貨物分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(終版)

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. 畢業(yè)設(shè)計(論文) 課 題 名 稱 貨物分揀控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 系（院）、年級專業(yè) 電氣工程系 指 導(dǎo) 教 師 職 稱 講師 2017年 5月 11日 . 摘要 為了適應(yīng)當下物聯(lián)網(wǎng)的對貨物分揀高效率的需求，設(shè)計這款貨物分揀控制系統(tǒng)設(shè)計，采用的是貨碼識別系統(tǒng)結(jié)合位置傳感器，對貨物在傳送帶運送過程中進行實時監(jiān)控并操作分揀。該設(shè)計大體分為兩個部分，一是利用位置傳感器探測貨物位置，然后出發(fā)條碼識別器對貨物上的貨碼進行識別，并把識別到的信息傳給系統(tǒng)；二是由系統(tǒng)進行處理分析后分配任務(wù)給擋板，由擋板把對應(yīng)貨碼的貨物推入指定滑槽中，從而對貨物進行分揀。其中信息處理系統(tǒng)是使用PLC作為控制器，分別對分揀裝置元器件操控的。對系統(tǒng)的運行檢測后，可知該系統(tǒng)運行擁有穩(wěn)定可靠且分揀效率高和出錯率低等特點。 關(guān)鍵詞：貨物分揀控制系統(tǒng)；條碼識別器；PLC ABSTRACT In order to adapt to the demand for goods sorting efficiency of Internet of things, the design of this kind of goods sorting control system design, combined with the position sensor is goods code recognition system, real-time monitoring of the goods in the process of the conveyor belt and sorting operation.The design can be divided into two parts, the first part is to use the sensor to detect the goods location, and then start the cord scanner on the goods code, which can identify the goods and pass to identify the information to the system;The second part is processed by the system after the analysis of distribution of tasks to baffle, the baffle push the corresponding goods yards of goods into the designated chute, thereby to sorting the goods.The information processing system is the use of PLC as the controller, respectively for sorting device components control.Run the test to the system, shows the system has stable and reliable operation and high sorting efficiency and low error rate. Keywords: cargo sorting control system;cord scanner;PLC 目錄 摘要 I ABSTRACT II 1前言 1 1.1 課題研究目的 1 1.2 分揀系統(tǒng)的發(fā)展 1 1.3 研究課題的主要內(nèi)容 2 2 貨物分揀系統(tǒng)方案設(shè)計 4 2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計 4 2.2 系統(tǒng)方案論證 4 2.3 PLC的選型 5 3 貨物分揀系統(tǒng)的硬件設(shè)計 6 3.1 PLC各個組件的選擇及工作原理 6 3.2 傳感器的選擇與運用 8 3.3 I/O接口的選擇及PLC的接線 10 4 貨物分揀系統(tǒng)的設(shè)計 14 4.1 順序控制功能圖的設(shè)計 14 4.2 梯形圖的設(shè)計及說明 15 5 分揀裝置的調(diào)試 18 5.1 調(diào)試環(huán)境 18 5.2 軟件系統(tǒng)的調(diào)試 18 5.3 硬件的調(diào)試 20 5.4 軟硬件的結(jié)合調(diào)試 21 結(jié) 語 22 參考文獻 23 附錄 24 . 1前言 1.1 課題研究目的 自動貨物分揀系統(tǒng)在現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)流行的時代，有著極其重要的作用。大大提高了工作效率和儉省人力物力，為社會的進步畫下濃墨重彩的一筆。目前在隨著改革開放后中國社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，我國的市場經(jīng)濟在國際上取得了舉世矚目的成就。并且有了WTO的大門對我國的悄然打開，中國也加快了走向國際大舞臺的步伐。我們的國民經(jīng)濟開始漸漸融入了國際經(jīng)濟圈，進出口總值迅速增加，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新起，給中國市場帶來了一股強有力的氣息。這樣物流、倉庫貨物分配、郵政等貨物分配運行業(yè)每天都有大量物資需要分揀處理，這些都是貨物分揀的集中地，是開發(fā)新技術(shù)的關(guān)鍵所在。貨物分揀在中國本土一開始還是人工分揀，這樣不僅效率低而且易出現(xiàn)差錯，但在改革開放初期，中國的人力相對去購買國外大型設(shè)備劃算很多，更有經(jīng)濟效益，但隨著人力資源的市場價值的提升，設(shè)備的優(yōu)良化和價格的大幅降低使得中國實施新的分揀系統(tǒng)勢在必行，即貨物自動分揀控制系統(tǒng)。雖然自動分揀設(shè)備眾多優(yōu)點，但由于引進國外的生產(chǎn)流水線，成本還是很高，對國內(nèi)的很多小型企業(yè)來說是負擔不起的，不適合我國中小企業(yè)的初步發(fā)展。如果小企業(yè)想走向大市場，想持續(xù)地發(fā)展下去，就必須使新型產(chǎn)品的生產(chǎn)效率能夠有國際競爭力，使貨物的分配更好更準的進行。并且企業(yè)的貨物分揀的消耗同時關(guān)系到企業(yè)投入多少。因此，企業(yè)的貨物分揀直接影響到了企業(yè)的工作效率和生產(chǎn)效益。因此，很多國內(nèi)企業(yè)急需一整套成本低且性能好的自動分揀設(shè)備的投入生產(chǎn)線。為適應(yīng)這種需求，設(shè)計這種高性能的系統(tǒng)，以滿足當下很多企業(yè)的需要。 1.2 分揀系統(tǒng)的發(fā)展 當下，自動分揀系統(tǒng)的研究,主要分為三個方面內(nèi)容。第一個方面是對物流分配中心存儲方法和分揀途徑優(yōu)化的研究。第二個方面是對物流分揀的設(shè)備和對其控制技術(shù)的研究,如用于應(yīng)用于煙草業(yè)流水線傳送式分揀機研究、郵政系統(tǒng)的交叉分配式分揀機研究等等。第三個方面是對分揀作業(yè)數(shù)據(jù)信息與分析策略和問題,在中國眾多學(xué)者及研究人員都對自動分揀系統(tǒng)的設(shè)計產(chǎn)生濃厚的興趣，對開發(fā)設(shè)備的有硬件到軟件都想進行大幅的優(yōu)化和升級使得產(chǎn)出成本降到最低。首先是貨物源條碼的設(shè)計，一定要具備其所應(yīng)有的所有信息，而且并使得全國都要實現(xiàn)條碼信息編寫的統(tǒng)一，使得條碼有了統(tǒng)一的規(guī)則如同身份一樣，這樣不僅方便了貨物的識別，而且也可避免貨物條碼混亂的現(xiàn)象出現(xiàn)。第二點就是提高貨物分揀工作環(huán)節(jié)的工作效率，貨物在傳送帶運行是動態(tài)的，大大增加了識別難度，但如果使得傳送帶的速度減慢，又會有損分揀的效率，所以需研制出一種方案解決這種動態(tài)不平衡現(xiàn)象的出現(xiàn)。第三點就是貨物自動分揀系統(tǒng)整體性能的穩(wěn)定，必須使系統(tǒng)能在承受大工作量時，依然能夠穩(wěn)定運。因此在設(shè)計開發(fā)研制過程中應(yīng)使用的動態(tài)時窗設(shè)計與判定方法,從而保證分揀系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性并以模擬仿真的方式進行了計算驗證。 如今，隨著國際競爭日益激烈，并為了我國物流業(yè)的迅速崛起，在國內(nèi)許多大大小小的企業(yè)和各級機關(guān)政府部門也在做更大的努力，就是為了在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域取得一定的成就。例如，中國郵電部門則開發(fā)并研制出CORE-NT物料自動分揀系統(tǒng)等一些相當具有穩(wěn)定性能且能高速處理郵件貨物的自動分揀系統(tǒng)；在中國一些快遞配貨公司，則研制并成功開發(fā)出了速遞貨物自動分揀系統(tǒng)等。 雖說在物流系統(tǒng)外的其它行業(yè)尤其是國內(nèi)對貨物自動分揀系統(tǒng)的需求還相對較少，但隨著相關(guān)部門和各個企業(yè)的不懈努力?？偟膩碚f，目前物流大環(huán)境的正飛速發(fā)展，貨物自動分揀系統(tǒng)在我國物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)可以窺豹一斑了。 1.3 研究課題的主要內(nèi)容 研發(fā)的自動分揀系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)核心是在于是否可以將運行在傳輸帶上的貨物進行精準的識別與分配。同時為了進一步提高分揀貨物的效率和其準確度，在分配貨物的擋板處對分揀的機器功能基礎(chǔ)進行了大幅的改進，并且引入條形碼自動識別技術(shù)，用這種非常成熟并廣泛被使用的技術(shù)，更好配合地整套系統(tǒng)的運行，增強了自動分揀控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。貨物自動分揀控制系統(tǒng)是由傳送帶、條碼識別器、PLC自動控制系統(tǒng)和分揀機械等元器件組成。并能將分揀信息直接上傳計算機更至網(wǎng)絡(luò)終端，使得用戶端可以與計算機信息系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)連接并可以進行數(shù)據(jù)通信和控制，自動分揀控制系統(tǒng)識別與運行的穩(wěn)定性是整個系統(tǒng)的核心組成。 如果要得與計算機的連接控制也加入到整個系統(tǒng)，雖說會使得整個系統(tǒng)上一個大臺階，并將本只是一個簡單的硬件“死程序”變得“活起來”，也可以讓控制和調(diào)試工作變得更加輕松快捷，用計算機存儲著進入系統(tǒng)中的每個貨物信息，并且直觀地顯示設(shè)備的運行轉(zhuǎn)狀態(tài)和貨物的分配情況，并進行信息的分析處理并傳給系統(tǒng)，最終有效地識別出貨物對應(yīng)的分配流向，還可通過互聯(lián)網(wǎng)與計算機信息系統(tǒng)建立起貨物查詢模式，使得很快的得到你所需貨物的動態(tài)信息。但這樣則會大大加大系統(tǒng)的不穩(wěn)定程度，和提高一定成本，這些都不符合小型企業(yè)的需求，所以該系統(tǒng)并未讓其能與計算機網(wǎng)絡(luò)連接。而是用PLC直接控制著傳送帶的運行狀態(tài)，當貨物運行在傳送帶上并經(jīng)過位置檢測裝置時，會給傳感器一個觸發(fā)信號使得條形碼識別裝置立即采集貨物上的條碼信息，并把條碼信息傳給PLC進行分析處理，從而控制對應(yīng)的分揀擋板，把貨物分配到對應(yīng)滑槽中。設(shè)計的程序易操作，其有運行穩(wěn)定、不易出錯、成本低等特點，符合市場對其需求。 2 貨物分揀系統(tǒng)方案設(shè)計 2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計 本設(shè)計中嵌入式系統(tǒng)控制器的選取是系統(tǒng)組成的關(guān)鍵所在。而在當今的生產(chǎn)應(yīng)用中主要分單片機（Micro-controllers），可編程程序控制器（Programmable Logic Controller, PLC）這兩種程序編輯器，下面簡單介紹下這兩種嵌入式系統(tǒng)。 首先單片機是一種集成電路芯片，是采用集成電路技術(shù)把一些具有數(shù)據(jù)處理能力的模塊集成到一塊硅片上所構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機操作系統(tǒng)。而PLC是把個人用戶所編寫的某一種特定程序放入存儲器中，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 2.2 系統(tǒng)方案論證 2.2.1單片機的應(yīng)用特性 作為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個重要組成，單片機的應(yīng)用特性可分為如下幾個方面：高集成度，體積小，高可靠性，控制功能強，低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品，易擴展等，貨物分揀控制系統(tǒng)所需要的是持續(xù)穩(wěn)定地執(zhí)行高強工作還不易出錯的控制器。而單片機雖然可靠性高，但如果應(yīng)用于這次設(shè)計系統(tǒng)，就會在持續(xù)大工作量的環(huán)境中出現(xiàn)問題，而這種因高工作量而產(chǎn)生的系統(tǒng)執(zhí)行過熱現(xiàn)象，也是集成電路芯片難以承受的。結(jié)合以上綜述，本次設(shè)計不易使用單片機用做控制器。 2.2.2 PLC的應(yīng)用特性 PLC通過其固有特性，一直穩(wěn)固地占據(jù)著工業(yè)市場的重要位置。由其模板上提逐漸增加了各種通訊接口，現(xiàn)場總線技術(shù)及以太網(wǎng)技術(shù)也同步發(fā)展，使PLC的應(yīng)用范圍越來越廣泛。 PLC功能特點如下：使用方便，編程簡單，功能強，性能價格比高，硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強，可靠性高，抗干擾能力強，系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少，維修工作量小且維修方便。PLC的很多特性都滿足貨物分揀控制系統(tǒng)的需要，尤其是可靠性高，抗干擾能強且操作和維護的便捷性，都符合貨物分揀的流水線，因為這樣可以大大提高工作效率，減少很多不必要的工作量。綜上所述，這次設(shè)計應(yīng)該采用PLC作為系統(tǒng)的控制器。 2.3 PLC的選型 世界上約有兩百多個PLC生產(chǎn)廠商 ,相對知名的有莫迪康公司、美國的AB公司、GE公司、日本的歐姆龍公司、德國的西門子公司、三菱電機公司等。在對PLC系統(tǒng)設(shè)計時，要進行控制器工程設(shè)計選型，PLC選型的基礎(chǔ)所在是能否滿足基本控制功能和容量, 并考慮維護的方便性、備件的通用性、系統(tǒng)可擴展性以及能滿足特殊功能要求等[[]陳宏.可編程控制器（PLC）的選型[A].岳陽:中國石油化工股份有限公司巴陵分公司,2003. ]。 PLC的知名品牌大致分為，三菱；西門子；法蘭克；臺達這四種。此設(shè)計我選用的是三菱公司的FX系列的FX2N。 在用FX2N系列控制器構(gòu)建系統(tǒng)時，需要注意以下幾點，“輸入輸出的總合計點數(shù)（包括特殊模塊占用點數(shù)）需控制在256點以內(nèi)；基本單元以及擴充單元都有內(nèi)置電源；對于FX2N其基本單元上連接的特殊單元、特殊模塊，連接臺數(shù)需控制在八臺以內(nèi)”。傳統(tǒng)的人工方式分揀貨物遠遠滿足不了，當今物聯(lián)網(wǎng)時代對效率的要求，無法快速地執(zhí)行大任務(wù)量，利用三菱FX2N型PLC構(gòu)成貨物分揀控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強、耗費低和維護方便等特點。滿足貨物分揀系統(tǒng)的需求。 3 貨物分揀系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3.1 PLC各個組件的選擇及工作原理 3.1.1 概述 如今社會發(fā)展迅速，在中國本土企業(yè)開始崛起的過程中各個行業(yè)需要高速發(fā)展，需要不斷提高生產(chǎn)效率，制造符合當今時代的產(chǎn)品，現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場的需求作出快速的反應(yīng)，生產(chǎn)出成本低且性能優(yōu)良的產(chǎn)品。所有為了滿足如今社會的需求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)流水線的控制系統(tǒng)必須具備極高的穩(wěn)定性和靈活性，可編程程序控制器（Programmable Logic Controller, PLC）的出現(xiàn)，正是順應(yīng)當今需求，它是以微處理器為基礎(chǔ)制成的通用工業(yè)控制裝置。 PLC被廣泛地運用在各個大型自動設(shè)備中，其方便、高效等特點被深度的發(fā)掘?，F(xiàn)如今已經(jīng)PLC普遍地應(yīng)用在各種類型的機械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中，PLC在其他領(lǐng)域也得到了較為迅速的發(fā)展。但PLC的發(fā)展道路還遠不止與此，其功能的不斷加強和更友好的兼容設(shè)備，都是它價值的體現(xiàn)。它不但是單片機自動化中使用最為廣泛的控制設(shè)備，而且在各種大型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也占據(jù)著一席之地。PLC的應(yīng)用面廣、普及度高，是其他自動控制設(shè)備無法比擬的。 3.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) PLC主要組成是CPU模塊、輸入輸出模塊和編程軟件（見圖3.1）。PLC的特殊功能模塊用來完成一些較為特殊的任務(wù)。 圖3.1 PLC結(jié)構(gòu)件圖 （1）CPU模塊 CPU模塊主要是由微型機處理器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分組成。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當于人的頭腦，不斷地收集來的輸入信號，執(zhí)行用戶所編寫的程序，并給出系統(tǒng)的輸出；數(shù)據(jù)存儲器顧名思義是用來存儲程序與數(shù)據(jù)。 操作系統(tǒng)和用戶程序是PLC程序的主要組成。由用戶自己去設(shè)計，它使得PLC能夠完成用戶所需被稱為用戶程序而操作系統(tǒng)是由PLC的生產(chǎn)廠家設(shè)計并固化在ROM（只讀存儲器）之中，用戶是不能直接去讀取和更改。操作系統(tǒng)使得PLC具有基本的自動化智能，能夠完成運行PLC設(shè)計者規(guī)定的各種任務(wù)。 （2）I/O模塊 輸入模塊和輸出模塊簡稱為I/O模塊，它們相當于系統(tǒng)的眼睛、耳朵、觸覺，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設(shè)備和CPU模塊的重要通道。 所有信號的接收和識別工作都是由輸入模塊來完成，輸入模塊也可大致分為以下幾類，開關(guān)量輸入模塊用來識別各種開關(guān)量的輸入信號；模擬量輸入模塊用以接收各種連續(xù)變化的模擬電壓、電流信號。而相對應(yīng)的，PLC的一些執(zhí)行任務(wù)則會由輸出模塊來完成，開關(guān)量輸出模塊和模擬量輸出模塊都是輸出模塊的組成部分。 I/O模塊是使得外部設(shè)備和PLC內(nèi)部程序分離開的重要處理辦法，當外部出現(xiàn)的噪聲干擾和尖峰電壓過大可能會對CPU模塊內(nèi)的元器件造成破壞并使得PLC無法工作運行。而只要在I/O模塊中，使用一些小型繼電器、光電耦合器、光敏晶閘管等器件來阻隔PLC的內(nèi)部電路和外部的I/O電路的直接連通，就可以完全阻斷這種聯(lián)系，保護內(nèi)部設(shè)備。而且I/O模塊不僅有傳遞信號、隔離還有電平轉(zhuǎn)換的作用。 （3）編程軟件和電源 通常CPU工作在電源為5V工作環(huán)境中，一般PLC外部的輸入、輸出電路的工作電源電壓通常為DC 24V和AC 220V。編程設(shè)備主要用來生成、修改和檢查用戶程序，還會用來監(jiān)督用戶程序的執(zhí)行狀況。隨著時代的進步，計算機和程序的不斷發(fā)展，以前老舊的手持式PLC編輯器被逐步淘汰，梯形圖和指令程序表則可以由計算機軟件直接編輯修改來替代，同時還可以實現(xiàn)不同程序語言的互相轉(zhuǎn)化。這樣大大方便了對程序的編譯操作，還可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對程序的遠程傳輸和編輯，使社會生產(chǎn)變得越來越有效率，達到良性循環(huán)的效果。 3.2 傳感器的選擇與運用 3.2.1 傳感器的簡介 傳感器是一種可以對設(shè)備進行檢測和監(jiān)測的裝置，它能接收到不同類型的被檢測量的信號信息，還能處理其接收到的對應(yīng)信息量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為電信號或者是其他形式的信息量并輸出，以滿足信息的輸入輸出、編輯處理、顯示、存儲和控制等需求。傳感器的特點包括：“數(shù)字化、微型化、智能化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化。它是實現(xiàn)設(shè)備的自動檢測、控制的首要環(huán)節(jié)。由于傳感器的存在和發(fā)展，讓機械設(shè)備有了觸覺、聽覺和視覺等感官，讓機器慢慢變得活了起來。我們一般根據(jù)傳感器的基本感知功能，把其分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十個種類”[[]唐文彥.傳感器[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué):機械工業(yè)出版社,2016:5-18,31. ]。 國家標準（GB7665-87）對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。 中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認為，由于有了傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、視覺和聽覺等感官，讓機器變得活了起來。 “傳感器”在新韋式大詞典中解釋為：“從一個系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件”。 傳感器的組成一般是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源四部分組成（如圖3.2）。 圖3.2 傳感器組成示意圖 可以直接接收被測量發(fā)出的信息，轉(zhuǎn)換并輸出與被測量呈現(xiàn)特殊規(guī)律的物理量信號信息；再由轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉(zhuǎn)換為電信號；變換電路的任務(wù)是對轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進行放大調(diào)整；轉(zhuǎn)換元件和變換電路是需要輔助電源供電的，此類元件被稱為敏感元件。 敏感元件：“是用來接收被測量，輸出與被測量成函數(shù)關(guān)系的其他量的元件。如果敏感元件可以直接輸出電量（如熱電偶），就又可成為傳感元件。此外還有一些新類型的傳感器，如諧振式壓力和壓阻式傳感器等，其敏感元件和傳感器是組成一體的”。 變換元件：“又稱傳感元件，是傳感器的重要組成元件。直接接收被測量（通常為非電量）且輸出與被測量成一定關(guān)系的電量。傳感元件也可以間接接收被測量，只感受與被測量成一定函數(shù)關(guān)系的其他非電量。通常情況下都會使用這種傳感元件”。 信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路：“把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于記錄、運算、顯示的有用信號的電路。根據(jù)傳感元件類型的不同還有很多信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，一般常會使用的電路有電橋、放大器、振動器和阻抗變換器等”。 當今傳感器的種類設(shè)計會根據(jù)使用要求的不同而做出不同樣式的產(chǎn)品，有些會做的相對簡單，而也有些做的很復(fù)雜；其中不乏做成帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，當然也可做成不帶反饋的開環(huán)系統(tǒng)，這些都是傳感功能多樣化且強大的標志。 3.2.2 傳感器的選擇 傳感器是將所需檢測的各種變化量，轉(zhuǎn)化為電信號的一種變換器。通常用于檢測系統(tǒng)自身與任務(wù)作業(yè)對象，有效地且穩(wěn)定地為控制系統(tǒng)提供所必要的信息。 根據(jù)對課題設(shè)計的要求，經(jīng)分析需以下介紹的傳感器：光電門、條碼識別傳感器。光電門主要用來檢測貨物的進出情況和記數(shù)，而用視覺傳感器對同物料的種類進行識別。 （1）光電門傳感器 運用在傳送帶的開頭和末尾設(shè)置光電門，這樣不僅可以方便對貨物的進出情況進行實時監(jiān)控，還可以高效地記錄下貨物數(shù)。光電門傳感器類型有很多種，而我會選擇槽型光電傳感器去使用。槽型光電傳感器是把一個光源發(fā)射器和一個感應(yīng)接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)，構(gòu)成槽形光電。發(fā)光器發(fā)出紅外光，在無貨物通過情況下光接收器能收到光。但當有被檢測物體從光電門中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便開始動作。此時會輸出一個開關(guān)控制信號，同時切斷或接通負載電流，由此完成一次控制動作。以此通過開關(guān)量信號變化，來傳遞給計算機信息從而記錄貨物的進出情況。 （2）條碼識別傳感器 視覺傳感器的作用與生物的眼睛很是類似，能夠?qū)Σ煌奈矬w進行識別，但由于本課題設(shè)計對貨物的類型沒有進行嚴格的識別要求，我們就不用視覺傳感器這種復(fù)雜設(shè)備，而要求只是需識別貨碼即可，所以我將在此使用條碼識別器對物料進行識別和分揀。假設(shè)在初始分類前，每個貨物都有屬于自己的條碼，此條碼就像是貨物的身份證件一樣。因此，我們用到條碼識別器來進行貨物的識別和分揀。 首先我們先簡單介紹下條碼識別的原理和此類型傳感器的原理（如圖3.3），對于不同顏色，其反射的可見光的波長同樣也有所不同，對于白色的物體能反射各種不同波長的可見光，對于黑色的物體則是吸收各種不同波長的可見光，所以當條形碼掃描器所發(fā)出的光經(jīng)過光闌及凸透鏡1后，當光照射到黑白相間的條形碼上時，反射光經(jīng)過凸透鏡2聚焦后，發(fā)射到光電轉(zhuǎn)換器上，由此光電轉(zhuǎn)換器接收到是與白色條和黑色條相對應(yīng)的強弱不相同的反射光信號，并轉(zhuǎn)變成相對應(yīng)的電信號并輸出到放大整形電路上，而整形電路則是把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號，再經(jīng)過譯碼接口電路后譯成相應(yīng)的數(shù)字字符信息[[]姬飛飛.條碼識別技術(shù)及其應(yīng)用[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011. ]。 圖3.3 條碼識別原理示意圖 3.3 I/O接口的選擇及PLC的接線 按照程序的設(shè)計進行PLC的輸入、輸出點分配和硬件接入并設(shè)定參數(shù)，由此實現(xiàn)軟硬件接線的結(jié)合。系統(tǒng)的輸入信號控制量為2個，分別為光電門傳感器和條形碼識別器，其中條碼識別器用撥碼器模擬。系統(tǒng)的輸出執(zhí)行量為4個，分別為紅燈、綠燈、電動機和分揀擋板。 3.3.1 構(gòu)建設(shè)備的硬件平臺 考慮到設(shè)備實際操作性，在保證設(shè)計可靠性和執(zhí)行能力的基礎(chǔ)上簡化本次設(shè)計所需要元器件，貨物的位置檢測、條碼識別和分配擋板等設(shè)備采用了模擬量理念化的設(shè)計手段將它們省略，這些功能都由PLC來實現(xiàn)，如撥碼器模擬條碼的識別過程，燈和電機就分別模擬了分配擋板和傳送帶的運行，光電門則是直接用輸入開關(guān)的上升沿信號進行模擬?？梢愿鶕?jù)此次課題所需完成基本硬件設(shè)備構(gòu)建，硬件如下表3.1所示。 表3.1 主要元器件材清單 序號 名稱 型號 數(shù)量 1 PLC FX2N 1 2 光電門傳感器 E3R-5DE4 1 3 電動機 功率：11W 電壓：220V 頻率：50Hz 電流：0.5A 額定轉(zhuǎn)速：1500r/min 1 4 條碼識別器 USB接口 1 5 內(nèi)置電源 輸入電壓：AC 220V 輸出電壓：DC 24V 1 6 燈 紅燈、綠燈 2 7 傳送帶 1 8 分配滑槽 1 9 分揀擋板 功率：5W 電壓：220V 頻率：50Hz 電流：0.3A 1 3.3.2 PLC輸入與輸出端子的分配 在PLC模擬的實際情況下，對本系統(tǒng)中PLC的輸入輸出端子進行合理的分配。每個端子所對應(yīng)的作用對象和其所具備的功能，輸入量開關(guān)接口X11對應(yīng)的是識別門傳感器，X01～X05對應(yīng)的是條碼識別器；輸出量Y05對應(yīng)的是分揀擋板，輸出量Y01、Y02分別對應(yīng)的是紅燈和綠燈。如表3.2所示。 表3.2 分揀系統(tǒng)I/O接口分配 PLC I/O接口 分揀 I/O接口 備注 X00 SB1 啟動開關(guān) X01～X04 SQ1～SQ4 撥碼器 X11 SB2 進貨 X05 SQ5 識別貨號 X12 SB3 復(fù)位按鈕 Y05 M5 電動機 Y06 M1 傳送帶 Y01 LD1 紅燈 Y02 LD2 綠燈 3.3.3 PLC輸入輸出接線端子圖 根據(jù)分配表3.2就可以繪制出PLC的輸入與輸出接線端子圖，如圖3.4所示。 圖3.4 PLC系統(tǒng)外部接線圖 4 貨物分揀系統(tǒng)的設(shè)計 4.1 順序控制功能圖的設(shè)計 在已有硬件設(shè)施設(shè)備的條件和課題要求下，構(gòu)建出如下圖所示的順序控制功能圖及其文字說明，此功能圖大幅地模擬量了自動分揀貨物的全過程，在系能的穩(wěn)定性上也具有良好的表現(xiàn)，能夠準確無誤的完成課題所要求的貨碼的識別工作，和當出現(xiàn)錯誤后的重啟和復(fù)位任務(wù)，是可以投入實際生產(chǎn)的優(yōu)秀系統(tǒng)，也是可以傳播學(xué)習的優(yōu)秀素材資料。本次設(shè)計的順序控制功能圖，主要由三個大部分組成，一是貨物的進入待識別；二是識別后再分揀；三是當識別到問題貨碼的報錯和重啟。系統(tǒng)的啟動，貨物的進入，貨碼的識別和分揀環(huán)環(huán)相扣緊湊有序，很好地完成了各個環(huán)節(jié)所分配的任務(wù)，是可以高效、準確、穩(wěn)定的執(zhí)行工作任務(wù)的基于PLC所設(shè)計的系統(tǒng)，如圖所示4.1。 圖4.1 順序控制功能圖 4.2 梯形圖的設(shè)計及說明 在順序控制梯形圖中，第一步就要使系統(tǒng)初始化，初始化的作用就是使得系統(tǒng)工作在確定的工作狀態(tài)，如下圖4.2。 圖4.2 系統(tǒng)初始化 接下來要做的就是主程序的設(shè)計了，用第一個開關(guān)X00的閉合去表示貨物可以進貨（如圖4.3），把輸出量Y02置位1來表示綠燈L2亮，則可以進貨，此處SET是置位指令。用第二個開關(guān)X11的閉合來模擬S1為ON去表示貨物被檢測到。 圖4.3 進貨程序 用四個開關(guān)所生成的脈沖變化量來模擬撥碼器，再從撥碼器讀出貨碼。而開關(guān)X05則表示對檢測到的貨碼進行識別（如圖4.4）。這也是系統(tǒng)的識別功能的核心部分。此處指令用的是ADDP而不是ADD，ADDP是生產(chǎn)脈沖變化量則啟動，同時撥碼器的輸入值需要的是脈沖信號去賦值。 圖4.4 撥碼器 當所檢測到貨碼為1、2、3、4、5時，則紅燈L1亮，并且電機M5啟動表示開始進行分配擋板的運行工作。在此我分別用輸出端Y01和Y05表示紅燈和電機M5。我還用到了一個延時程序來代表了，貨物在傳送的運送和貨物分揀所需的時間（如圖4.5）。將貨物分揀到對應(yīng)的貨柜后，則紅燈L1滅，但綠燈L2亮，則表示還可以繼續(xù)運行分揀系統(tǒng)。T1、T2指令都是時間計時器，斷電則會歸零，而K50、K20表示是T1、T2所走的時間參數(shù)。 圖4.5 延時程序 而當系統(tǒng)檢測到貨碼非1至5時則會進入報錯程序，紅燈L1閃爍提醒出錯，電機M5停止運行，用T3、T4指令組合起來完成紅燈L1的閃爍程序，我們可以清晰看到輸出端Y01的信號量的變化。如果你不去按下復(fù)位的按鈕，則紅燈L1會一直閃爍，在下圖中的X12為復(fù)位開關(guān)，當按下復(fù)位開關(guān)后，我會用置零指令RST去使得紅燈L1和綠燈L2都熄滅。 輸出端Y3則是連接到是一個表示開始復(fù)位的指示燈，提醒人們系統(tǒng)將重新啟動，為下次系統(tǒng)的再次運用做好準備。（如圖4.6） 總之，我的程序設(shè)計是以順序控制梯形圖為基礎(chǔ)進行編寫的，每個步驟都嚴格按照要求認真地完成，并在此給出主要梯形圖設(shè)計部分的詳解。為讀者提供了了解和學(xué)習本篇論文的重要文字部分。但由于硬件設(shè)施的局限性，我主要用燈作為基本提示，告訴研究人員，系統(tǒng)的運行狀態(tài)和其系能是否穩(wěn)定等。雖然我們無法直接做出實物裝置，但用燈的代替，也可以直接地觀察到系統(tǒng)的基本情況，也算是合理的替換吧。 軟件程序的設(shè)計難點主要集中在，以下三個方面：一是撥碼器的設(shè)計問題；二是識別后貨物的分揀和系統(tǒng)的循環(huán)；三是出錯后系統(tǒng)的重啟再運行。我的在這一小節(jié)給出各個難點詳細說明和程序圖，增加了論文的可讀性和實際價值，也為遇到同樣難題地人們給出了我的思路和設(shè)計理念。 圖4.6 報錯程序 5 分揀裝置的調(diào)試 5.1 調(diào)試環(huán)境 系統(tǒng)設(shè)計的PLC程序編輯環(huán)境為軟件“GX Developer”，GX Developer是三菱PLC的編程軟件。是適用于FX系列可編程控制器。支持梯形圖、指令表、SFC等程序設(shè)計，修改設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，還可以在操作過程中更改程序、監(jiān)控及調(diào)試，并具備PLC程序的異地讀寫功能。使用軟件GX Developer能夠制作FX系列的梯形圖和SFC，在選擇FX2N的情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)SFC格式和梯形圖的相互轉(zhuǎn)換。 5.2 軟件系統(tǒng)的調(diào)試 系統(tǒng)設(shè)計完成后，都需要對成果進行基本的檢測與調(diào)試，從中找出問題的所在并加以解決。在運行程序時，我發(fā)現(xiàn)時間計時器處會出現(xiàn)問題，一是動作太快沒法看清反應(yīng)發(fā)生的時間，二是計時器的互鎖出現(xiàn)錯誤，我都對它們進行了調(diào)整，加大了時間長度，以更好地了解整個程序的運行狀態(tài)，還有就是重新編寫了一個互鎖；其實最主要的問題就是撥碼器程序的編寫問題，一開始用的是ADD指令，但程序會一直自增，無法滿足我的需求，在查閱資料后，我就把ADD指令換成了ADDP指令，這樣就不再出現(xiàn)自增現(xiàn)象，而且ADDP指令是輸入一個脈沖信號，這樣也可以清晰地完成撥碼器的撥號操作。 用開關(guān)量X00產(chǎn)生脈沖信號，使得Y02亮代表著綠燈亮貨物可以進貨，X11開關(guān)量ON表示“S1為ON”模擬檢測貨物的光信號檢測到了貨物。（如圖5.1） 圖5.1 貨物進入并檢測 用X01、X02、X03、X04四個開關(guān)量模擬撥碼器，用X01、X02、X03、X04四個開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號時，分別表示數(shù)字1、2、4、8，并且數(shù)字可以累加。如圖5.2所示，給X03脈沖，使得D10賦值為4。 圖5.2 模擬撥碼器 按下X05，表示對撥碼器所模擬的貨物貨號進行識別，當識別的貨碼為4時，是1、2、3、4、5其中的一種貨碼，則紅燈L1亮，電機M5運行代表分配擋板工作，完成分揀后，紅燈L1滅。Y01和Y05則是分別代表著L1和M5。（如圖5.3） 圖5.3 分揀工作 若當識別到的貨碼不是那五個數(shù)字，則紅燈L1閃爍，表示出錯，電機M5停止。（如圖5.4） 圖5.4 報錯系統(tǒng)和顯示 按下表示復(fù)位開關(guān)的X12，系統(tǒng)重新啟動并且可以重新運行。 如圖5.5 復(fù)位系統(tǒng) 5.3 硬件的調(diào)試 完成貨物自動分揀系統(tǒng)的所需各種硬件設(shè)備。主要分為以下幾個組成，用光電門檢測是否有貨物的進入；傳送帶則是起到傳運貨物的工作；條碼識別器用于檢測貨物上編碼；分揀擋板則是把所識別到的貨物分配到指定貨位中；提示燈則是直觀說明了系統(tǒng)的運行狀態(tài)和貨物檢測情況；當然還有電源等一些必要設(shè)備。 而要特別說明一下的是，在我的設(shè)計中電機M5所代表的則是分揀擋板運行情況而不是傳送帶，傳送帶是由M1驅(qū)動讓其一直運轉(zhuǎn)著的。 5.4 軟硬件的結(jié)合調(diào)試 軟硬件的結(jié)合工作并很好地完成所下達的各種任務(wù)，才是本次設(shè)計完成的重要依據(jù)。雖然軟件的分別調(diào)試工作都已經(jīng)做完，但當軟硬件結(jié)合起來去完成一個指定任務(wù)時，它們能否很好地兼容，穩(wěn)定的運行才是找出問題并解決問題的所在。 結(jié) 語 貨物自動分揀是提高物流分配效率的重要環(huán)節(jié)，我的這次設(shè)計主要采用的是融入條碼識別技術(shù)設(shè)計理念的貨物分揀自動控制系統(tǒng)，它能夠自行檢測貨物在傳送帶上的位置，以便于給計算機終端觸發(fā)采集圖像的信息，經(jīng)過計算機對圖像的分析處理隨后進行譯碼，得到貨物編碼，再根據(jù)貨號進把貨物推入對應(yīng)的滑槽內(nèi)，從而實現(xiàn)自動分揀的需要。經(jīng)過對本系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)對貨物的識別和成功地將貨物引入對應(yīng)的滑槽，在連接電腦后還看得到對應(yīng)的信息。實現(xiàn)了分揀的自動化和智能化，能夠大大滿足了大型企業(yè)對貨物自動分揀的需求，而且還有效地提高了貨物分類的效率，為企業(yè)縮減了一些耗費人力的崗位，還避免了客戶對人為暴力分揀現(xiàn)象出現(xiàn)的擔憂。 參考文獻： [1]陳宏.可編程控制器（PLC）的選型[A].岳陽:中國石油化工股份有限公司巴陵分公司,2003. 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