基于plc的物流分拣系统设计 - 图文

摘要

本文重点提出了调查单位材料的控制机制组合排序,并将分拣操作过程理解为订单的到达过程, 每个分拣器类型订单的服务过程和分拣机器之间的转换过程。在控制过程中分拣器的分类线分为优先级分拣器和普通分拣器，优先级分拣器使用完整服务控制, 普通分拣器使用有限的服务(k = 1),适用于查询服务体系理论,通过嵌入式马尔可夫链和概率生成函数建立系统的数学模型,精确解决控制机制模型和第一和第二查询系统的特征参数,结合实际生产订单的优先级参数选择进行仿真分析。

关键词：拣选，查询机制，中等优先级查询。

Abstract

Abstract—The paper proposed the priority polling control mechanism of the unit material combinations sorting lines, and sorters operating process is understood to be the arrival process of orders, service process of each sorter sorts orders and the conversion process between sorting machines. Control process, sorters of the combined sorting lines are divided into the priority sorters and ordinary sorters, priority sorters use full service control, ordinary sorters use limited service (k = 1), applies the polling service system theory, through the embedded Markov chain and probability generating function to establish the mathematical model of the system, the exact solution of the control mechanism of the polling system model and the first and second characteristic parameters, combined with the actual production priority parameters of orders picking for simulation analysis.

Index Terms—Order Picking; Polling Mechanism;Secondary Priority Polling

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目录

摘要 ...................................................................................................................... 1

1绪论 ........................................................................................................... 4 1.1物流分拣系统简介 ................................................................................ 4 1.2物流分拣系统的发展及应用情况 ........................................................ 4 1.3分拣系统的意义 .................................................................................... 5 2物流分拣系统的结构和运行原理 ........................................................... 7 2.1物流分拣系统的结构 ............................................................................ 7 2.1.1传送带与电机简介 ..................................................................................... 7 2.1.2传感器简介 ............................................................................................... 10 2.1.3可编程控制器（PLC）简介 ................................................................... 10 2.1.4电磁阀 ....................................................................................................... 12

2.2物流分拣系统的运行原理 .................................................................. 14 3物流分拣系统中硬件选择设计 ............................................................. 15 3.1传送带与电机的选择 .......................................................................... 15 3.2电机启动控制 ...................................................................................... 17 3.3传感器的选择 ...................................................................................... 17 3.4可编程控制器的选择 .......................................................................... 19 3.4.1输入输出I/O点的估算 ........................................................................... 19 3.4.2储存容量的估算 ....................................................................................... 19 3.4.3控制功能的选择 ....................................................................................... 20 3.4.4可编程控制器接线图 ............................................................................... 21

3.5电磁阀的选择 ...................................................................................... 21 3.6电气控制柜设计 .................................................................................. 25 4物流分拣系统软件设计 ......................................................................... 26 4.1物流分拣系统的控制要求 .................................................................. 26 4.2物流分拣系统流程图 .......................................................................... 27 4.3软件设计及编程 .................................................................................. 27 4.4梯型图 .................................................................................................. 29 5总结 ......................................................................................................... 31 致谢 ............................................................................................................ 32 参考文献 .................................................................................................... 33

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附录 ............................................................................................................ 35 附录Ⅰ ........................................................................................................ 35 附录Ⅱ ........................................................................................................ 36

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1绪论

1.1物流分拣系统简介

物流分拣系统分为：人工物流分拣系统和物流自动分拣系统两种。随着社会的进步和发展，人工物流分拣系统在生产生活中的应用还占很大一部分。人工分拣系统的步骤一般是：拣配，发票，道口，运输，储存或反检。自动物流自动化分拣系统是集系统工程、电子工程、机械工程、信息识别、自动通讯和控制、动力驱动和计算机技术于一身的高新技术系统。

自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。 控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。

分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。分类装置的种类很多，一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种，不同的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。

输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品贯通过控制装置、分类装置，并输送装置的两侧，一般要连接若干分拣道口，使分好类的商品滑下主输送机（或主传送带）以便进行后续作业。

分拣道口是已分拣商品脱离主输送机（或主传送带）进入集货区域的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。

以上四部分装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。

1.2物流分拣系统的发展及应用情况

在物流分拣行业开始的早期大家都是使用人工分拣系统来进行作业。人工

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方式拣取：通常小体积、少批量、搬运重量在人力范围内拣出货频率不是特别高的，可以采取手工方式拣取；随着工作量的增加和工作效率要求的提高，人们开始加入机械辅助人工作业大大提高了工作效率和工作量。机械辅助作业：对于体积大、重量大的货物可以利用升降叉车等搬运机械辅助作业。随着商品品种的日益丰富和社会需求个性化的发展，简单的人工分拣或机械分拣已不能完全满足高速、准确的分拣要求，自动化分拣系统越来越广泛地运用于不同的物流中心，为实现高效率、高质量的物流服务起到重要的作用。

自动分拣系统是二次大战后率先在美国、日本的物流中心中广泛采用一种自动化作业系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。该系统的作业过程可以简单描述如下：流动中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点(如指定的货架、加工区域、出货站台等)，同时，当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短时间内从庞大的高层货架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送进点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。在现代，许多大型的工业生产中应用到了物流分拣系统。物流分拣系统在不断的应用中日趋完善。

1.3分拣系统的意义

二次大战以后，自动分拣系统逐渐开始在西方发达国家投入使用，成为发达国家先进和物流中心，配送中心或流通中心所必需的设施条件之一。

（1）能连续、大批量地分拣货物 由于采用大生产中使用的流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，它可以连续运行100个小时以上，每小时可分拣7000件包装商品，如用人工分拣则每小时只能分拣150件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。

（2） 分拣误差率极低 自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，则误差率在3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有差错，否则不会出错。因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。

（3）分拣作业基本实无人化 国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了

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口，控制各种类型的机械设备或生产过程。

可编程逻辑控制器简称PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）。随着科学技术的发展，为适应多品种，小批量生产的需求而产生发展起来的一种新型的工业控制装置。

现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

（1）、常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

1987年国际电工委员会（IEC）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种数字运算操作的电子的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入(I)和输出(O)接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。”

PLC的基本机构：从PLC的硬件结构形式上，PLC可以分为整体固定I/O型，基本单元加扩展型，模块式，集成式，分布式5种基本结构形式。

编程器输入电路中央处理单元（CPU）输出电路电源系统程序处理器用户程序处理器

图3、PLC结构框图

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（2）、可编程控制器PLC由：中央处理单元(CPU)；存储器；输入输出接口（I/O模块）；通信接口；电源等部分组成。

（3）、PLC具有：可靠性高，抗干扰能力强；硬件配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；容易改造；体积小，重量轻，能耗低等特点。

2.1.4电磁阀

电磁阀（Electromagnetic valve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

（1）、电磁阀的工作原理是：电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

1、电磁阀从原理上分为三大类： 1）、直动式电磁阀

原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。 2）、分步直动式电磁阀

原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。

特点：在零压差或真空、高压时亦能可*动作，但功率较大，要求必须水平安装。

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3）、先导式电磁阀

原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关 闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。

特点：流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。

（2）、电磁阀从阀结构和材料上的不同与原理上的区别，分为六个分支小类：直动膜片结构、分步直动膜片结构、先导膜片结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。

（3）、电磁阀按照功能分类：水用电磁阀、蒸汽电磁阀、制冷电磁阀、低温电磁阀、燃气电磁阀、消防电磁阀、氨用电磁阀、气体电磁阀、液体电磁阀、微型电磁阀、脉冲电磁阀、液压电磁阀 常开电磁阀、油用电磁阀、直流电磁阀、高压电磁阀、防爆电磁阀等。

（4）、从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类（直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构)，按照气路数分为2位2通，2位3通，2位4通，2位5通。 电磁阀分为单电控和双电控，指的是电磁线圈的个数，单线圈的称为单电控，双线圈的称为双电控，2位2通，2位3通一般时是单电控（单线圈），2位4通，2位5通可以是单电控（单线圈），也可以是双电控（双线圈）。

（5）、按电磁阀的使用材质不同可分为：铸铁体（灰口铸铁、球墨铸铁）、铜体（铸铜、锻铜）、铸钢体、全不锈钢体（304、316）、非金属材料（ABS、聚四氟乙烯）。

（6）、按管道中介质的压力不同可分为：真空型（-0.1~0Mpa）、低压型（0~0.8Mpa）、中压型（1.0~2.5Mpa）、高压型（4.0~6.4Mpa）、超高压型（10~21Mpa）

（7）、按介质温度不同可分为：常温型（~）、中温型（~）、高温型（~）、超高温型（~）、低温型（~）、超低温型（）。

（8）、按工作电压不同分为：交流电压：AC220V 380V 110V 24V；直流电压： DC24V 12V 6V 220V；一般常用电压为AC220V DC24V，推荐用户尽量选用常用电压、特殊电压供货周期较长。

（9）、按电磁阀的防护等级可分为：防爆型、防水型、户外型等。

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2.2物流分拣系统的运行原理

（1）、传送带自动传送，速度在设计初期为设定好的。

（2）、在检测位置安装传感器，分别为检测物块有无得压力传感器和检测铁块的霍尔接近开关。

（3）、编制程序 （4）、接通电源

（5）、物块进入入口传送端传送带。

（6）、运行方式：物块在进入传送带后开始进入系统。在进入入库端末端的时候有压力传感器检测是否真有物块到来，若有物块被检测则电磁阀打开送物块进入合流端，在合流端会将三个进口的物块合并到一起通过与入口端的传送速度差来进行调节物块的距离，物块在经过合流端之后进入分拣区，由霍尔传感器进行分拣，传感器有动作则电磁阀动作传送出铁块，若传感器没有信号发出则将铝块自行运送到铝块区域。期间传感器与电磁阀的动作由PLC进行控制。

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3物流分拣系统中硬件选择设计

3.1传送带与电机的选择

物流分拣系统中所需要的传送带与电机要严格按照设计要求进行选择使用。这样既可以保证系统的安全可靠的运行也能减少不必要的费用。

（1）、首先我们要了解电机与传送带的选型原则，电机在选择的过程中我们应该遵循以下几项原则：

1、首先要满足生产机械工作过程中的各种要求。

2、选择具有与使用场所的环境相适应的防护方式及冷却方式的电动机。 3、计算相确定合适的电动机容量。通常设计制造的电动机，在75%~100% 额定负载率时，效率最高。因此应使设备需求的容量与被选电机的容量差值为最小，使电机的功率被充分利用。

4、选择可靠性高、便于维护的电动机。 5、考虑到互换性，尽量选择标准电动机。

6 、为使整个系统高效率运行，要综合考虑电机的极数及电压等级。 根据以上电机选型原则和本次物流分拣系统的设计要求，决定采用西玛电机。YJTG系列变频调速三相异步电动机是为了适应市场的需要，在引进国外先进技术以及西玛电机公司多年经验生产。YJTG系列变频调速三相异步电动机与变频装置构成的调速系统，与其他调速方式相比，节能效果显著，调速性能好，调速范围广，具有噪音低振动小，可与国内外各种变频设备配套的特点，可广泛应用于轻工、纺织、化工、冶金 、机床等行业的恒转矩、恒功率从调速的场合及风机、水泵等的节能调速，有助于实现调速系统的自动化控制。

根据了解此次物流分拣系统选用YJTG225S—8电机。

（2）、该电机使用条件为：海拔不超过1000M；环境空气温度随季节而变化但不能超过40摄氏度，最低不能低于-15摄氏度；最湿月平均相对湿度为90%，同时该月月平均最低温度不高于25摄氏度。

（3）、YJTG225S—8电机结构型式：外科防护等级为IP44，也可按用户要求制成IP54；冷却方式为全封闭带轴流通风机冷却；根据用户要求可带各种高分辨率的传感器；根据用户要求可带电磁制动器；从轴端视之，电极接线盒位于基座右侧，可按用户要求调整。

（4）、YJTG225S—8电机主要技术性能：电机为连续工作机制；额定电压为380V，额定频率为50HZ，可根据用户要求设定额定点的电压和频率；绝缘

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3.4.4可编程控制器接线图

可编程控制器外围接线图如图7所示：

图7、可编程控制器接线图

3.5电磁阀的选择

电磁阀是本次物流分拣系统中不可缺少的重要的组成部分。在选择电磁阀时要严格按照选型要求进行选择，要确保能够符合物流分拣系统要求的基础。

电磁阀的选型原则 （1）、安全性：

1、腐蚀性介质：宜选用塑料王电磁阀和全不锈钢；对于强腐蚀的介 质必须选用隔离膜片式。中性介质，也宜选用铜合金为阀壳材料的电磁阀，否则，阀壳中常有锈屑脱落，尤其是动作不频繁的场合。氨用阀则不能采用铜材。

2、爆炸性环境：必须选用相应防爆等级产品，露天安装或粉尘多场合应选用防水，防尘品种。

3、电磁阀公称压力应超过管内最高工作压力。 （2）、适用性： 1、介质特性

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1）质气，液态或混合状态分别选用不同品种的电磁阀；

2）介质温度不同规格产品，否则线圈会烧掉，密封件老化，严重影响寿命命；

3）介质粘度，通常在50cSt以下。若超过此值，通径大于15mm时，用多功能电磁阀；通径小于15mm时，用高粘度电磁阀。

4）介质清洁度不高时都应在电磁阀前配装反冲过滤阀，压力低时，可选用直动膜片式电磁阀；

5）介质若是定向流通，且不允许倒流，需用双向流通； 6）介质温度应选在电磁阀允许范围之内。 2、管道参数

1）根据介质流向要求及管道连接方式选择阀门通口及型号； 2）根据流量和阀门Kv值选定公称通径，也可选同管道内径；

3）工作压差：最低工作压差在0.04Mpa以上是可选用间接先导式；最低工作压差接近或小于零的必须选用直动式或分步直接式。

3、环境条件

1）环境的最高和最低温度应选在允许范围之内；

2）环境中相对湿度高及有水滴雨淋等场合，应选防水电磁阀；

3）环境中经常有振动，颠簸和冲击等场合应选特殊品种，例如船用电磁阀； 4）在有腐蚀性或爆炸性环境中的使用应优先根据安全性要求选用耐发蚀型；

5）环境空间若受限制，需选用多功能电磁阀，因其省去了旁路及三只手动阀且便于在线维修。

4、电源条件

1）根据供电电源种类，分别选用交流和直流电磁阀。一般来说交流电源取用方便；

2）电压规格用尽量优先选用AC220V.DC24V；

3）电源电压波动通常交流选用+%.-15%，直流允许±左右，如若超差，须采取稳压措施；

4）应根据电源容量选择额定电流和消耗功率。须注意交流起动时VA值较高，在容量不足时应优先选用间接导式电磁阀。

5.控制精度

1）普通电磁阀只有开、关两个位置，在控制精度要求高和参数要求平稳时需选用多位电磁阀；

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2）动作时间：指电信号接通或切断至主阀动作完成时间； 3）泄漏量：样本上给出的泄漏量数值为常用经济等级。 （3）、可靠性：

1、工作寿命，此项不列入出厂试验项目，属于型式试验项目。为确保质量应选正规厂家的名牌产品。

2、工作制式：分长期工作制，反复短时工作制和短时工作制三种。对于长时间阀门开通只有短时关闭的情况，则宜选用常开电磁阀。

3、工作频率：动作频率要求高时，结构应优选直动式电磁阀，电源听优选交流。

4、动作可靠性

严格地来说此项试验尚未正式列入中国电磁阀专业标准，为确保质量应选正规厂家的名牌产品。有些场合动作次数并不多，但对可靠性要求却很高，如消防、紧急保护等 ，切不可掉以轻心。特别重要的，还应采取两只连用双保险。

（4）、经济性：

它选用的尺度之一，但必须是在安全、适用、可靠的基础上的经济。 经济性不单是产品的售价，更要优先考虑其功能和质量以及安装维修及其它附件所需用费用。

更重要的是，一只电磁阀在整个自控系统中在整个自控系统中乃至生产线中所占成本微乎其微，如果贪图小便宜错选而造成损害群是巨大的。

在选用电磁阀时根据系统设计要求我们选用二位五通电磁阀。此类电磁阀有正反转两个线圈，非常有利于系统控制。

由图8我们可以看出该电磁阀为两个线圈，这是便于我们的控制进行的选择。由图可见，给正动作线圈通电，则正动作气路接通(正动作出气孔有气)，即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给反动作线圈通电为止。 给反动作线圈通电，则反动作气路接通(反动作出气孔有气)，即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给正动作线圈通电为止。这相当于“自锁”。 基于两位五通双电控电磁阀的这种特性，在设计机电控制回路或编制PLC程序的时候，可以让电磁阀线圈动作1~2秒就可以了，这样可以保护电磁阀线圈不容易损坏。

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图8、二位五通电磁阀

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3.6电气控制柜设计

电气控制设计如图9所示：

图9、电气控制柜

该电气控制柜外形尺寸为：800*600*1800，箱体颜色为驼灰色。

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4物流分拣系统软件设计

4.1物流分拣系统的控制要求

本课题是基于区分材料材质的不同而设计的材料分拣系统，主要是实现对铁质、铝质材料的自动分拣，具体控制过程为：

（1）接通电源，按下启动开关，系统进入启动状态，指示灯绿灯亮。 （2）系统启动后，传送带由通电电机带动进行传送工作。

（3）系统启动后，压力传感器检测物块是否存在，如果存在则闸门打开进入合流端。

（4）当霍尔感传感器检测到铁质材料时，且其对应的接近开关感应到材料接近，则电磁阀打开将铁块运出。

（5）下一步是将剩余的物块运出系统。

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4.2物流分拣系统流程图

图10、物流分拣系统流程图

4.3软件设计及编程

此次物流路分拣系统的T型图的书写应用的是西门子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9软件。它与所选择的S7—200是配合使用的。

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图11、TEP 7 MicroWIN SP9软件主界面

图12、TEP 7 MicroWIN SP9软件指令集

对于控制系统的程序编辑我们必须通过TEP 7 MicroWIN SP9软件的指令集配合自己所学的PLC知识来进行书写。

T型图的书写要注意一下要求： 1、信号由左向右传递；

2、从每个梯级以及节点开始，以线圈或功能指令结束；

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3、继电器节点可以使用无数次，但继电器线圈在程序中只能使用一次； /4、T型图总是以END指令结束；

5、工作位（中间继电器）、定时器和计数器等功能性指令不能直接产生输出，必须使用OUT指令才能输出。

6、在梯级中既要考虑一个指令的得电条件（相当于指令起作用）还要考虑失电条件（相当于指令失去作用）。只有将得电条件和失电条件都考虑全了，则一个梯级的编程就完成了。

4.4梯型图

根据分拣系统的要求设计出梯形图，梯形图的程序如下：

图13、闸门1的控制梯型图

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图13只是代表了闸门1的控制顺序与程序，其他的控制T型图见附录Ⅱ。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fv5x.html