PLC 控制的包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)

董燕麗，王恒岳

（晉中信息學(xué)院< 智能工程學(xué)院> 山西 晉中 030805）

0 引言

隨著電子商務(wù)迅速發(fā)展，網(wǎng)購(gòu)已成為現(xiàn)代人生活的重要部分，快遞包裹數(shù)量成倍增長(zhǎng)，包裹分揀速度直接影響電商物流的速度。傳統(tǒng)的人工分揀方式效率極低，且錯(cuò)誤率高，已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的分揀需求，新型包裹自動(dòng)分揀研發(fā)已迫在眉睫。本文設(shè)計(jì)的包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)特點(diǎn)是自動(dòng)、快捷，操作簡(jiǎn)單，便于控制，分揀速度可達(dá)6 000 ～12 000 件/h，能緩解勞動(dòng)力短缺，減少成本的同時(shí)提高分揀效率[1]。包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)由控制裝置、分類裝置、輸送裝置和分揀道口等組成，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)大量的分揀包裹，分揀準(zhǔn)確性高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，因此該系統(tǒng)的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1.1 系統(tǒng)原理分析

包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)按照電腦指令對(duì)包裹進(jìn)行分揀歸類，并將分類完成的包裹送達(dá)指定的出口，常見(jiàn)的類型有帶式分揀機(jī)、鏈?zhǔn)椒謷C(jī)及車(chē)載式分揀機(jī)。一般來(lái)講，包裹分揀系統(tǒng)由輸送、控制、分類、分揀格口等重要裝置組成。其中，控制裝置用來(lái)識(shí)別和處理包裹信息，如條形碼掃描、鍵盤(pán)輸入、語(yǔ)音識(shí)別等，常見(jiàn)且綜合效率最高的是條形碼掃描的方式，掃描后發(fā)送到分揀系統(tǒng)的核心控制器對(duì)包裹進(jìn)行篩選、分類，并送到指定的分揀道口；分類裝置的功能是依據(jù)指示讓包裹在輸送裝置上的運(yùn)行方向發(fā)生相應(yīng)的改變而進(jìn)入各自的分揀道口，工作成員將所有類似信息的包裹分組整合裝運(yùn)，即依照信號(hào)內(nèi)部的指令對(duì)包裹的類別、大小、分派的地域加以區(qū)分，進(jìn)而完成系統(tǒng)終端的操作步驟。

自動(dòng)分揀系統(tǒng)不受氣候、時(shí)間、人的體力等限制，但占地面積以及適用場(chǎng)地仍需多加考慮，以防大材小用或是因維護(hù)不周造成設(shè)備的損壞，影響經(jīng)濟(jì)收益。大型物流接送站占地面積相對(duì)較大，一般采用大型的分揀系統(tǒng)，并創(chuàng)建與之配套的自動(dòng)化處理裝置和大型實(shí)施倉(cāng)庫(kù)。而小型企業(yè)則需要根據(jù)自身的實(shí)際情況，選擇本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型包裹分揀系統(tǒng)，既能加快包裹時(shí)運(yùn)的速度、減低勞動(dòng)力成本、緩解員工工作壓力，同時(shí)還能提高分揀準(zhǔn)確率。

1.2 系統(tǒng)方案論證

依據(jù)系統(tǒng)功能，包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式有交叉帶式分揀系統(tǒng)、搖臂式分揀系統(tǒng)、斜導(dǎo)輪式分揀系統(tǒng)[2]。交叉帶式分揀系統(tǒng)的主系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)的載體與交叉帶分揀機(jī)連接，當(dāng)小車(chē)移動(dòng)至指定的位置時(shí)，卸貨并完成分揀，該系統(tǒng)的分揀出口多，可左右兩側(cè)分揀，適用于中小件包裹的分揀；搖臂式分揀系統(tǒng)將包裹傳送至分揀口后，包裹會(huì)沿斜面滑到規(guī)定地點(diǎn)，該系統(tǒng)能連續(xù)大批量地分揀包裹，且分揀誤差率低；斜導(dǎo)輪式分揀系統(tǒng)由斜導(dǎo)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使運(yùn)輸帶上下錯(cuò)口運(yùn)動(dòng)，包裹落至指定位置，該系統(tǒng)對(duì)商品沖擊力小，分揀快速、準(zhǔn)確，適用于平底包裝商品的分揀。

綜合分析以上3 種方案，在滿足系統(tǒng)特點(diǎn)和需求的基礎(chǔ)上，交叉式分揀系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性方面具有更大優(yōu)勢(shì)。

1.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)主要包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、小車(chē)控制模塊、監(jiān)測(cè)模塊等。主控模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制分揀機(jī)的啟停和分揀速度，接收各個(gè)模塊的反饋信息并處理；數(shù)據(jù)采集模塊是包裹分揀系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要用來(lái)采集包裹條形碼中的各種信息，包括包裹的大小、質(zhì)量、地址等信息，包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)是依據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊來(lái)對(duì)識(shí)別包裹進(jìn)行分揀，并記錄這些識(shí)別的信息；小車(chē)控制模塊接收數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的信息，通過(guò)控制小車(chē)將包裹運(yùn)送到指定的分揀出口；監(jiān)測(cè)模塊主要是用于監(jiān)測(cè)信息采集的正確與否，系統(tǒng)運(yùn)行是否有異常，檢測(cè)包裹是否符合分揀規(guī)定。系統(tǒng)總體框圖見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)備選型

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，硬件選型首先應(yīng)滿足設(shè)計(jì)需求，其次考慮性價(jià)比，本設(shè)計(jì)兼顧功能性、經(jīng)濟(jì)性等影響因素并結(jié)合輸入輸出I/O 點(diǎn)的個(gè)數(shù)，選定西門(mén)子S7-200 系列PLC 作為系統(tǒng)的核心控制器。

自動(dòng)條形碼掃描器用來(lái)讀取條碼所包含的指令信息，C 條形碼因其可重復(fù)掃描，識(shí)別效果好而被廣泛使用[3]。常見(jiàn)的條形碼大致可以分為手持式、小滾筒式、平臺(tái)型條碼3 種，而條形碼掃描器選擇運(yùn)用于商業(yè)POS 系統(tǒng)的儀器，該儀器最大的優(yōu)勢(shì)是準(zhǔn)確度高，采集的信息量大，并能夠連續(xù)工作，效率極高，靈活實(shí)用。此外，條形碼標(biāo)簽容易制作，造價(jià)低，且識(shí)別操作簡(jiǎn)單，無(wú)需特殊培訓(xùn)。對(duì)于條形碼掃描器，選擇過(guò)程中一般需要考慮分辨率、物件的大小、掃描速度等重要的技術(shù)指標(biāo)和影響因素。

分揀機(jī)是傳輸系統(tǒng)的分支，在運(yùn)送貨物時(shí)根據(jù)系統(tǒng)指令來(lái)改變其方向，分揀運(yùn)輸設(shè)備按承載裝置的差異可以分為鋼帶式、滾輪分離式；按照機(jī)械結(jié)構(gòu)又可分為：交叉帶式、滑塊式、斜行皮帶式幾種[4]。本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是中小件包裹的自動(dòng)分揀，綜合考慮靈活、效率、資金等因素，選擇交叉帶式分揀機(jī)。小型交叉帶式分揀系統(tǒng)適用于分揀中小件包裹，其優(yōu)點(diǎn)是出口多、占地小、效率高。分揀小車(chē)在供電方面獨(dú)具特色，常使用非接觸式充電，結(jié)構(gòu)方便，增加小車(chē)的靈活性。

2.2 通信方式

目前，分揀系統(tǒng)中常使用的通信方式有漏波電纜通信和軌道通信兩種，這兩種方式都可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，可靠性相對(duì)來(lái)說(shuō)都比較高[5]。在維護(hù)方面，漏波電纜通信不需要維護(hù)，對(duì)于技術(shù)的要求較低，而軌道通信的電刷在磨損后要時(shí)常更換。在應(yīng)用規(guī)模上，漏波電纜適用于中小型的廠商，而軌道通信則更多運(yùn)用在大型物流中心，造價(jià)對(duì)于普通中小企業(yè)不太合適，因此本設(shè)計(jì)選用漏波通信方案。

2.3 電氣設(shè)備選擇

常用的電氣元件有接觸器、繼電器、控制按鈕、指示燈、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線等等。

接觸器根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、額定電壓、額定電流等性能來(lái)選擇，考慮繼電器與PLC 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的適配，接觸器選擇AC-2 繞線式電動(dòng)機(jī)，其額定交流電流10 A、額定交流電壓220 V，在滿足需求的前提下，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用最低。

繼電器種類眾多，功能和使用場(chǎng)所各有不同，繼電器在電機(jī)失壓保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)都發(fā)揮出重要作用，常見(jiàn)的有電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器、時(shí)間繼電器等。

控制按鈕在規(guī)格上適用于額定電壓小于交流660 V，額定電流小于10 A，圓形頭或方形頭，選擇結(jié)構(gòu)有普通式、旋鈕式、組合式等，動(dòng)作方式有自動(dòng)復(fù)位和非自動(dòng)復(fù)位，在滿足設(shè)計(jì)的前提下，我們選用的是普通式自動(dòng)復(fù)位的按鈕。

指示燈選用紅色和綠色的LED 燈，節(jié)能省電，且辨識(shí)度高，適用于大多數(shù)工作場(chǎng)合。

開(kāi)關(guān)選用空氣刀閘，安全性能高，緊急情況下可以自動(dòng)跳閘，導(dǎo)線就選擇普通銅芯導(dǎo)線。

2.4 I/O 地址分配

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，整個(gè)系統(tǒng)一共設(shè)置了9 個(gè)輸入，9 個(gè)輸出，其中輸入包括啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、模擬脈沖按鈕、檢測(cè)發(fā)生器和5 個(gè)撥碼器，輸出包括分揀電機(jī)、包裹檢測(cè)、2 個(gè)指示燈和5 個(gè)檢測(cè)器。具體的輸入/輸出地址分配見(jiàn)表1。

表1 I/O 地址分配表

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)功能要求

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由監(jiān)控系統(tǒng)與用戶程序組成，從功能的要求上來(lái)看，主程序要實(shí)現(xiàn)主機(jī)的啟動(dòng)及停止，也要考慮分揀機(jī)的同步控制，向條碼讀取器發(fā)送控制信號(hào)及小車(chē)的相關(guān)信息，并進(jìn)行信息的追蹤，讓臺(tái)車(chē)在達(dá)到系統(tǒng)所規(guī)定的目的地后進(jìn)行卸載貨物。

其次，在檢查行進(jìn)過(guò)程中，要對(duì)指定落點(diǎn)的格口的狀態(tài)進(jìn)行核實(shí)并確認(rèn)信息，即在此地可否進(jìn)行卸貨操作，操作處理格口是開(kāi)啟還是關(guān)閉狀態(tài)。還有小臺(tái)車(chē)的運(yùn)貨郵件的具體信息也在相關(guān)的地方進(jìn)行核查，以防出現(xiàn)系統(tǒng)操作處理判斷的錯(cuò)誤。對(duì)于小臺(tái)車(chē)的自身情況也要及時(shí)向系統(tǒng)終端進(jìn)行反饋信息。

最后，在返還系統(tǒng)信息中，對(duì)于電機(jī)、變頻器、傳感器以及各個(gè)重要的開(kāi)關(guān)和按鈕要進(jìn)行狀態(tài)的查收，檢查主機(jī)每個(gè)部分的實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)情況，同時(shí)做到與電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交互溝通，并且要關(guān)注由電腦所發(fā)出的指令操作應(yīng)及時(shí)接收給予反饋?lái)憫?yīng)。將檢查行進(jìn)過(guò)程中核實(shí)到的信息返還到電腦關(guān)于信息處理的模塊當(dāng)中，以便于分析和處理。

3.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)前，紅燈常亮綠燈常暗，其他小燈處在關(guān)閉狀態(tài)。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，包裹分揀機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，系統(tǒng)根據(jù)指示燈進(jìn)行分揀操作，具體分揀過(guò)程如下：當(dāng)紅燈滅綠燈亮?xí)r，表明信息匹配正確，可以繼續(xù)分揀；按下S1 按鈕來(lái)識(shí)別包裹的大小，并開(kāi)始分揀，利用撥碼器的數(shù)字代替有效包裹，將有效包裹送到對(duì)應(yīng)的分揀口，如有不符合分揀條件的無(wú)效包裹，則紅燈閃爍并停止分揀。

急停操作，當(dāng)按下急停按鈕時(shí)，分揀操作立即停止，系統(tǒng)回歸初始設(shè)置狀態(tài)，再次觸發(fā)則能夠依據(jù)系統(tǒng)的指示繼續(xù)工作。

信息識(shí)別，為將不同包裹準(zhǔn)確地送到相應(yīng)的分揀窗口，我們利用發(fā)配的不同脈沖來(lái)加以區(qū)別，譬如發(fā)1 000 個(gè)脈沖信號(hào)后，那么包裹送到的地方是北京，代號(hào)為1，發(fā)2 000 個(gè)送到上海，3 000 個(gè)對(duì)應(yīng)廣州，以此類推，而低于1 000 高于5 000 的脈沖信號(hào)則不是我們所要分揀的包裹，視為無(wú)效。

3.3 梯形圖設(shè)計(jì)

西門(mén)子S7-200 系列PLC 編程采用STEP7-Micro/WINV4.0 編程軟件，該軟件功能強(qiáng)大，在離線狀態(tài)下也可以完成程序的創(chuàng)建、編譯、調(diào)試，為編寫(xiě)程序提供良好的環(huán)境。在線狀態(tài)下，能夠以聯(lián)機(jī)通信方式上裝和下載用戶程序及組態(tài)數(shù)據(jù)。該軟件能提供梯形圖、語(yǔ)句表、功能塊圖3 種編寫(xiě)語(yǔ)言，其中梯形圖的編寫(xiě)邏輯簡(jiǎn)單，容易上手，形象易懂且功能完備，因此選用梯形圖編程。

在主程序的設(shè)計(jì)中，調(diào)用了3 個(gè)子程序塊：?jiǎn)?dòng)、脈沖捕捉、分揀，子程序的調(diào)用使得系統(tǒng)的功能更加具體，分工明確，同時(shí)在程序編輯、調(diào)試和修改過(guò)程中也會(huì)有更強(qiáng)的目的性和更好的靈活性。利用中間繼電器的自鎖和互鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)循環(huán)運(yùn)行。啟動(dòng)模塊主要是啟動(dòng)按鈕開(kāi)啟、斷開(kāi)以及故障指示，指示分揀模塊，控制分揀的正常運(yùn)行；脈沖捕捉模塊用來(lái)為分揀模塊提供脈沖信號(hào)，使其能識(shí)別出包裹是否滿足分揀的要求，輔助分揀工作順利進(jìn)行；分揀模塊是包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)程序的核心部分，通過(guò)識(shí)別脈沖，具體管控包裹的信號(hào)檢測(cè)，進(jìn)而將帶有不同信號(hào)的包裹分揀至所規(guī)定的地方，若遇見(jiàn)錯(cuò)誤包裹，反饋給啟動(dòng)模塊，使其立即指示控制分揀運(yùn)行的進(jìn)程。

整個(gè)系統(tǒng)的梯形圖包括9 個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)1 表示接到啟動(dòng)模塊的指令后，檢測(cè)發(fā)生器開(kāi)始運(yùn)行，檢測(cè)開(kāi)始；網(wǎng)絡(luò)2、3、4、5、6 分別表示所分揀的目標(biāo)包裹，運(yùn)往北京、上海、廣州、深圳、雄安；網(wǎng)絡(luò)7、8、9 表示故障檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)的包裹脈沖不符合規(guī)定，則立即反饋啟動(dòng)模塊報(bào)錯(cuò)。

4 系統(tǒng)的調(diào)試與仿真

4.1 系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行

核查所編寫(xiě)的PLC 程序，把PLC 程序及顯示的文本類程序等輸進(jìn)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)里。當(dāng)按開(kāi)啟動(dòng)按鈕I0.0 時(shí)，若綠燈L1 點(diǎn)亮，那么表明郵件能夠運(yùn)進(jìn)系統(tǒng)檢測(cè)。當(dāng)自動(dòng)條形碼掃描儀上識(shí)別出包裹時(shí)，掃描儀便開(kāi)始檢索條形碼并讀取，再把條形碼所包含的信息輸入PLC。若條碼屬正常，紅色的燈會(huì)滅，輸送帶進(jìn)行工作。PLC 依照讀取條形碼開(kāi)啟對(duì)應(yīng)定時(shí)器，當(dāng)包裹運(yùn)至規(guī)定的格口位置時(shí)，定時(shí)器會(huì)開(kāi)啟，小車(chē)將會(huì)把包裹分揀到對(duì)應(yīng)格口。間隔2.4 s，紅燈L2 滅，綠燈L1 亮，指示下一件包裹能夠進(jìn)入?；赑LC 的寫(xiě)入條碼來(lái)開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的定時(shí)器，當(dāng)包裹到達(dá)規(guī)定的位置時(shí)，定時(shí)器會(huì)接通運(yùn)行載體把包裹分揀出口。間隔2.4 s 后，紅燈綠燈L2、L1 指示，包裹可以進(jìn)入。當(dāng)讀入的條碼是不符合規(guī)定的條碼時(shí)，紅燈便閃爍以表示出錯(cuò)，輸送帶停止。之后重新運(yùn)行，再次開(kāi)啟系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)的仿真流程

通過(guò)使用仿真軟件S7-200 Explorer，能夠?qū)⒊绦虻墓δ芨庇^地展示出來(lái)。在此軟件中，通過(guò)鍵入綠色一側(cè)的輸入部分，與之相對(duì)應(yīng)的輸出便會(huì)出現(xiàn)變化，依據(jù)輸出的端口便可查找程序中是否存在問(wèn)題和是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并加以優(yōu)化修改。

首先，開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，閉合啟動(dòng)按鈕I0.3、檢測(cè)器I0.4 以及脈沖捕捉I1.0—I1.4，Q0.7 亮起，表示所檢測(cè)包裹符合規(guī)定，可以進(jìn)行檢測(cè)。

其次，閉合I1.5 包裹檢測(cè)進(jìn)行分揀，可以看到隨著每一次的波動(dòng)，輸出點(diǎn)會(huì)移位，表示在分揀包裹，從Q0.1—Q0.5。

最后，若是不符合規(guī)則的包裹，系統(tǒng)會(huì)報(bào)錯(cuò)，指示燈Q0.6 亮起，運(yùn)行停止。仿真運(yùn)行畫(huà)面見(jiàn)圖2。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試仿真可看出，包裹分揀系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別不同區(qū)域的包裹，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀的基本功能，能夠識(shí)別無(wú)效包裹。本文所提出的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)過(guò)程科學(xué)合理，設(shè)計(jì)完成的包裹分揀系統(tǒng)具有一定的參考意義。