一種應(yīng)用三方通信技術(shù)的全自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方弄玉，傅沈文，鄒心遙，羅旭，劉宇容

(廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510507)

一種應(yīng)用三方通信技術(shù)的全自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方弄玉，傅沈文，鄒心遙，羅旭，劉宇容

(廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510507)

采用三方通信技術(shù)，將主站FX2N-48MRPLC與從站FX2N-16MRPLC、D700變頻器、觸摸屏通過(guò)三方通信方式連入通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了集輸送、姿勢(shì)判別、材質(zhì)判別、顏色判別、姿勢(shì)調(diào)整、次品剔除、分揀一體的全自動(dòng)分揀系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，硬件配置和三方通信方式、程序設(shè)計(jì)技巧等。試驗(yàn)證實(shí)，變頻器應(yīng)用傳送帶能保持工件安全、連續(xù)傳送，而且為系統(tǒng)節(jié)省能耗，變頻器程序采用多個(gè)命令格式(HF0)可以縮短程序掃描時(shí)間，減少繁瑣的程序編寫(xiě)，提高生產(chǎn)運(yùn)行效率；利用脈沖定位，可減少由于傳統(tǒng)時(shí)間定位引起的誤差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制；同時(shí)該系統(tǒng)可在傳送模塊中增加其他的傳感器，增加物流分揀的安全性；將通信技術(shù)拓展到無(wú)線通信，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)監(jiān)控，智能管理。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于物流分揀、工廠自動(dòng)化分揀生產(chǎn)線中。

三方通信； 自動(dòng)分揀系統(tǒng)；HF0格式；變頻器；PLC

0 引 言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物的迅速擴(kuò)張，網(wǎng)上零售市場(chǎng)的交易規(guī)模日益擴(kuò)大，增幅甚至高達(dá)162.38%[1],物流業(yè)的迅速發(fā)展與物流服務(wù)質(zhì)量下降的矛盾也開(kāi)始凸顯,因暴力分揀,貨物損壞等理由的投訴量明顯增加,民營(yíng)物流企業(yè)要在網(wǎng)購(gòu)環(huán)境下增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力、提高生產(chǎn)效率，保持可持續(xù)發(fā)展的重要途徑即實(shí)現(xiàn)分揀系統(tǒng)的自動(dòng)化。

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，具有高技術(shù)含量的自動(dòng)化處理模式逐漸取代人工處理模式，目前已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家大中型物流中心不可缺少的一部分[2]。

在國(guó)內(nèi)外，自動(dòng)分揀系統(tǒng)的研究很多：如楊丹丹[3]等設(shè)計(jì)了基于ARM的快遞貨物自動(dòng)分揀系統(tǒng)，以LPC2368微控制器為核心，該設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)方法體積小、成本低且效率高。陶秀義[4]等設(shè)計(jì)了一種卷煙分揀系統(tǒng)，能消除傳統(tǒng)分揀工藝中各工序之間的等待時(shí)間，可以大大提高分揀效率；吳穎穎[5]等對(duì)分區(qū)自動(dòng)揀選系統(tǒng)揀選策略進(jìn)行優(yōu)化研究，計(jì)算并證實(shí)兩種可靠的優(yōu)化策略； Ge P J[6]等設(shè)計(jì)了水果自動(dòng)分揀系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用型強(qiáng)，可靠性高，分揀錯(cuò)誤率少。

本文借鑒前人的優(yōu)秀設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，討論了一種應(yīng)用三方通信[7]技術(shù)的全自動(dòng)分揀系統(tǒng)方案，采用整體化設(shè)計(jì)思路，充分考慮了軟硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化，對(duì)工件的送出，傳送，材質(zhì)判別，顏色判別，姿勢(shì)判別、分揀，進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試證實(shí)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行可靠，同時(shí)拓展靈活。

1 基于三方通信的自動(dòng)分揀系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本研究綜合分析各類自動(dòng)分揀系統(tǒng)運(yùn)行情況，將自動(dòng)分揀系統(tǒng)的功能概括為送料、皮帶傳送，二自由度機(jī)械手搬運(yùn)、分揀等四大內(nèi)容[8-9]，其方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)由FX2N-48MRPLC, FX2N-16MRPLC、D700變頻器、威倫觸摸屏和三菱D700變頻器、各種傳感器組成，主站PLC負(fù)責(zé)工件傳送、判別和姿勢(shì)糾正工作，從站PLC負(fù)責(zé)工件的分揀，變頻器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳送帶的高、低速運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)10。

圖1 自動(dòng)分揀系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2 三方通信方式

FX系列可編程控制器(PLC)通信方式很多，如1:1通信，N:N通信, 無(wú)協(xié)議通信，計(jì)算機(jī)鏈接通信等[11](1-2,1-3,1-4)，各種通信方式適用于不同的通信情況，本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)主站PLC與從站變頻器，主站PLC與從站PLC之間的通信，需要使用三種通信協(xié)議，主站PLC通過(guò)無(wú)協(xié)議通信與從站PLC和從站變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，從站PLC、變頻器接收到主站數(shù)據(jù)或者需要向主站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主站PLC被看成一臺(tái)計(jì)算機(jī)，從站PLC遵循計(jì)算機(jī)鏈接通信協(xié)議格式，從站變頻器遵循變頻器專用通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

(1) 無(wú)協(xié)議通信

無(wú)協(xié)議通信[11](9-1)是指PLC用RS指令發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，，與計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行通信數(shù)據(jù)交互。如圖2所示，本設(shè)計(jì)中，主站發(fā)送數(shù)據(jù)給從站時(shí)，把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)以8位模式存儲(chǔ)于D1～D49地區(qū)域，然后再發(fā)送給從站，如讀從站數(shù)據(jù)，則存儲(chǔ)于D51～D76區(qū)域，本設(shè)計(jì)中主站給變頻器發(fā)送數(shù)據(jù)占用了D1～D19區(qū)域，主站給從站PLC發(fā)送通信請(qǐng)求讀D150數(shù)據(jù)時(shí)占用D 21～D37區(qū)域，主站向從站寫(xiě)入D149數(shù)據(jù)時(shí)占用了D21～D41區(qū)域。

圖2 無(wú)協(xié)議通信程序

(2)計(jì)算機(jī)鏈接通信

如圖3所示，計(jì)算機(jī)鏈接通信[11](7-1)用計(jì)算機(jī)做主機(jī)，通過(guò)RS485接口與16臺(tái)PLC組網(wǎng)，采用專用通訊協(xié)議，在計(jì)算機(jī)與PLC之間交換數(shù)據(jù)。此文中，主站PLC相當(dāng)從站的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，如本設(shè)計(jì)中主站PLC向從站請(qǐng)求讀取從站PLC中D150的數(shù)據(jù)，參照三菱FX通訊用戶手冊(cè)[11](7-5)中通信格式，通信程序編寫(xiě)如下(D150中有從站原點(diǎn)狀態(tài)，準(zhǔn)備就緒，已取走工件等信息)

圖3 主站PLC向從站請(qǐng)求讀取從站PLC中D150的數(shù)據(jù)

(3)三菱變頻器專用通信

變頻器的通信控制一般采用1∶N 主從通信方式，本設(shè)計(jì)中FX-48MR PLC作為主站，使用RS-485通信控制方式，變頻器作為從站，本文主站PLC向從站變頻器寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)使用通信格式HFO[12] (169-176)，其中指令代碼由計(jì)算機(jī)發(fā)給變頻器，指明程序要求，因此通過(guò)響應(yīng)指令代碼，變頻器可進(jìn)行各種方式的運(yùn)行和監(jiān)控。

3 基于三方通信的自動(dòng)分揀系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)技巧

1)PLC選型及I/O分配

PLC是控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇PLC,對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)起著重要的作用, 在選型上我們應(yīng)綜合考慮性價(jià)比、性能與任務(wù)適應(yīng)性等，主站選擇FX-48MR PLC，從站選擇FX2N-16MR PLC，能滿足整個(gè)系統(tǒng)I/O點(diǎn)要求，I/O點(diǎn)分配如表1，表2所示。

表1 主站PLC的I/O分配表

2)程序技巧處理

(1) 用變頻器多個(gè)命令格式(HF0)縮短程序長(zhǎng)度

在主站PLC與從站變頻器通信程序處理中， 考慮了程序過(guò)長(zhǎng)將延長(zhǎng)PLC程序掃描時(shí)間，影響程序運(yùn)行效率，同時(shí)為減少程序員編寫(xiě)程序的繁瑣步驟，我們采用變頻器多個(gè)命令HF0[12](169-185)格式，如圖4所示，主站可以同時(shí)向從站寫(xiě)入運(yùn)行指令和設(shè)定頻率，而原來(lái)的寫(xiě)入方式要求運(yùn)行指令和頻率分開(kāi)寫(xiě)入，如圖5所示。

表2 從站PLC的I/O分配表

圖4 多個(gè)命令格式(HF0)程序

圖5 非多個(gè)命令(A格式)

圖6 數(shù)器C236計(jì)數(shù)脈沖達(dá)到590個(gè)，推料桿推料

(2) 計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位

在傳送帶輸送工件時(shí)，如果工件姿勢(shì)不正確，工件輸送到從站PLC控制的機(jī)械手下方時(shí)，應(yīng)停止傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)而翻轉(zhuǎn)機(jī)械手翻蓋，如果工件沒(méi)有精準(zhǔn)停止在機(jī)械手下方就會(huì)導(dǎo)致翻蓋動(dòng)作無(wú)法完成，因此精準(zhǔn)定位在該系統(tǒng)中非常重要，本設(shè)計(jì)替換傳統(tǒng)的用時(shí)間簡(jiǎn)單定位方法，而用高速計(jì)數(shù)器計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，通過(guò)多次調(diào)試證實(shí)，用脈沖定位可以克服傳送帶因慣性停機(jī)的時(shí)間誤差，在工件翻轉(zhuǎn)和次品剔除模塊都可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位， 其程序設(shè)計(jì)如圖6所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究在Sukey可編程程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考核設(shè)備上進(jìn)行了試驗(yàn)，在試驗(yàn)中進(jìn)行如下調(diào)試：

1)在主站PLC與從站PLC、變頻器通信過(guò)程中，通信格式的一致性，同通信過(guò)程中發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的時(shí)間差都會(huì)影響通信效果，通過(guò)多次調(diào)試，通信寫(xiě)入/讀取切換時(shí)間為150 ms,從站PLC等待時(shí)間設(shè)定為60 ms，從站變頻器等待時(shí)間為80 ms時(shí)，能實(shí)現(xiàn)正常的主從站數(shù)據(jù)交互。

2)當(dāng)變頻器加減速時(shí)間調(diào)整為0.5 s以下時(shí)，啟停傳送帶工件容易出現(xiàn)碰撞，本文設(shè)置變頻器加減速時(shí)間2 s～3 s，工件傳送相對(duì)平穩(wěn)。

3)在傳送工件過(guò)程中，傳送帶張緊度應(yīng)調(diào)節(jié)合理，本文設(shè)置傳送帶1 Hz以下不能帶動(dòng)，1 Hz 能帶動(dòng)時(shí)，表明傳送帶張進(jìn)度比較合適。

4)本設(shè)計(jì)中為實(shí)現(xiàn)精確推次品、翻轉(zhuǎn)姿勢(shì)而無(wú)誤差在調(diào)試過(guò)程中需測(cè)量光電檢測(cè)器的脈沖當(dāng)量，我們使用公式：脈沖當(dāng)量μ計(jì)算值=工件移動(dòng)距離/高速計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，通過(guò)求三次平均 ，計(jì)算所得脈沖當(dāng)量為μ=(μ1+μ2+μ3)/3=0.256 6，同時(shí)通過(guò)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)確定推次品、和翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的時(shí)間定位方式，脈沖定位精準(zhǔn)無(wú)誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究表明，采用PLC技術(shù),變頻技術(shù)，三方通信方式設(shè)計(jì)的全自動(dòng)分揀系統(tǒng)可靠性高、安全性好、擴(kuò)展靈活。變頻器應(yīng)用傳送帶能保持工件安全、連續(xù)傳送，而且為系統(tǒng)節(jié)省能耗，變頻器程序采用多個(gè)命令格式(HF0)可以縮短程序掃描時(shí)間，減少繁瑣的程序編寫(xiě)，提高生產(chǎn)運(yùn)行效率，利用脈沖定位，可減少由于傳統(tǒng)時(shí)間定位引起的誤差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制；同時(shí)該系統(tǒng)可在傳送模塊中增加其他的傳感器，如危險(xiǎn)液體檢測(cè)，氣體檢測(cè)等，可增加快遞的安全性；將通信技術(shù)拓展到無(wú)線通信，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)監(jiān)控，智能管理等系。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于各種物流分揀、自動(dòng)化分揀生產(chǎn)線中。

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The Design of a Fully Automatic Sorting System Using Three-party Communication Technology

Fang Nongyu, Fu Shenwen, Zou Xinyao, Luo Xu, Liu Yurong

(Guangdong AIB Polytechnic College, Guangzhou Guangdong 510507, China)

In this paper, we use three-party communication mode to connect master station FX2N-48MRPLC and slave station FX2N-16MRPLC, D700 frequency converter and touch screen. A fully automatic sorting system is designed, which integrates such functions as feeding, pose discrimination, material discrimination, color discrimination, pose adjustment, inferior elimination and sorting. It describes in detail the scheme design of the system, hardware configuration, three-party communication mode and programming technique. Experiments prove that the conveyor belt used by the frequency converter can not only ensure safety of working pieces and continuous transmission, but also reduce energy consumption. The multiple demand format adopted by the frequency converter can shorten program scanning time, reduce tedious programming and improve production efficiency. By using pulse positioning, we can reduce errors caused in traditional time positioning so as to realize accurate control. In the meanwhile, this system can use additional sensors in its transmission module to raise safety in logistics sorting. Communication technology is expanded to wireless communication so that mobile phone monitoring and intelligent management can be realized. This system can be used widely in logistics sorting as well as automatic sorting lines in the factories.

three-party communication； automatic sorting system； HF0 format； frequency converter；PLC

國(guó)家星火計(jì)劃，項(xiàng)目編號(hào)(2013GA780007；2013GA780003)；廣東省高等職業(yè)教育教學(xué)改革項(xiàng)目項(xiàng)目編號(hào)(GDJG2015094)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.032

TP29

A

1000-3886(2017)01-0107-03

方弄玉(1983-)，女，廣東廣州人，碩士生/講師，主要研究方向：電氣自動(dòng)化方向。

定稿日期: 2016-07-19