物流交叉分揀機的上包控制系統研究

史建平，狄軼娟，蔡紀鶴

（常州工學院 電氣與光電工程學院，常州 213022）

物流交叉分揀機的上包控制系統研究

史建平，狄軼娟，蔡紀鶴

（常州工學院 電氣與光電工程學院，常州 213022）

隨著電子商務的快速發展，傳統人工分揀作業方式已不能滿足現代物流分揀的需求，因而，就有必要對自動分揀技術進行研究。在交叉帶式分揀機系統中，上包臺系統直接影響到整個包裹分揀系統的性能和效率。因此，為了滿足中通快遞的快速、高效分揀，提出對交叉帶式分揀機的上包控制系統進行設計研究。為提高包裹的自動分揀效率，上包臺系統提出采用三級傳送帶結構，且上包臺與輸送裝置成45°。經系統調試，此物流交叉分揀機的上包臺系統上包效率高，準確性高、穩定性好。

物流；自動分揀；上包臺；三級傳送

0 引言

隨著電子商務的快速發展，我國物流行業保持高速發展的趨勢，分揀作業已成為物流工作的重要環節。傳統的分揀作業方式完全基于人工，通過人工搜索、搬運貨物來完成貨物的提取。這種傳統的人工分揀方式需要大量的人力物力，自動化技術水平低，分揀效率非常低，容易漏檢、錯檢等。近年來，隨著我國電子商務、快遞等行業的快速發展，傳統的人工分揀方式已不適合現代物流行業的發展。因此，自動分揀系統（Automatic sorting system）在物流行業得到了很好的發展，如郵件分揀[1]、行李分揀[2]、藥品分揀[3]、材料[4]及煙草[5]等。

在現有的物流自動分揀系統中，交叉帶式分揀系統具有可處理多樣化的貨物、以較小的單元間距將生產量最大化的優點，因而應用廣泛[6]。

包裹自動分揀系統一般由供包裝置、上包臺系統、輸送裝置（由小車組成的環形封閉輸送裝置）、格口落包系統構成。其中，上包臺系統是包裹分揀系統中的重要組成部分，直接影響到整個包裹分揀系統的性能和效率。因此，在本文中提出對上包臺系統的控制方法進行研究，以提高物流包裹在自動分揀作業中的上包效率。

1 物流交叉分揀機的上包臺系統

1.1 上包臺的結構設計

本文研究的物流交叉分揀機系統，主要是針對3.5kg以下的中小型規格的規則包裹進行自動分揀。因此，在本設計中，為提高包裹的自動分揀效率，上包臺系統提出采用三級傳送帶結構，分別為掃描級、等待級及加速級。各級根據其控制目的采用不同的驅動裝置。掃描級的功能是使系統獲取待分揀包裹的信息，包括條碼信息、質量信息，這些信息被發送給上報計算機用來判斷包裹的落包口。掃描級由滾筒電機驅動。等待級是包裹用來等待小車同步信號的地方，由直流電機驅動。加速級的功能是使包裹加速至與環形圈上小車匹配的速度，因而其對速度的控制精度要求較高，故該級采用伺服電機驅動。

物流交叉分揀機系統的上包臺系統結構如圖1所示。

圖1 上包臺系統硬件結構圖

圖中，D1為滾筒電機，D2為直流電機，D3為伺服電機。三級傳送帶依次為掃描級、等待級、加速級。C1、C2、C3為對射型光電傳感器。C4為電子秤。其中，掃描級由滾筒電機驅動，電子秤置于掃描級傳送帶下方，用以稱量待分揀包裹質量。等待級由直流電機驅動。加速級由伺服電機驅動。

1.2 上包控制系統

本上包臺系統的控制系統主要由計算機、條形碼閱讀器、重量動態稱、三級傳送帶、變頻器、交流電機等組成。在上包控制系統中，首先分別使用條形碼閱讀器、重量動態稱讀取包裹條形碼、包裹重量，將包裹信息、包裹重量被送至主控制；然后，控制變頻器和交流電機使上包皮帶轉動，將包裹準確送上輸送裝置。

上包控制系統的上包流程主要描述為：1）首先，掃描級與等待級電機啟動，包裹經過掃描槍掃描后，放入掃描級。2）加速至掃描級帶速后，勻速經過電子秤，得到質量。3）包裹進入等待級后，掃描級與等待級停止運行，包裹減速達到定位線開始等待小車同步信號。4）得到小車同步信號后，上包PLC根據上包臺計算機發來的延遲時間控制等待級電機延遲啟動，同時上包PLC也要控制對加速級的提前啟動。包裹進入加速級后，進一步加速至目標速度，進入小車。

2 上包控制系統

在上包系統的控制策略研究中，常見的提高上包效率的策略主要有：1）增加上包系統的上包點、小車數量；2）提高上包系統中上包傳送帶的速度和小車環形圈的運行速度；3）提高上包的工作效率。在實際的物流交叉分揀機系統中，考慮到上包系統控制的復雜性和分揀成本，對上包點、小車數量都會控制在一定的范圍內，同時傳送帶速度、小車環形圈運行速度受設計及制造工藝水平的限制，它的提高是有一定的限度的。

因此，在本文研究的物流交叉分揀機中，假設上包點個數為Np、小車數量為Nd、小車長度為d1、三級傳送帶的速度分別為v1、v2、v3、小車環形圈的運行速度為vd，提出對上包臺的上包效率進行控制策略研究，從而進一步提高物流交叉分揀機系統的分揀效率。

2.1 三級傳送帶速度

1）加速級速度（v3）

在上包臺系統的研究中，設定上包臺與輸送裝置成β角度，則可得加速級運行速度（v3）和小車環形圈的運行速度為（vd）之間存在如下矢量關系圖：

從圖2可得：

圖2 加速級速度矢量圖

2）掃描級速度（v1）和等待級速度（v2）

當上包分揀系統啟動后，掃描級傳送帶以速度v1連續穩定運行，等待級傳送帶以速度v2允許進行，為了使包裹平穩的進入等待級傳送帶，不側翻或偏移，故而選取v1=v2。當包裹進入等待級停止且開始等待空載小車同步信號時，掃描級傳送帶也停止運轉。本設計為了降低系統設計與測量的難度，故而選擇v1=v2=v3/2。

2.2 上包臺控制流程

本文上包系統的上包控制流程如圖3所示。

圖3 上包控制流程圖

從圖3可以看出，上包系統控制流程大致分為4部分：初始過程、掃描過程、等待過程及加速過程。

1）初始過程：主要完成系統分檢工作前的一系列準備工作，包括使用射型光電傳感器C1、C2，檢測此位置是否有包裹。

2）掃描過程：主要是采集包裹信息和重量信息，通過RS-485總線上傳給分揀主機。若包裹超重（≥3.5kg），則系統報警提示工作人員取出超重包裹，否則，包裹繼續前行。進入等待級后，PLC控制等待級與掃描級電機停止，使包裹減速為0達到定位線，此處可用射型光電傳感器C2檢測包裹是否到達定位線處。

3）等待過程：包裹在等待級的定位線處等待小車觸發信號。得到觸發信號的這段時間成為延遲時間，數值由上位機控制程序計算得到。

4）加速過程：當得到觸發信號后，啟動等待級與掃描級電機，對包裹再加速。進入加速級（可用射型光電傳感器C3檢測）后，進一步加速至預期上包速度，完成系統的上包操作。

從上包系統的上包控制流程可以看出，要進一步提高上包系統的工作效率，主要取決于一個參數，即在第一個包裹位于等待級定位線等待空載小車階段時，得到同步信號后，設位于掃描級的第二個包裹到達定位線的時間為t1，第一個包裹完成上包所需的時間為t2，真正決定上包系統效率的是縮小t2-t1這個時間差。提高上包系統的效率的關鍵就是確保第一個包裹發出的同時，第二個包裹到達原第一個包裹的位置（定位線），并依次不斷的重復。

3 控制系統設計與實現

本設計中，為了滿足中通公司廣州分公司的快遞的快速、高效分揀，設計物流交叉分揀機系統的供包裝置及上包臺各4個、小車120個（長寬為0.5m）、格口8個。

3.1 系統設計

為使上包臺系統能以較高的效率將包裹送入小車，本設計選用施耐德PLC（具體型號是TM221CE16R）。需要配備的模塊是TM3AQ4模擬量輸出模塊。光電傳感器作為位置檢測器件直接與上包PLC相連。上包PLC通過RS232串口與上包臺計算機通訊，通過RS485串口控制各級傳送帶電機。上包系統的拓撲結構如圖4所示。

圖4 上包系統通訊拓撲圖

3.2 物理參數確定

本文中，為了簡化設計、便于計算，將包裹抽象為一個質點，使用質點模型來分析包裹在傳送帶上的運動。

1）靜摩擦系數及加速度

包裹在傳送帶運動的過程中，受到自身重力和傳送帶的靜摩擦力。考慮到傳送帶材質對上包系統的影響，選用包裹與傳送帶之間的靜摩擦系數為f=0.5的材質用作傳送帶。

若想讓包裹在傳送帶上無滑動，則需要滿足條件加速度a＜g.f。其中g為重力加速度，取9.8N/kg，故計算可得加速度a需滿足條件a＜4.9m/s2。在本設計中，去a=4m/s2。

2）三級傳送帶速度

根據經驗和測試，設定環形圈運行速度vd=2.5m/s。

在上包臺系統的研究中，為了便于計算，一般會將上包臺與輸送裝置成β=45°或30°等。在本上包臺系統中，選擇β=45°。因此，可得到v3=vd/cos45°≈3.54mm。同時，為了降低系統設計與測量的難度，故選擇v1=v2=v3/2=1.77m/s。

根據本問上包臺系統的設計安裝調試，可實現對包裹的正常上包，具有很高的上包效率、準確性、穩定性。

4 結論

在自動分揀機系統中，上包臺系統直接影響到整個包裹分揀系統的性能和效率。因此，為滿足快速發展的中通快遞物流分揀的需求，本文提出對交叉帶式分揀機系統的上包臺系統進行設計研究。本上包臺系統采用三級傳送帶結構，通過對上包控制系統的設計、物流參數確定及調試可知，本上包臺系統的上包效率高，準確性高、穩定性好，對節省勞動力、提高效率、減少錯誤率和降低成本等方面都有十分積極的意義。

[1] 陳剛,魯玲,胡小東.基于S7-200PLC控制的郵件自動分揀系統[J].機電一體化,2008,(3):87-90.

[2] 許新.大型機場行李自動分揀系統及導入子系統研究與應用[D].中南大學,2010.

[3] 王美艷.基于SLP的藥品配送中心自動拆零分揀系統規劃[J].物流技術,2014,(4):43-47.

[4] 付偉.PLC在材料自動分揀系統中的應用[J].制造業自動化. 2012,(6):136-138.

[5] 孫大偉,王暉,趙舉峰.基于PLC的煙箱自動分揀系統[J].河南科技,2012,(11):78-79.

[6] 譚剛.交叉帶式高速包刷分揀機的研究與仿真[D].重慶大學,2004.

The research on induction control system of logistics cross-belt sorter

SHI Jian-ping, DI Yi-juan, CAI Ji-he

TP273

A

1009-0134(2017)04-0114-03

2016-12-20

江蘇省科技計劃項目（BY2016031-06）；常州工學院自然基金項目（YN1401）；江蘇高校文化創意協同創新中心研究項目（XYN1514）

史建平（1965 -），男，江蘇吳江人，副教授，本科，研究方向為電氣工程和智能控制技術。