基于PLC的快递分拣系统_李泽.pdf

基于 PLC 的快递分拣系统doi:10.3969/j.issn.1674-7100.2023.02.003收稿日期：2022-10-19作者简介：李 泽（1997-），男，江苏泰州人，哈尔滨商业大学硕士生，主要研究方向为物流包裹智能化，E-mail：通信作者：巩 雪（1981-），女，辽宁锦州人，哈尔滨商业大学副教授，博士，硕士生导师，主要从事智能化装备研究，E-mail：李 泽 巩 雪刘京宇 孙雪刚哈尔滨商业大学轻工学院 哈尔滨 黑龙江 150028摘要：近年来，快递行业的订单量迅猛增涨，而快递分拣环节的机械化水平较低，主要采用人工分拣。人工分拣已无法满足快递业务的需求。为了提高快递分拣效率，根据分拣要求进行软硬件设计，利用可编程逻辑控制器（PLC）与液压系统设计一套快递自动分拣系统。快递分拣系统由触摸屏、PLC、传感器、电机、扫描相机以及液压缸等机构组成，触摸屏为西门子KTP700 系列，PLC 使用西门子 1200 系列中的 S7-1215CPU。人机交互界面用西门子博图 V15 软件完成设计。液压系统完成快递的分拣推送任务和控制过程。本系统能自动识别不同区域的快递，完成连续、大批量地分拣业务，降低了劳动成本，进而提高了企业的整体效益。关键词：快递分拣；PLC；液压系统；人机交交互界面；智能化中图分类号：TB846+.3；TP273+.5 文献标志码：A文章编号：1674-7100(2023)02-0018-05引文格式：李 泽，巩 雪，刘京宇，等.基于 PLC 的快递分拣系统 J.包装学报，2023，15(2)：18-22.2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL021 研究背景货物、商品的分拣在日常生活中非常常见，如物料、快递、图书等的分拣。在自动分拣技术上，欧美国家发展最早，从 20 世纪 60 年代开始使用自动分拣机，现在该技术处于世界领先地位。日本在 20 世纪 70 年代从美国引进了第一台自动分拣机，随后快速发展，到 90 年代拥有一千多台自动分拣机，成为当时世界上拥有自动分拣机最多的国家之一。我国的自动分拣技术起步较晚，目前虽然可以勉强达到国际先进水准，但创新能力有待提高，应用领域有待进一步扩展。大部分的图书馆、工厂、快递公司、超市等仍然依靠人工分拣。人工分拣存在出错率高、人力资源浪费、分拣效率低等问题。国内学者对分拣设备和信息媒介选取进行了大量的研究。张翠云1所设计的物料分拣控制系统采用电感式接近开关，用光纤传感器识别物料的颜色和材质来进行分拣。林娟等2设计了可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）虚拟仿真平台，通过 Factory IO 与西门子 S7-200 PLC 连接。张宏伟等3所设计的物料混合 PLC 控制系统通过定义 I/O 接口构造数据库，数据库再与由组态软件设计的图形对象建立连接，最终实现动作仿真。陆萍蓝等4采用慧鱼模型的碰撞开关来控制停止机构动作。随着科技的飞跃，网上购物得到了人们的认可。在快递行业迅速崛起的环境下，各类快递层出不穷，对分拣效率和准确率提出了更高的要求。显然，人工分拣已经无法满足快递业务需求。因此，对快递分拣技术进行创新与变革是非常有必要的。快递自动分拣技术的关键是选择合适的传感器，能根据快递的特点-19-进行识别分类。基于此，本研究采用西门子 PLC 设计了一套快递自动分拣系统。物料分拣人机界面是在西门子博图 V15 软件中完成设计，用 MCSG 软件的WinCC 组态功能实现系统功能。2 快递分拣系统的控制要求与组态2.1 控制要求快递分拣系统由机器视觉模块、控制模块、传输模块和人机交互模块组成。系统控制要求如下：1）输送带自左向右运动，将待识别快递面单信息传输至扫描相机下方的拍照点。2）扫描相机能自动拍照，并识别条码信息。3）扫描相机能将识别结果发送给PLC。4）当识别结果为 TRUE 时，PLC 控制输送带使快递抵达指定包区。5）当识别结果为 FALSE 时，PLC 控制输送带使快递落入废包区。6）PLC 控制电磁铁，液压推杆使快递落入左侧包区。7）快递抵达指定包区时，传感器上升沿执行一次，实现包区快递计数。2.2 组态图 1 为用 MCSG 软件设计的快递分拣组态。快递分拣组态由 3 个部分组成：1）识别分拣机构组态。其能识别不同包区的快递与监控分拣作业过程，包括快递落入限位监控、快递是否进入传送区状态监控、快递大小识别状态监控。2）运行指示组态。其能监控系统运行状态和发出报警信号，包括上包区有无快递状态监控、系统正常及故障工作状态监控、扫描相机是否识别快递信息状态监控、推杆是否抵达限位开关监控。3）操作控制组态。操作人员可在昆仑通态触摸屏上对快递分拣系统进行启动、停止、复位操作，无需通过硬件开关启停系统，降低了系统启停部件损耗率。3 快递分拣系统设计快递分拣系统由触摸屏、PLC、传感器、电机、扫描相机以及液压缸等机构组成，如图 2 所示。3.1 快递分拣装置3.1.1 系统主要功能与工作流程快递分拣装置主要由上包区、扫描装置、异步电机、输送带、废包区、传感器、限位开关、包区、料道以及液压缸等组成，具体结构如图 3 所示。各机构的主要功能如下：1）异步电机为上海 ABB 电机有限公司生产的M2BAX132SA4 型三相异步电动机。它给系统提供动力源，启动输送带供料，将物料传送至各检测点。2）扫描装置由相机、光源图像采集卡组成，能读取物料二维码信息，并将信息发送给 PLC。3）PLC 采用西门子 6ES7215-1AG40-0XB0 型CPU 1215C，能接收限位开关、传感器和扫描相机发送的信息，启动电机或者打开电磁阀的电磁铁使液压缸进行往复直线运动。4）液压缸执行指令，将物料送入指定区域。5）传感器具有独立检测物料的能力，可将检测到的信号反馈给 PLC。6）限位开关位于液压缸的两端，使用 TON 延时函数，时间设置为 2 s。当液压缸执行操作时，2 s 内未到达限位开关的位置，PLC 将会发出报警信息5-8。7）液压缸根据接收信号的高低，给出相应的分拣动作。信号为高电平，液压缸执行推动动作；信号为低电平，液压缸缩回或者保持原静止状态9-11。快递分拣系统的工作流程如图 4 所示。按下启动按钮后，传感器5检测上包区是否有快递进入输送带。若无快递进入输送带，整个输送带系统处于低功耗运图 1 快递分拣组态Fig.1 The express sorting configuration component 图 2 快递分拣系统硬件设计示意图Fig.2 Schematic diagram of express sorting system hardware design基于 PLC 的快递分拣系统李 泽，等02-20-扰回路。液压缸必须在短时间内快速到达限位开关，在往复直线运动过程中可能会产生较大的冲击，故液压系统需设置背压回路，以此降低液压缸在运动过程中产生的冲击。本液压系统采用进油路节流调速回路。当执行元件不工作时，液压泵还处于工作状态，排除的油液无处可去，导致系统压力持续增大。为了保持液压系统压力恒定和防止系统过载，在液压泵的出口油路上安装溢流阀。液压系统的工作原理如图 5所示。以缸 1 为例，当 PLC 发出缸 1 动作的反馈信号时，电磁铁 YA1 打开，液压油从油箱出来，经过滤器过滤，电机带动液压泵工作，液压泵从油箱抽出液压油，经过单向阀（防止液压油流回油箱），蓄能器提供一定的压力源，使液压油经过先导式三位四通O 型电磁换向阀的右位，经过单向减速阀，到达缸 1左腔，缸 1 向左运动，缸 1 右腔的液压油再经过先导式三位四通 O 型电磁换向阀的右位回油箱。3.1.3 分拨机构分拨机构是快递分拣系统的最后一道环节，直接影响快递分拣的准确性和效率。分拨机构控制要求如行状态；若检测到快递进入时，输送带恢复到正常的运行状态，输送快递到扫描相机处。扫描相机识别提取面单信息，并将此信息反馈给 PLC。PLC 根据扫描信息，在快递到达指定包区的位置时启动液压缸的电磁阀，执行快递分拣操作12-13。限位开关检测液压杆状态，若 2 s 内未检测到液压杆，触摸屏上出现报警信息，随后操作人员处理报警信息14-16。3.1.2 液压系统液压系统主要由液压油、过滤器、蓄能器、减压阀、液压缸、单杆双作用缸、先导式三位四通电磁阀、单向阀组成。液压系统包含 4 个液压缸，4 个液压缸会按照 PLC 给出的信号进行动作，故要设计互不干图 3 快递分拣装置示意图Fig.3 Schematic diagram of express sorting device图 4 快递分拣流程图Fig.4 Express sorting flow chart图 5 液压系统工作原理图Fig.5 Schematic diagram of hydraulic system2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL02-21-图 6 所示。扫描相机采集面单信息，通过 MOVE 功能函数把面单信息%ID1 给%MD1，根据对应的包区开始分拣。当面单信息是包区 1 时，缸 1 伸出把快递推入包区 1，然后缸 1 缩回，完成一次分拣动作。3.2 触摸屏在触摸屏上可以输入人机交互指令。触摸屏为西门子 KTP700 系列。西门子博图 V15 软件有着极其强大的组态界面设计和仿真能力。创建项目时，先选择 PLC 和触摸屏的型号，然后，用 PN/IE_1 网线连接两者，实现 CPU 与触摸屏的通讯，如图 7 所示。根据整个 PLC 控制要求确定系统的 I/O 点，具体分配情况如表 1 所示。4 结语本文采用西门子公司的 S7-1215PLC 设计了一套快递分拣系统。此分拣系统采用标准化、模块化组装方法，能够自动识别不同区域的快递及无效快递，能连续、大批量地分拣快递，大大降低了劳动强度，显著提高了工作效率，且系统布局灵活，维护、检修方便，受场地影响较小。此外，分拣系统还能灵活地与其他快递设备无缝连接，实现快递分拣作业、物料信息流的分配和管理。本快递分拣系统具有广泛的应用前景。参考文献：1 张翠云.基于PLC的物料分拣控制系统设计与实现J.机电工程技术，2020，49(9)：158-160.ZHANG Cuiyun.Design and Implementation of Material Sorting Control System Based on PLCJ.Mechanical&Electrical Engineering Technology，2020，49(9)：158-160.2 林 娟，董红生.西门子 S7-200 和力控组态软件的 PLC 虚拟仿真平台设计 J.电气自动化，2017，39(6)：96-98.LIN Juan，DONG Hongsheng.Design of a Virtual PLC Simulation Platform for Siemens S7-200 and Force Control Configuration SoftwareJ.Electrical Automation，2017，39(6)：96-98.3 张宏伟，荆鹏辉，王新环.物料混合 PLC 控制系统综合实验案例设计 J.软件导刊，2018，17(11)：213-216.ZHANG Hongwei，JING Penghui，WANG Xinhuan.Comprehensive Experimental Case Design of Material Mixing Control System Based on PLCJ.Software Guide，2018，17(11)：213-216.4 陆萍蓝，邵力行，张火明，等.基于慧鱼技术和 PLC控制的餐盘分拣系统设计 J.包装工程，2020，41(