呂慧敏北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京 100015

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基于PLC控制的物料分揀倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂慧敏
北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京 100015

摘 要：針對(duì)目前我國(guó)勞動(dòng)力數(shù)量大量減少，用工成本大幅增加的情況，為降低用工成本，提升生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足社會(huì)化物流需求，基于PLC控制的物料分揀倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)物料的傳送、檢測(cè)、搬運(yùn)和存儲(chǔ)等功能。該系統(tǒng)選取西門(mén)子公司S7-200系列的226CN可編程序控制器作為控制器，該P(yáng)LC具有良好的性能、低廉的價(jià)格和網(wǎng)絡(luò)通訊功能。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的物料分揀，也可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，同時(shí)也能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)連接在一起，增加使用的靈活性，此外本系統(tǒng)提供接口單元，便于學(xué)生在本系統(tǒng)上開(kāi)展創(chuàng)新性的教學(xué)練習(xí)，提高學(xué)生的綜合能力。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化物料分揀倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)；自動(dòng)控制；可編程序控制器；傳感檢測(cè)

我國(guó)自動(dòng)化分揀倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用起步較晚，與國(guó)外相比約晚20年左右。前期主要受歷史因素影響，相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)只停留在研究階段，改革開(kāi)放以來(lái)，通過(guò)國(guó)外產(chǎn)品引進(jìn)及與國(guó)外專(zhuān)業(yè)廠商技術(shù)合作與交流，引入了國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和理念，國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)化分揀倉(cāng)儲(chǔ)的研制越來(lái)越成熟，應(yīng)用也越來(lái)越多。早期主要應(yīng)用于在郵政行業(yè)，生產(chǎn)和流通領(lǐng)域運(yùn)用的并不是太多。近幾年，分揀倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)由于它能有效地解決分揀倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程人工作運(yùn)行成本高、效率低等弊病，所以應(yīng)用越來(lái)越廣泛。傳統(tǒng)的自動(dòng)化分揀系統(tǒng)，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平不高，分揀的種類(lèi)不多和分揀精度不高，再加上PLC技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)都不夠完善。所以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)效果不是很明顯。傳統(tǒng)的物料分揀都是通過(guò)人工來(lái)進(jìn)行分揀的，這樣不但增加了人員的成本，而且分練速度和精確度都得不到保障。物料自動(dòng)分揀倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)能連續(xù)、大批量地分揀存儲(chǔ)貨物，由于采用流水線(xiàn)自動(dòng)作業(yè)方式，并不受氣候、環(huán)境、時(shí)間、人的體力等限制，可以連續(xù)運(yùn)行。

本文設(shè)計(jì)的物料分揀倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)物系統(tǒng)，是涵蓋了PLC技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)的綜合系統(tǒng)。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械化程度的逐步提高，分工也越來(lái)越細(xì)，本系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用到物料分揀倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域，對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中需要重復(fù)分揀某些特征明顯物料有重要的現(xiàn)實(shí)意義，該系統(tǒng)的應(yīng)用可以減少成本和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

1　系統(tǒng)硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)是包含PLC、傳感器、變頻器、變頻調(diào)速、步進(jìn)電機(jī)及氣動(dòng)等技術(shù)的綜合應(yīng)用的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部含有網(wǎng)絡(luò)接口可組成可編程序控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示，主要由控制單元、物料分揀單元、平面?zhèn)}儲(chǔ)單元、接口單元等組成。

圖1　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖

控制單元由電源模塊、2 臺(tái)PLC組成。電源模塊選用開(kāi)關(guān)電源，主要作用是為系統(tǒng)提供直流24 V 的電源。系統(tǒng)選用PLC型號(hào)為西門(mén)子S7-226cn型，2 臺(tái)PLC主要是用于分別控制平面?zhèn)}儲(chǔ)單元和物料分揀單元，然后通過(guò)PLC 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC 之間的相互通訊，完成系統(tǒng)的統(tǒng)一動(dòng)作。PLC 之間的網(wǎng)絡(luò)根據(jù)PLC 的機(jī)型特點(diǎn)，選用PPI網(wǎng)絡(luò)方式。

物料分揀單元由傳送帶、氣動(dòng)機(jī)械手、傳感器組、變頻器、交流電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、井式出料塔、氣動(dòng)推料機(jī)構(gòu)等組成。其中變頻器、旋轉(zhuǎn)編碼器、交流電機(jī)與PLC 組成帶位置反饋的速度控制系統(tǒng)。傳感器組由電容傳感器、電感傳感器、顏色傳感器、光電傳感器組成，根據(jù)3種傳感器檢測(cè)的不同結(jié)果，我們可以識(shí)別貨物的顏色、材質(zhì)、數(shù)量等屬性。

倉(cāng)儲(chǔ)單元由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、平面庫(kù)、直線(xiàn)導(dǎo)軌、氣動(dòng)入庫(kù)機(jī)構(gòu)等組成。通過(guò)控制氣動(dòng)入庫(kù)機(jī)構(gòu)在直線(xiàn)導(dǎo)軌上的位移，實(shí)現(xiàn)不同貨物進(jìn)入到不同的倉(cāng)位。

接口單元采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)所有控制線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)均通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)引到面板上來(lái)，因此在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需要在面板上接線(xiàn)即可。

2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

2.1物料分揀單元

物料分揀單元由傳送帶單元，機(jī)械手單元、傳感器單元、井式出料單元、變頻器單元等部件構(gòu)成。物料分揀單元是用來(lái)檢測(cè)貨物的材質(zhì)屬性，將系統(tǒng)中不同的貨物進(jìn)行分類(lèi)，然后按照其屬性分類(lèi)將不同的貨物按不同的標(biāo)識(shí)送達(dá)到下一個(gè)單元中去。

貨物出庫(kù)主要由井式出料單元完成。井式出料單元主要由井式儲(chǔ)料塔、推料氣缸、傳感器檢測(cè)單元等組成。井式儲(chǔ)料塔用于存放待檢測(cè)貨物，推料氣缸用于將貨物從儲(chǔ)料塔送入到傳送帶上面去。傳感器單元主要是用于檢測(cè)貨物存儲(chǔ)情況以及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)物料進(jìn)入到儲(chǔ)料塔中時(shí)，推料氣缸就會(huì)在系統(tǒng)的控制下將貨物送入到傳送帶。

傳送貨物主要由傳送帶單元完成其過(guò)程。傳送帶單元由交流電機(jī)、帶式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器定位單元、旋轉(zhuǎn)編碼器單元等組成。交流電機(jī)采用變頻器進(jìn)行控制，利用PLC 本身自帶的PWM 功能進(jìn)行調(diào)速控制。當(dāng)系統(tǒng)需要處理的貨物數(shù)目較多時(shí)，傳送帶速度提高，否則速度減小。

貨物定位主要由旋轉(zhuǎn)編碼定位單元完成其功能。旋轉(zhuǎn)編碼定位單元由旋轉(zhuǎn)編碼器、同軸連接器等組成。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器也通過(guò)同軸連接器與電機(jī)保護(hù)同步，同時(shí)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度位移轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)反饋到PLC 單元中去。當(dāng)貨物在傳送帶上運(yùn)行時(shí)，通過(guò)PLC 的高數(shù)計(jì)數(shù)功能就能夠準(zhǔn)確識(shí)別貨物的移動(dòng)距離，從而實(shí)現(xiàn)定位控制。

檢測(cè)貨物主要由傳感器單元完成其過(guò)程。傳感器單元由電感傳感器、電容傳感器、顏色傳感器、安裝支架、網(wǎng)孔板等部件組成。當(dāng)貨物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后，各檢測(cè)元件分別檢測(cè)貨物的材質(zhì)屬性，并將其數(shù)據(jù)傳送到PLC 中去，并記錄于PLC 存儲(chǔ)區(qū)中。

搬運(yùn)貨物主要由氣動(dòng)機(jī)械手完成其過(guò)程。氣動(dòng)機(jī)械手由升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、安裝支架等部件組成。當(dāng)貨物到達(dá)指定位置后，升降機(jī)構(gòu)下降并夾緊貨物，運(yùn)動(dòng)到位后旋轉(zhuǎn)到下一工位完成搬運(yùn)過(guò)程。

2.2平面?zhèn)}儲(chǔ)單元

平面?zhèn)}儲(chǔ)單元由平面?zhèn)}庫(kù)系統(tǒng)、直線(xiàn)導(dǎo)軌送料單元、步進(jìn)電機(jī)單元、氣動(dòng)單元、傳感器單元等組成。平面?zhèn)}儲(chǔ)單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀取上一單元的工作信號(hào)及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)值，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定將不同標(biāo)識(shí)的貨物送入到不同的倉(cāng)庫(kù)中。

當(dāng)物料分揀單元進(jìn)入工作狀態(tài)以后，平面?zhèn)}儲(chǔ)單元自動(dòng)完成復(fù)位操作，送料機(jī)構(gòu)回到系統(tǒng)的原點(diǎn)。當(dāng)機(jī)械手單元將貨物移動(dòng)到下一個(gè)單元時(shí)，系統(tǒng)將貨物的屬性標(biāo)識(shí)、當(dāng)前狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳送到平面?zhèn)}儲(chǔ)單元，平面?zhèn)}儲(chǔ)單元就會(huì)根據(jù)參數(shù)進(jìn)行控制。在直線(xiàn)導(dǎo)軌上總共有10個(gè)運(yùn)動(dòng)工位，分為原點(diǎn)、接貨區(qū)、倉(cāng)位1區(qū)、倉(cāng)位2區(qū)、倉(cāng)位3區(qū)、倉(cāng)位4區(qū)、倉(cāng)位5區(qū)、倉(cāng)位6區(qū)、倉(cāng)位7區(qū)、倉(cāng)位8區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，送料機(jī)構(gòu)位于原點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到位后，送料機(jī)構(gòu)位于接貨區(qū)，完成貨物的轉(zhuǎn)載后，根據(jù)貨物的標(biāo)識(shí)送入不同的倉(cāng)位中。送料機(jī)構(gòu)的定位是由步進(jìn)電機(jī)單元進(jìn)行控制。其定位點(diǎn)可根據(jù)系統(tǒng)的不同設(shè)定進(jìn)行手動(dòng)示教調(diào)整。

2.3控制單元

控制單元由兩臺(tái)PLC組成，也是本系統(tǒng)的核心。要求所用的主機(jī)必須具備網(wǎng)絡(luò)功能、高數(shù)計(jì)數(shù)功能、脈沖輸出功能、PWM 輸出功能等。在該系統(tǒng)中，選用西門(mén)子s7-200 CPU226型主機(jī)。該設(shè)備具備兩個(gè)通訊端口，分別用于網(wǎng)絡(luò)連接和編程通訊。在下載測(cè)試之前，需要檢查網(wǎng)絡(luò)電纜是否連接。如果進(jìn)行單元的分項(xiàng)測(cè)試，可以不接網(wǎng)絡(luò)電纜，直接將編程電纜PC/ PPI與上位機(jī)連接。

控制單元的所有IO接口都已經(jīng)與接口板上相對(duì)應(yīng)的端子相連接，因此在測(cè)試過(guò)程中不需要松動(dòng)端子排。在編寫(xiě)程序時(shí)，將PLC 置于“STOP”檔，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將PLC置于“RUN”檔。

2.4接口單元

接口單元由貨物分揀單元接口板和平面?zhèn)}儲(chǔ)單元接口板組成。該單元將所有元器件的接口都引到面板上，故學(xué)生進(jìn)行測(cè)試操作時(shí)，只需要將相對(duì)應(yīng)的端子用安全接插線(xiàn)進(jìn)行連接，省去了元器件接線(xiàn)的麻煩。為了學(xué)生接線(xiàn)方便，所有接線(xiàn)端子的底座都用顏色進(jìn)行標(biāo)記。例如PLC 的輸入端在面板上用藍(lán)色標(biāo)識(shí)，而面板上所有傳感器的輸出端、旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出端也是用藍(lán)色標(biāo)識(shí)；PLC 的輸出端在面板上用青色標(biāo)識(shí)，而變頻器、氣缸、步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)也是用青色標(biāo)識(shí)；電源輸出的正端是用紅色標(biāo)識(shí)，負(fù)端是用黑色標(biāo)識(shí)，因此其他器件的電源引線(xiàn)的正端是用紅色標(biāo)識(shí)，負(fù)端是用黑色標(biāo)識(shí)。

3　軟件設(shè)計(jì)

圖2　系統(tǒng)流程圖

根據(jù)前面講述的系統(tǒng)功能，物料先從分揀單元進(jìn)行分揀和檢測(cè)，通過(guò)機(jī)械手搬運(yùn)到下倉(cāng)儲(chǔ)單元，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)成主從站連接方式，分揀單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把對(duì)物料的檢測(cè)信息傳送給倉(cāng)儲(chǔ)單元，倉(cāng)儲(chǔ)單元根據(jù)物料的種類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)化分揀倉(cāng)儲(chǔ)。本系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

該流程圖要分別編輯到兩個(gè)PLC程序中，從M0.0 到M1.2的程序編輯存放在物料分揀單元中PLC中，從M1.3到M1.7的程序編輯在平面?zhèn)}儲(chǔ)單元中的PLC中。兩個(gè)PLC需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置，本系統(tǒng)以倉(cāng)儲(chǔ)單元為主站，分揀單元為從站，配置網(wǎng)絡(luò)通訊可以在指令向?qū)е羞x擇NETR/NETW，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)操作指令的向?qū)нM(jìn)行配置，如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡(luò)通訊指令向?qū)?/p>

4　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)2臺(tái)PLC組成一個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)，完成物料自動(dòng)傳送、識(shí)別、搬運(yùn)和分類(lèi)倉(cāng)儲(chǔ)功能。本系統(tǒng)在硬件選擇方面優(yōu)先考慮滿(mǎn)足功能要求，其次保證性能前提下選擇具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品，保證產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比。在控制器方面選取西門(mén)子公司S7-200系列的226CN可編程序控制器作為控制器，該P(yáng)LC具有良好的性能、低廉的價(jià)格和網(wǎng)絡(luò)通訊功能。該P(yáng)LC是我國(guó)企業(yè)中應(yīng)用廣泛的主流PLC，也是我校學(xué)生在學(xué)的PLC類(lèi)型，該控制器的選擇符合學(xué)生在校學(xué)習(xí)要求，也為畢業(yè)后參加工作崗位奠定基礎(chǔ)。本系統(tǒng)在控制功能方面可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的物料分揀，也可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，同時(shí)也能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)連接在一起，增加使用的靈活性，通過(guò)編程調(diào)試，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，功能實(shí)現(xiàn)良好。

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)適應(yīng)我國(guó)勞動(dòng)力數(shù)量減少，用工成本增加的情況，本系統(tǒng)能連續(xù)、大批量地分揀存儲(chǔ)貨物，采用流水線(xiàn)自動(dòng)作業(yè)方式，不受氣候、環(huán)境、時(shí)間、人的體力等限制，可以連續(xù)運(yùn)行。本系統(tǒng)的使用可以提升生產(chǎn)效率，大幅降低用工成本，滿(mǎn)足社會(huì)化物流需求。

本系統(tǒng)覆蓋知識(shí)點(diǎn)廣泛，涉及PLC、氣動(dòng)、位置控制等技術(shù)，學(xué)生可利用該設(shè)備進(jìn)行多種知識(shí)和技能的訓(xùn)練，利用系統(tǒng)提供接口單元，學(xué)生可以自主開(kāi)展創(chuàng)新性的教學(xué)練習(xí)，提高學(xué)生的綜合能力。

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Design and Implementation of Material Sorting and Storage System Based on PLC Control

Lv Huimin
Beijing Information Technology College， Beijing， 100015， China

Abstract:In view of China's labor quantity is reduced， labor costs increase greatly， the author is to reduce labor costs， improve production effciency，design to meet the needs of social logistics， based on PLC control of material sorting storage system， the system can realize the transmission of materials， inspection， handling and storage， and other functions. The system selects the S7-200 series of SIEMENS 226CN series PLC as controller，the PLC has good performance， low price and network communication function.This system can realize the separate material sorting， also can realize the separate storage system， but also through the network to connect two independent system， increase the use of fexibility， in addition the system provides interface unit， students in the system to carry out innovative teaching practice， improve students' comprehensive ability.

Key words:automatic material sorting and storage system； auto-control； programmable controller； sensing detection

收稿日期：2015-11-20

作者簡(jiǎn)介：呂慧敏，碩士，講師。