输是在物料被推出后进行的。具体流程为：物料被推出后，PLC控制器控制电机，通过皮带带动物料输送，经过电感、电容等各类传感器时传感器检测到信号反馈给PLC，PLC依据信号判断物料类型，为分类存储做准备。

3)分类存储功能。具体流程为：依据各传感器传送的物料属性，PLC启动电机带动运料小车将物料送到指定位置进行分类存储。

4)其他辅助功能，主要包括系统启动、停止、复位以及报警。具体流程为：系统启动，并进行复位操作，目的是清空料台、皮带上物料；启动后，设置相应的警示灯，禁止在系统运行时进行人为干预，以防对设备正常运行产生影响；当所有工作完成后，点击“停止”按钮，所有部件停止运作，并设置相应的警示灯。

2 自动分拣系统总体设计方案

基于PLC的自动分拣系统[7]可实现物料的自动分拣以及姿势调整，在整个工作过程中，都涉及到实时控制、模拟现实以及故障报警等。

本文研究的是一种基于PLC的自动分拣系统[3]，主要包括：1)电源系统，向自动分拣系统供电；2)数据采集卡，以超声波传感器为基础，用于物料检测并进行分类存储；3)数据传输线路，包括用于串口通信的RS485总线和WiFi；4)数据处理装置，包括PLC控制器、电机、LCD、SDRAM、键盘和A/D模块，其中A/D模块为16位，与PLC控制器相连，接收并处理来自数据采集模块的数据信息；5)数据输出控制设备，主要包括报警装置、运料车以及推料气缸，电机正常运行可带动运料车到相应位置，然后通过推料气缸将物料输送到相应存储位置，完成一次分拣。具体自动分拣系统原理如图1所示。

图1 自动分拣系统原理图

该自动分拣系统的具体实施过程包括两部分：第一部分是物料分类和PLC处理，超声波传感器检测到不同物料并进行分类，数据信息经A/D模块处理后传送给PLC控制器，PLC控制器将信号反馈给上位机进行分析处理；第二部分是分拣操作以及电机监控，涉及的LCD以及SDRAM用于展示存储的大量数据信息。

3 自动分拣系统软硬件设计

基于PLC的自动分拣系统主要完成物料的自动提取、自动检测、工料自动分类以及自动存入仓库，从硬件角度考虑，主要涉及控制器选择、输入/输出模块选择以及PLC连接；从软件角度考虑，主要涉及PLC控制器的设计。下面分别从软、硬件角度进行分析。

3.1 硬件设计

1)控制器选择。PLC作为自动分拣系统的核心，具有可靠性高、抗干扰能力强、功能齐全、适用性强、维护方便等优点。对于PLC的选择，基本原则是：在确保PLC控制功能的前提下，尽可能满足可靠性高、维护方便以及性价比高等优点。本研究选用西门子S7-300PLC控制器，其具有循环周期短、处理速度快、模块化编程、控制点数多等优点。其中CPU选择CPU315-2DP，其具有较大的容量，主/从接口型号为PROFIBUS-DP，具有分布式和集中式两种I/O接口。

2)输入/输出模块选择。以CPU315-2DP为核心的自动分拣系统，输入模块采用SL系列的1746-IB16，架设在第1槽，包括货架出开关、滚筒线入/出开关、弧形滚筒链入开关、皮带线入开关、滚筒线条扫描开关、分拣线的对射传感器等20个输入信号；输出模块采用1746-OB16，架设在第2槽，包括滚筒线、电机、分拣线阻挡器等16个输出信号。其中A/D转换系统将光电设备的端口电平信号经电平转换器转换后形成电平输入信号；控制系统接收输入信号，并将其本身的高电平转换为低电平发送给光电设备，光电设备执行相应动作。

3)PLC连接。皮带传送实现方式：PLC控制器控制变频器提供电能驱动电机运转，电机带动皮带实现运动。实践证明，变频器作为一种性能优越的调速装置，可以减少电机速度调整时间，使得电机运行更加平稳可靠，并能有效提高设备运行效率、降低设备运行及维护成本。PLC通过高速端和正常启动端两个端口对变频器进行控制：当端口电压值相同时，电机启动；端口电压值有差别时，电机停止工作。

3.2 软件设计

在整个自动分拣系统的PLC控制部分，软件设计是核心。首先依照分拣系统的具体要求，确定电路参数和限定保护、控制方式以及应完成的操作，然后依照生产设备的实际需求，分类设计PLC控制系统的不同部分。所采用的主程序框图如图2所示。

图2 PLC主控制流程图

1)状态分析。

自动分拣系统接收到启动信号开始运行，标记为“运行”态。如图2所示，产生输出信号的“运行”态，主要包括：1)上料气缸电磁阀的上料需求表现在启动完成后，在已经完成的物料分拣基础上，上料光电传感器产生输入信号，2s后进行上料操作。2)分拣电磁阀的动作要求表现为运料小车到达指定存储入口。3)机械手的旋转要求则为手爪夹紧物料并上升到位，旋转电磁阀进行自锁，如果达到运料小车上方，解锁；下降要求为物料抵达终点，升或降电磁阀直到夹紧物料。4)夹紧要求为第一次下降到指定位置后，气爪电磁阀执行自锁动作，再次到这一位置时，进行解锁操作。5)警示灯绿灯亮表示启动，红灯亮表示没有启动信号，黄灯亮则代表10s内上料光电传感器没有接收到输入信号。

2)控制过程分析。

PLC控制系统的设计包括1个系统、2个模块，即传送带变频速度调节控制系统、物料自动检测分类控制模块以及物料自动入库控制模块。其中传送带变频速度调节控制系统是通过变频器调整电机的工作电源频率进而控制电机的转速，从而控制传送带的速度。PLC输出端传送多种运行信号给变频器，物料经光电传感器转换成电信号驱动传送带开始工作，电机以固定频率运行，几秒后，提升电机运行频率到某一值并固定，再过几秒，降低电机运行频率到某一值，此时按下电机“停止”按钮，电机停止运转。

物料自动检测分类控制模块则是以分拣机械手为工具，从生产线的传送带上提取物料。根据要求，系统通过多种传感器，如电容传感器、颜色传感器等进行物料分类，并将物料信息自动存储到处理器。如果检测到的信息存在错误，则分拣机械手自动将物料送回，并在逆向经过传送带时重新检测物料类型。

物料的自动入库控制模块是指物料分类结束后，通过传感器对物料进行检测，然后分装入库。但入库时应该注意，入库应该对应空层，如果该层非空，那么库会自动旋转直到空层出现再进行物料入库操作；进入仓库的货物应该配备相应的库属性，以此确保入库正确；物料进入仓库时，如果库的旋转方向与层定位一致，则库停止旋转，以此避免硬件产生冲突。

4 结束语

以PLC为核心的自动分拣系统不仅能够实现物料的自动分拣，还能实现分类入库的功能，同时极大降低运行成本，提高生产效率以及可靠性。实践证明：基于PLC的自动分拣系统不仅能够极大地方便操控电机的启停，更能够有效降低能源消耗，同时还能够对传送装置进行精确控制并能有效控制电机的传动位移，极大地提高物料分拣的准确率和效率。