1、引言

　　自動(dòng)分揀系統(tǒng)(Automatic sorting system)是先進(jìn)配送中心所必需的設(shè)施條件之一。它具有很高的分揀效率，通常每小時(shí)可分揀商品6000-12000箱，可以說，自動(dòng)分揀機(jī)是提高物流配送效率的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。

　　目前自動(dòng)分揀已逐漸成為主流，因?yàn)樽詣?dòng)分揀是從貨物進(jìn)入分揀系統(tǒng)送到指定的分配位置為止，都是按照人們的指令靠自動(dòng)分揀裝置來完成的。這種裝置是由接受分揀指示情報(bào)的控制裝置、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，把到達(dá)分揀位置的貨物送到別處的搬送裝置。由于全部采用機(jī)械自動(dòng)作業(yè)，因此，分揀處理能力較大，分揀分類數(shù)量也較多。

　　隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，市場的競爭也越來越激烈，因此各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)都迫切地需要改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，尤其在需要進(jìn)行材料分揀的企業(yè)，以往一直采用人工分揀的方法，致使生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，企業(yè)的競爭能力差，材料的自動(dòng)分揀已成為企業(yè)的唯一選擇。

　　物料分揀采用可編程控制器PLC進(jìn)行控制，能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，可顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。而且，分揀系統(tǒng)能靈活地與其他物流設(shè)備無縫連接，實(shí)現(xiàn)對物料實(shí)物流、物料信息流的分配和管理。

　　PLC控制分揀裝置涵蓋了PLC技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、位置控制技術(shù)等內(nèi)容，是實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的微縮模型。應(yīng)用PLC技術(shù)結(jié)合氣動(dòng)、傳感器和位置控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)不同類型材料的自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的靈活性較強(qiáng)，程序開發(fā)簡單，可適應(yīng)進(jìn)行材料分揀的彈性生產(chǎn)線的需求。

2、材料分揀裝置結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計(jì)

　　要想進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先必須對控制對象進(jìn)行調(diào)查，搞清楚控制對象的工藝過程、工作特點(diǎn)，明確控制要求以及各階段的特點(diǎn)和各階段之間的轉(zhuǎn)換條件。

2.1、材料分揀裝置工作過程概述

如圖1所示為本分揀裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1  材料分揀裝置結(jié)構(gòu)示意圖

　　它采用臺(tái)式結(jié)構(gòu)，內(nèi)置電源，有步進(jìn)電機(jī)、汽缸、電磁閥、旋轉(zhuǎn)編碼器、氣動(dòng)減壓器、濾清器、氣壓指示等部件，可與各類氣源相連接。選用顏色識(shí)別傳感器及對不同材料敏感的電容式和電感式傳感器，分別固定在網(wǎng)板上，且允許重新安裝傳感器排列位置或選擇網(wǎng)板不同區(qū)域安裝。

　　系統(tǒng)上電后，可編程序控制器首先控制啟動(dòng)輸送帶，下料傳感器SN檢測料槽有無物料，若無料，輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)周期后自動(dòng)停止等待下料；當(dāng)料槽有料時(shí)，下料傳感器輸出信號(hào)給PLC，PLC控制輸送帶繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)控制氣動(dòng)閥5進(jìn)行下料，每次下料時(shí)間間隔可以進(jìn)行調(diào)整。物料傳感器 SA為電感傳感器，當(dāng)檢測出物料為鐵質(zhì)物料時(shí)，反饋信號(hào)送PLC，由PLC控制氣動(dòng)閥 1 動(dòng)作選出該物料；物料傳感器SB為電容傳感器，當(dāng)檢測出物料為鋁質(zhì)物料時(shí)，反饋信號(hào)送PLC，PLC控制氣動(dòng)閥2動(dòng)作選出該物料；物料傳感器SC為顏色傳感器，當(dāng)檢測出物料的顏色為待檢測顏色時(shí)，PLC控制氣動(dòng)閥3動(dòng)作選出該物料。物料傳感器SD為備用傳感器。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定為分揀某種顏色的金屬或非金屬物料時(shí)，由程序記憶各傳感器的狀態(tài)，完成分揀任務(wù)。

2.2、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求主要包括功能要求和控制要求。

2.2.1、 功能要求  

材料分揀裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)基本功能如下：

第一，分揀出金屬和非金屬；

第二，分揀某一顏色塊；

第三，分揀出金屬中某一顏色塊；

第四，分揀出非金屬中某一顏色塊；

第五，分揀出金屬中某一顏色塊和非金屬中某塊一顏色。

2.2.2、 系統(tǒng)的控制要求

系統(tǒng)利用各種傳感器對待測材料進(jìn)行檢測并分類。當(dāng)待測物體經(jīng)下料裝置送入傳送帶后，依次接受各種傳感器檢測。如果被某種傳感器測中，通過相應(yīng)的氣動(dòng)裝置將其推入料箱；否則，繼續(xù)前行。其控制要求有如下9個(gè)方面：

第一，系統(tǒng)送電后，光電編碼器便可發(fā)生所需的脈沖；

第二，電機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)傳輸帶傳送物體向前運(yùn)行；

第三，有物料時(shí)，下料汽缸動(dòng)作，將物料送出；

第四，當(dāng)電感傳感器檢測到鐵物料時(shí)，推汽缸1動(dòng)作；

第五，當(dāng)電容傳感器檢測到鋁物料時(shí)，推汽缸動(dòng)作；

第六，當(dāng)顏色傳感器檢測到材料為某一顏色時(shí)，推汽缸3動(dòng)作；  

第七，其他物料被送到SD 位置時(shí)，推汽缸4動(dòng)作；

第八，汽缸運(yùn)行應(yīng)有動(dòng)作限位保護(hù)；

第九，下料槽內(nèi)無下料時(shí)，延時(shí)后自動(dòng)停機(jī)。

3、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)被控制對象對PLC控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設(shè)備，選擇合適的PLC類型，并分配I/O點(diǎn)。

　　PLC種類較多，主要有西門子、三菱、OMRON、FANAC、東芝等，但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、OMRON的PLC。在實(shí)際工作過程中，需要對整個(gè)控制過程進(jìn)行監(jiān)控，運(yùn)用組態(tài)軟件(MCGS)建立其實(shí)際的模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)畫面的設(shè)定與數(shù)據(jù)報(bào)表的輸出，完成一個(gè)較完整的監(jiān)控界面。

3.1、 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖2 所示。

圖2  系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2、 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1、PLC的選擇

　　根據(jù)上面所確定的I/ O 點(diǎn)數(shù)，且該材料分揀裝置的控制為開關(guān)量控制。綜合對比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西門子系列、OMRON系列中I/O點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)各型號(hào)的PLC的價(jià)格、性能、實(shí)用場合等各方面，選擇一般的小型機(jī)即可滿足控制要求。本系統(tǒng)選用西門子公司的S7-200系列CPU226 型PLC。

3.2.2、 PLC的輸入輸出端子分配

根據(jù)所選擇的PLC型號(hào)，對本系統(tǒng)中PLC的輸入端子分配如表1所示，輸出端子分配如表2所示。

表1 材料分揀裝置PLC 輸入端子分配表

表2 材料分檢裝置PLC輸出端子分配表

3.2.3、 PLC的輸入輸出端子分配

根據(jù)表1可以繪制出PLC的輸入輸出接線端子圖，如圖3所示。

圖3  系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

4、 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)是PLC控制系統(tǒng)的核心，程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)控制要求及工藝流程，畫出狀態(tài)流程圖并設(shè)計(jì)出梯形圖。

4.1、 控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

據(jù)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的要求，分析各個(gè)設(shè)備的操作內(nèi)容和操作順序，如圖4。

圖4　控制系統(tǒng)流程圖

　　該系統(tǒng)可選擇連續(xù)或單次運(yùn)行工作狀態(tài)。若為連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，則系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖中的汽缸4動(dòng)作后，程序再轉(zhuǎn)到開始;若為單次運(yùn)行，則汽缸4動(dòng)作后停機(jī)。如果需要，該系統(tǒng)可在分揀的同時(shí)對分揀的材料進(jìn)行數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，這只需在各汽缸動(dòng)作的同時(shí)累計(jì)即可。應(yīng)用高速計(jì)數(shù)器編制程序，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定位控制功能。用高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，來確定物料到達(dá)傳感器的距離，實(shí)現(xiàn)定位功能。定位時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器清零，傳感器開始工作，對物料進(jìn)行分揀處理。 在汽缸1～3動(dòng)作后，電機(jī)重新運(yùn)行，高速計(jì)數(shù)器也重新計(jì)數(shù)。如果相應(yīng)的傳感器沒有檢測到物體，則電機(jī)重新運(yùn)行，高速計(jì)數(shù)器也重新計(jì)數(shù)，繼續(xù)運(yùn)行到下一位置。如果只對材料的某一特性進(jìn)行分揀，比如只分揀金屬和非金屬，則只需對傳感器的安放或程序進(jìn)行修改即可。

4.2控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

下面對所編寫梯形圖作簡要的介紹：

第一：以上為主程序，首先I2.0啟動(dòng)后，M0.1得電并自鎖，為之后電動(dòng)機(jī)得電做好準(zhǔn)備，I2.1為停止按鈕。當(dāng)PLC處于RUN模式時(shí)，SM0.1通電一個(gè)周期，Q0.0復(fù)位清零，并調(diào)用子程序。

第二：以上為子程序中的高速脈沖指令，該程序先將控制脈沖指令的特殊功能寄存器進(jìn)行初始化，然后當(dāng)I0.0（下料傳感器）檢測到有料時(shí)，啟動(dòng)PLS（脈沖輸出）指令；如果I0.0檢測沒有物料時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器T30，延時(shí)30秒自動(dòng)停機(jī)。

第三：以上為子程序中的高速計(jì)數(shù)指令，首先進(jìn)行高速計(jì)數(shù)指令的初始化操作，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)光電碼盤發(fā)出脈沖，并輸入PLC的接收端，由高速計(jì)數(shù)指令進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的步數(shù)，進(jìn)行定位控制。其中設(shè)定預(yù)置值為50，當(dāng)計(jì)數(shù)至50時(shí)，調(diào)用中斷程序。

第四：以上為中斷程序，當(dāng)高速計(jì)數(shù)指令計(jì)數(shù)至預(yù)置值時(shí)，這時(shí)物料移動(dòng)至傳感器的位置，M0.0得電，導(dǎo)致高速脈沖輸出停止，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)。由于汽缸動(dòng)作需要1秒，讓電機(jī)停轉(zhuǎn)一秒后繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)物料被相應(yīng)的傳感器檢測中后，相應(yīng)的汽缸動(dòng)作，將物料推下。I1.3，I1.4，I1.5，I1.6，I1.7為汽缸的回位限位開關(guān)，初始狀態(tài)為閉合，I0.6，I0.7，I1.0，I1.1，I1.2為汽缸的動(dòng)作限位開關(guān)，初始狀態(tài)為關(guān)斷。汽缸動(dòng)作時(shí)，回位限位開關(guān)關(guān)斷，到達(dá)動(dòng)作限位開關(guān)時(shí)，動(dòng)作限位開關(guān)閉合。

結(jié) 論

　　物料分揀采用可編程控制器PLC進(jìn)行控制，能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，可顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。而且，分揀系統(tǒng)能靈活地與其他物流設(shè)備無縫連接，實(shí)現(xiàn)對物料實(shí)物流、物料信息流的分配和管理。其設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的組裝，具有系統(tǒng)布局靈活，維護(hù)、檢修方便等特點(diǎn)，受場地原因影響不大。同時(shí)，只要根據(jù)不同的分揀對象，對本系統(tǒng)稍加修改即可實(shí)現(xiàn)求。

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