系统简介

在这个经济快速发展的时代，传统的手工分拣方式已经不能适应现代社会的发展，利用传统人工手动来进行物料分类的统计工作，会使社会的经济成本提高、劳动力传统的手工分拣方式已经不能适应现代社会的发展，加大，还会因为工作的疏忽导致物料的漏捡和统计。取而代之的是机械式的物料自主分拣的方式。物料自主分拣系统的功能是以PLC为核心来进行设计研究的，系统中主要是利用西门子公司的PLC产品，分别从硬件和软件两个方面来进行设计。设计过程中首先对系统总体进行分析和设计，然后对PLC的选用来进行分析和选择。此系统的硬件主要包括传送带、气缸、传感器、PLC控制器；软件包括系统运行和编程。自主分拣系统对提高物料分拣的效率、减少人力资源的浪费；有较好发展前景。

关键词：PLC；物料分类；分拣系统

第一章 绪论

物料分拣技术经过了许多年的发展，这项技术已经被人们知道和了解。现在已经应用到了众多的行业中，比如物流服务、货物运输、商品管理、工业生产、商业销售等行业。甚至是在军事装备的工程项目中也运用了物料分拣技术。因此可以看出这项技术已经和人们的生活密切相关。系统中我们就以PLC为核心来设计一项基于PLC的物料自主分拣控制系统设计，主要围绕硬件和软件这两方面来进行设计，硬件设计从物料自主分拣系统的传感器、PLC系统控制器、传送带、气缸这几个方面进行设计，软件设计主要从PLC的类型选择进行设计和上位机的监控功能方面来进行设计。
1.1 选题的背景及研究意义
随着计算机技术的发展以及通信技术和信息安全的快速发展，信息的传输、处理以及储存的能力逐渐变得强大，物料自主分拣系统应运而生。只有信息采集与输入信息足够准确，才能确保信息的有效。在上世纪中期，这项技术的使用标志着我国的物流管理从传统的人工分拣向自动化分拣转变。因此准确有效的完成物料自主分拣传输和处理成为了PLC控制物料分拣系统的关键步骤。研究物料自主分拣系统的目的是解放人们的双手，降低劳动力，提高分拣的效率。
1.2 国内外研究现状
国内发展状况：
在我国基本物流行业起步较晚，物料分拣在人工中所占的比例较高。物料分拣系统有很多的好处，但是也有一定的缺点，要求它使用的工作人员具有一定的经济技术要求，在一些国家的一些行业不用自动分拣的情况也很多。主要有以下两个原因：一是投入大，回收慢，设备的情况复杂多变，运行成本和投资成本高，需要有稳定的资源作为保证。二是自动分拣系统对商品包装有要求有一定的局限性[1]。但随着物流行业的快速发展，高效率的分拣系统方式被人们越来越重视，特别是我国加入世界贸易组织（WTO）后，我国工业效率提升在持续增长。
国外发展状况：
国外从20世纪60年代开始，欧美等其他国家就已经开始研究分拣系统模型了，Harvey.Subcommand Richards.Muffin在1960年提出来为亨氏公司（H.J.Heinz Company)开发。20世纪80年代后，国外的分拣系统发展越来越来迅速，他们将不同输送带有机结合起来，形成一个高效的物料分拣固定形状；同样另外一些人研究从物料搬运到物料检测、分拣系统传送带之间如何构建，以及如何搭配传送带的输送线，构建一个良好的物料工序检测、分拣、搬运系统[2]。
目前，国际上有比较先进的自动分拣机，有小物品型自动分拣机、小型中速自动分拣机、推块式自动分拣机、数字式分拣系统和全自动分拣系统等等。

第二章 物料自主分拣系统的总体设计

2.1 物料自主分拣技术
目前，物流行业的高端科技产品（自动化立体仓库、自动分拣机和自动化信息处理以及通讯等）被不断应用于各个领域。自主分拣系统出现在公众眼前是在第一次世界大战之后，美国和日本配送物料所采用的一种设备，自主分拣系统现在已经成为发达国家物流中心不可或缺的一部分。随着科技的进步，电子标签的出现，计算机技术的引进，物料自主分拣的相关技术在我国的发展空间会变得越来越大。
2.2 物料自主分拣技术的特点
我们所研究的物料自主分拣系统不仅有人工分拣和半自动化的分拣的优点，还具备以下几种特点：1.使用的效率高。我们研究物料的自主分拣系统要在受不同时间、气候、人力、温度等诸多方面的影响下，还能够继续进行自主分拣，并且可以进行大批量的货物分拣。2.误差小。物料自主分拣系统的误差率很大程度上取决于输入信息的准确度的原因问题，其中产品的信息识别和载体起主要作用。在物料自主分拣系统中我们使用的是扫码枪扫描条形码输入，只要我们能够保证条形码没有错误，那么它的出错率就会很小。扫码枪扫描条形码输入能够解决我们系统读取信息不准确的问题，能提高物料自主分拣系统的抗干扰能力和稳定性。3.可以基本上实现系统没有人。研究物料自主分拣系统最重要的是解决劳动力人员多和降低劳动人员的工作强度问题[2]。
2.3 物料自主分拣系统设计思想
当系统应用在快递行业时，我们可以把物料自主分拣系统的类别按照地区来区分规定第一类我们分为贵州省的贵阳市的、第二类分为贵州省遵义市的、第三类为贵州省安顺市的、第四类为前面三类所没有识别出来的。当然我们所研究的系统并不是只能用在快递行业，其他行业也可以适用。当然也可以应用到其他行业，具体应用到某个行业时只需要把对应的类别改变成为自己所需要的那一个类别即可。下面我们就围绕此系统来进行研究和分析。
当上料口上面有货物时，可编程控制器（PLC）通知扫码枪的扫描条形码阅读器读取产品的条形码信息。条形码读取信息输入系统后，判断出货物的类型为第一类，传送带启动，与第一类对应的气缸和次传送带开始动作。把第一类货物分到对应第一类槽口完成计数后，就完成一个周期。如果条形码识别出来货物为第二类的话，第二类的气缸和次传送带开始运行，把第二类货物分到第二类货物的槽口进行计数，第三类的动作过程也是同样的步骤。若条形码没有识别出货物是前面三类的哪一类时，把它规定成第四类，后面步骤跟前面的一样。
在设计物料自主分拣系统时，我们优先的是使用自动化运行，但是考虑到工厂情况的复杂程度多种多样，可能会出现其他的意外情况，为此我们还加入了手动操作的环节。当物料自主分拣系统出现故障时，我们检查系统是否是在安全的环境下，如果系统是在人为因素情况下出现的故障时我们可以采用手动的方式对物料的自主分拣系统进行分拣。手动分拣完成后，查看系统环境是否安全，是在安全的情况下我们按下复位按钮，系统开始重新启动运行。
2.4 物料自主分拣系统的工作过程
当物料自主分拣系统接通电源后，PLC上电，设备的准备工作完成；运行指示灯亮，按下启动按钮，物料自主分拣系统的启动，启动灯亮；PLC给上料口一个上料的工作指令，上料口开始上料；然后PLC又给主传送带一个运行指令，传送带开始运行；PLC给扫描枪一个扫描条形码识别输入的指令，扫描枪开始扫描进行输入分类；若扫描出来的物料是第一类时，PLC给气缸一个指令，气缸伸出；之后PLC给次传送带一个运行指令，次传送带开始运行把物料传送到相应的位置并进行计数。这样就完成了系统的一个周期，后面的操作过程也是这样循环进行的，唯一不同的地方是如果扫描出来的物料是第二类的话，它的气缸和次传送带运行的就不是刚才启动的那一组，而是另外一组气缸和次传送带运行。如此循环下去。如果系统出现故障的话，按下停止按钮，系统全部停止运行。

图2-1物料自主分拣顺序图
2.5 物料自主分拣系统设计流程
物料自主分拣系统首先要确定上料区、传感器、气缸、传送带的顺序，他们之间如何布置以及和如何运行的，确定好以后就分别进行叙述。

图2-2物料自主分拣系统示意图

第三章 硬件设计

3.1 硬件系统组成
物料自主分拣系统整体包含传感器、条形码识别、传送带、气缸、PLC等，系统上电后，用扫码枪扫描条形码识别有无货物，如果有货物条形码就会对检测的货物进行识别和分类[3]。
系统全部采用全自动的模式，系统启动运行后，扫码枪扫描条形码能自动检测识别判断出货物的某一类，条形码识别检测出之后对应的那一组气缸和次传送带动作进行货物的自主分拣。
3.2 传感器的选型
3.2.1 传感器的选择
传感器一般是把化学量或者其他物理量转换成电信号的器件。它一般是由转换元件和敏感元件组成的，具有独立的检测货物的能力，可以将检测出来的信号反馈给PLC，PLC给出输出信号。被测量按一定的规律转换成我们可以使用的输出信号。
3.2.2 光纤传感器
利用被测物体对光的反射来选择流通电路，从而来判断检测物体的有无。光纤传感器是光电传感器的一种，只要由放大器和检测头组成，光纤传感器不受任何电磁信号的干扰、使用寿命长、远距离传输、在恶劣环境下也适用。光电传感器是电量传感器，它是用电压和电流的变化形式来传输，光电传感器是把电信号转换成光信号在由光信号转换成电信号。它由发送器、接收器和检测电路这三部分组成[7]。

图3-1光纤传感器
3.2.3 扫码枪
扫描时我们一般都是扫描的货物条形码。条形码是根据宽度和反射率的不同出现的条和空，编码使需要按照一定的编码规则编制，条形码主要是用来表达数字或字母符号信息的图形标识[8]。从外表上看，是一组粗细不同、有一定规则的平行线条图形，反射率相差很大的黑色条和白色条组成的。条形码印制时必须要符合国家的条码标准来。
条形码的成本很低、识别速度快是现代物流信息行业的普遍载体，条形码技术共有两类。一类是一维码，另外一类是二维码。工业上一般使用的是一维码。
条形码识别通常是通过扫描器扫描条码完成，有译码和扫码两个过程。条形码扫描后发出的光源在反射后，反射到条形码内部的光电转换器上，光电转换器根据黑白条光的强弱把光信号并转换成相应的电信号。经过放大电路增强信号之后再输送到整流电路中把模拟信号转换为数字信号最后由计算机系统进行数据处理和管理，货物上的条形码信息被识别出来[9]。

图3-2扫码枪
3.3 传送带选型
传送带主要用来传送物料，传送带是由电机驱动，它与PLC之间有联系，传送带运行时PLC会先给它一个运行指令，它才开始运行。把物料运行到一定位置后，其他设备才能进行下一步运行。系统中我们使用的既有主传送带也有次传送带，次传送带是对气缸已经分拣出来的货物进行运输[10,11,12]。

图3-3传送带
3.4 PLC选型及端口分配
PLC使用的是可编程存储器，存储器是要执行顺序控制、定时、逻辑运算和计数等指令的；存储器通过模拟数字量的输入输信号出来控制各种型号的生产的过程。PLC是在传统控制器的基础上加入了计算机技术、微电子技术和通讯技术、自动控制技术，而形成的一代的工业控制器，PLC主要用来取代执行逻辑语言、继电器、计数和顺序控制系统等[2]。
3.4.1 PLC的结构
PLC的结构有CPU（中央处理器）、存储器、数字量的输入输出接口、电源、输入输出的I\O扩展接口[4]。
3.4.2 PLC的特点
1.PLC的结构简单通用性强
2.抗干扰性强，可靠度高
3.功能比较完善，配套齐全，适用性也很强
4.简单易学
3.4.3 PLC的选择
根据物料自主分拣系统的需要，PLC控制器的输入信号需要进一步细化，分别为1个条形码阅读器信号，5个开关信号（复位、启动、停止、自动、手动），4个光电传感器信号，4个手动启动气缸运行信号和4个次传送带启运行信号；1个主传送带启动信号，4个气缸自动启动信号，4个次传送带启动信号。
西门子公司的PLC产品主要有：SIMATIC-200\300\400系列
根据分析我们决定使用的是西门子公司S7-200SMART的PLC产品，因为S7-200SMART的指令的时间是0.15us,CPU（中央处理器）模块的I\O点数最多有60个点，CPU模块有1个RS-485和1个以太网接口，选用西门子公司的产品可以使用价格比较便宜的信号板扩展1个RS-485端口或者RS-232接口；用一般的以太网（网线）就可以实现程序的下载和监控，还可以和其他的CPU模块、计算机进行网络通信。能最大限度的控制成本，RS-485端口和RS-232接口支持Modbus RTUUSS和PPI协议，可以实现自由端口的通信[6]。

第四章 软件设计

4.1 功能分析
该类系统是对一般较多的设备进行控制，设备都相对比较分散，距离较远。不同的设备之间要频繁的进行的信息传输，选择时要使用具有多台通信功能的PLC。

图4-1系统控制结构图
系统设计中，使用一台条形码阅读器和几台被控设备，使用一台PLC控制多个对象。只要PLC的性能足够强大，就可以完成我们系统所设计基本操作功能。除此之外，为了方便操作人员能更直观的使用系统进行工作，给它添加一个人机交互的模块。构成图4-1所示的系统控制结构。从图上我们可以看到系统共有四个部分：PLC控制器组态软件（MCGS)的上位机、传感器、电机、条形码阅读器等模块，条形码阅读器和传感器相当信息采集部分。
1、PLC控制器:这部分相当于系统的大脑，承担了数据的运算处理能力，运算处理是系统的关键部分。可以收集条形码阅读器的信息，对信息处理加工，将得到的信息发送到电机上来执行。同时将数据的信息反馈到上位机，方便工作人员进行监控接受上位机发出的指令做出调整和更改。
2、上位机:相当于是一个桥梁。它有三个作用：一是将设置好的参数由上位机送到PLC中进行自动化控制；二是将PLC得到的数据反馈到上位机使工作人员能及时的检测数据变化的情况；三是对保存信息的数据进行分析。
3、信息采集模块:最主要是条形码阅读器。货物上的条形码扫描后得到信息，把信息传递给PLC，方便PLC进行下一步动作。
4、电机模块:执行一些简单操作把PLC指令传送到驱动模块，使驱动电机对货物进行控制[13]。设计PLC系统时要遵循以下三个原则。灵活可靠、易于扩展、通用性强等。
PLC系统具有基本可供用户使用的输入设备，方便用户进行监督查看的输入输出设备和可编程控制器（PLC）。常见的输入设备有开关按钮，常见的输出设备有继电器和输出设备所驱动的传送带之类的被控制对象。选择PLC时要选择具有一定的I/O容量的。I/O口的分配如下：
表4-1I\O地址分配表

根据I\O地址分配表来编写梯形图，编写完成后调试编译检查是否有错误，有错误的话修改后才能保证程序的正常运行。
4.2 流程设计
完成系统的通信协议配置后，在PLC中开始进行程序编写工作。首先要处理条码阅读器接收信号部分程序，条码阅读器收到数据后转换为货物信息,使用指令对数据信息进行的接收,接收到后把收到的数据放到存储器中对条码进行识别,识别成功给PLC使用[14]。条形码识别系统及传送程序流程如下：

图4-3程序流程

第五章 物料分拣系统与上位机之间的通信协议

5.1系统与上位机的通信协议
与PLC连接的的计算机我们称为上位机，我们可以在上位机上设定参数、状态显示以及数据存储[15]。PLC与上位机是通过RS-232接口进行通信，实现了两者之间的实时数据转送。因为数据传输的通信接口选择的串行接口是RS-232，所以得选择RS-232串行通信接口设备连接比较方便。
5.2 上位机
上机位的功能：
（1）进行物料材料和重量设定，传送给PLC，PLC来控制并完成物料的自主分拣。
（2）在计算机上可以显示它的实时运行状态，对系统进行实时监控。
（3）可以实现物料之间的数量统计和数据的存储。
上位机采用昆仑通态公司组态软件（MCGS)进行数据得实时监控。MCGS是一套基于Windows的软件开发平台，用于构建和生成上位机监控系统的软件。MCGS设备进行驱动的程序采集的数据和发送设备[16,17]。设备驱动程序是由VC（C语言）、VB程序的语言DLL（动态链接库）文件进行编写，包含各种设备通信协议的处理程序。MCGS在运行环境当中用相应的设备来进行驱动程序，与其他设备进行数据交换，从而实现系统的通信。每个驱动程序只占一个线的程序，他们之间互不干扰。

图5-1组态软件
PLC有1个RS-232口和RS-485口，这两个任何一个通信端口都可以作为主站或者从站。通信接口可以作为编程的端口，与第三方设备通信的端口。在物料的自主分拣系统功能中用RS-232口与条形码阅读器进行通信，用RS-485接口与组态软件（MCGS）进行通信。RS-232两端的通信参数必须一致。
PLC的自由通信协议指令可以实现与条形码阅读器之间的通信。通信功能可以是同一条指令来实现，不需要对其进行特殊编程，不需要多条通信指令的顺序，可以同一条件下可以同时书写多条通信指令。

结论

通过这次设计，我明白在设计任何系统之前要先理解此系统在目前的状况，是否已经应用到人们的日常生活中，具体应用到了那些行业。了解设计该系统的意义何在，分别从那些方面开始研究，研究结果怎样得出来。我们设计物料自主分拣系统的意义在于解放传统的人工分拣、降低人的劳动力。设计物料自主分拣系统时要先清楚的认识硬件的功能和应用在哪些方面以及如何应用，软件部分的选择要考虑成本问题，设计时不能盲目的选择价格昂贵的不切实际的的。这样的话就算设计出来也无疑是没有用的。
在设计物料自主分拣系统时硬件的选择，要结合多方面的考虑来选择，我们在设计该系统时选择的硬件有传感器、扫码枪、传送带、可编程控制器（PLC）。在设计时一直纠结是选用扫码枪扫描条形码识别还是用光纤传感器、电容传感器和电感传感器来识别货物的材质犹豫不决，后来在老师和同学的帮助下选用了扫码枪扫描条形码识别来检测货物。在不断查找资料和老师同学的帮助下，系统的设计终于达到自主分拣的目的。
最后，由于我的能力有限，论文中还存在很多的没有考虑到的问题，恳请老师批评指正。