基于PLC與USS通信協(xié)議的稱重與分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何守磊，殷 振，劉 意，仝 旭，顧鳴偉

（蘇州科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，蘇州 215009）

0 引言

隨著淘寶、京東和蘇寧等電商的興起，消費(fèi)者逐漸從傳統(tǒng)線下門店購買模式轉(zhuǎn)變到線上下單購買模式。尤其是電商每年一度的雙十一購物狂歡節(jié)，對快遞行業(yè)分揀的準(zhǔn)確性、高效性和安全性要求越來越高。一般物流公司是小公司收件，然后賣給大公司（順豐等直營企業(yè)除外）。收件過程中要根據(jù)寄件的大小進(jìn)行計(jì)費(fèi)，計(jì)費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)是重量、體積等因素共同決定的。對于國際件和小件（袋裝件），則是條碼和重量相結(jié)合的方式計(jì)費(fèi)。人工測算包裹體積與重量過程中，需要多次轉(zhuǎn)放貨物，甚至有些員工直接一扔，對貨物損傷極大[1]，但傳統(tǒng)的模式又無法避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。可編程邏輯控制器（PLC）具有高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力[2]，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代自動化控制的加工生產(chǎn)中。為了解決上述人工收件稱重慢、效率低、工作不連續(xù)等問題，設(shè)計(jì)了基于西門子1200系列PLC[3,4]和MM440變頻器[5]，使用稱重傳感器檢測元件，完成對包裹的稱重、篩選、分類輸送的快速分揀功能。同時，基于USS通信協(xié)議的變頻器無級調(diào)速功能及旋轉(zhuǎn)編碼器精確定位與高速脈沖計(jì)數(shù)功能，可實(shí)現(xiàn)對稱重分揀過程的半閉環(huán)控制，極大降低了包裹在稱重和分揀過程中受到的沖擊載荷，有效保護(hù)包裹內(nèi)物品的完好性，從軟件控制方面實(shí)現(xiàn)柔性稱重與分揀的目的。

1 分揀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 分揀系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

分揀系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要組成包括：檢測單元、輸送單元、執(zhí)行單元、物理裝置。檢測單元主要由稱重傳感器、光線傳感器、磁性限位檢測開關(guān)和光電編碼器等部分組成，完成對包裹稱重，計(jì)算輸送脈沖數(shù)及是否推送到位的功能。輸送單元主要由步進(jìn)電機(jī)和輸送帶組成，完成輸送包裹的目的。執(zhí)行單元的氣動推桿，實(shí)現(xiàn)將包裹推入傳送帶的功能。物理裝置完成支撐，固定與定位功能。

圖1 分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，推桿采用清潔環(huán)保的氣動控制，動力源由空氣壓縮機(jī)提供。PLC通過置位復(fù)位電磁閥，控制推桿的伸出與縮回。推桿與傳送帶過度部分有一定的斜度，便于包裹進(jìn)入傳送帶，同時降低推力對包裹的沖擊，達(dá)到保護(hù)包裹完好的目的。

圖2 分揀系統(tǒng)實(shí)物圖

1.2 工作流程

物料被機(jī)械手放入物料導(dǎo)向器后，在輸送帶的運(yùn)送下，到達(dá)稱重傳感器。延時稱重后，輸送帶繼續(xù)輸送物料至指定推桿位置停止并延時。延時到，推桿動作，物料進(jìn)入傳送帶，并被傳送到指定區(qū)域。

圖3 分揀系統(tǒng)流程圖

分揀系統(tǒng)控制流程如圖3所示，輸送帶檢測到包裹后，啟動輸送帶進(jìn)行輸送任務(wù)。包裹進(jìn)入稱重單元后，輸送帶停止并進(jìn)行稱重，不同重量范圍的上下限信號轉(zhuǎn)換成UNI800C的開關(guān)量信號，轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果依次為I1.2（首重1kg以內(nèi)）、I1.3（續(xù)重2kg以內(nèi)）、I1.5（續(xù)重3kg～5kg）。S7-1214C型號PLC通過內(nèi)部的選擇判斷指令，確定各類型包裹重量的流向控制，借助推桿將各種重量的包裹推送至指定料槽傳送帶中。傳送完成后，該周期分揀輸送任務(wù)完成并繼續(xù)下一周期分揀任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MM440變頻器

分揀系統(tǒng)采用三相減速電機(jī)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動輸送帶，輸送包裹的作用。為了使輸送電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，減少包裹在輸送中損壞，尤其是一些對沖擊振動敏感的商品。選用MM440變頻器[6]和基于RS485的USS通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速的目的。

表1 變頻器主要參數(shù)設(shè)置

2.2 稱重傳感器信號轉(zhuǎn)換

稱重傳感器受到包裹的壓力時，會產(chǎn)生變動的微電壓信號，通過將微電壓信號送給UNI800C物料分選控制器處理，不同重量范圍的上下限信號轉(zhuǎn)換成UNI800C的開關(guān)量信號。稱重傳感器與UNI800C接線圖如圖4所示。

圖4 稱重傳感器與UNI800C接線圖

設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)后，既可以得到不同壓力范圍轉(zhuǎn)換的開關(guān)量，UNI800C中的M1～M3分別對應(yīng)西門子PLC中的輸入量I1.2、I1.3、I1.5。圖2中，EXC+/EXC-為正/負(fù)激勵、SEN+/SEN-為正/負(fù)反饋、SIG+/SIG-為正/負(fù)信號、SHD為屏蔽地。UNI800C與西門子PLC通過RS232接口連接，接線圖如圖5所示。

圖5 西門子PLC與UNI800C接線圖

2.3 旋轉(zhuǎn)編碼器

本文選用的增量式編碼器在自動生產(chǎn)線上應(yīng)用十分廣泛，結(jié)構(gòu)組成包括光柵盤和光電檢測裝置。可通過計(jì)算旋轉(zhuǎn)編碼器每秒輸出的脈沖數(shù)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器的原理示意圖如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖

光碼盤是在具有一定直徑的圓板上等距地開通若干個類矩形的狹縫。光電碼盤與電動機(jī)同軸且同速轉(zhuǎn)動時，經(jīng)過發(fā)光二極管等電子元件構(gòu)成的檢測裝置將輸出若干脈沖信號，用以檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了實(shí)現(xiàn)判斷電機(jī)正反轉(zhuǎn)信息，增量式編碼器利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出A、B和Z相三組脈沖方波，其中A、B脈沖相位相差90°。若B相脈沖滯后A相為正轉(zhuǎn)，相反B相脈沖超前A相脈沖則為反轉(zhuǎn)。三組方波脈沖圖如下。

2.4 推桿氣動控制回路

氣動推桿機(jī)構(gòu)，選用的是兩位五通的單電控電磁閥，安置于匯流板上。當(dāng)電磁閥斷電后，推桿會在彈簧力的作用下，自動回復(fù)至初始位置。下圖中的1B1、2B1和3B1分別安置在對應(yīng)推桿氣缸的極限工作位置的磁感應(yīng)接近開關(guān)，用于檢測推桿是否工作到位。1Y1、2Y1和3Y1則是推桿氣缸電磁閥的電控端，控制推桿是否執(zhí)行推料入槽的動作。

2.5 西門子PLC的I/O口分配與接線圖

作為西門子S7-200的升級版，新的模塊化SIMATIC S7-1200控制器可實(shí)現(xiàn)簡單卻高度精確的自動化任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)了模塊化和緊湊型設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大，適合各種應(yīng)用。分揀系統(tǒng)選用的是S7-1214C DC/DC/DC，訂單號為6ES7 214-1AE30-0XB0。分揀系統(tǒng)電氣接線圖如圖9所示。

圖7 增量式脈沖編碼器輸出的三組方波脈沖

圖8 推桿氣動控制回路工作原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 脈沖當(dāng)量測試

為了實(shí)現(xiàn)輸送帶精準(zhǔn)輸送包裹至指定推料槽口，采用光電編碼器對步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，分揀系統(tǒng)選用的光電編碼器采用A/B正交反相計(jì)數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，建立以下數(shù)學(xué)模型求解脈沖當(dāng)量。

其中，μ為脈沖當(dāng)量值，xj表示第j次高速計(jì)數(shù)器測量的脈沖數(shù)，yj表示第j次測量的包裹移動的實(shí)測距離。實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)如表2所示，最終測得脈沖當(dāng)量為0.2585。

表2 脈沖當(dāng)量測試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)的輸入信號包括：旋轉(zhuǎn)編碼器（I0.0～I(xiàn)0.2）、入口物料檢測（I0.3）、啟動按鈕（I0.5）、停止按鈕（I0.6）、推桿到位檢測1#～3#（I0.7～I(xiàn)1.1）、首重1kg以下（I1.2）、續(xù)重2kg以內(nèi)（I1.3）、續(xù)重3kg～5kg（I1.5）。

系統(tǒng)的輸出信號包括：輸送帶啟動（Q0.0）、推桿1～3電磁閥（Q0.4～Q0.6）、傳送帶1～3電機(jī)（Q0.7～Q1.1）。

圖9 分揀系統(tǒng)電氣接線圖

根據(jù)圖1所示的安裝布置距離計(jì)算光電編碼器輸送包裹至各位置所需的脈沖數(shù)：包裹從物料導(dǎo)向器至稱重傳感器，編碼器[8]發(fā)出455個脈沖；輸送至推桿1，編碼器發(fā)出648個脈沖；輸送至推桿2。編碼器發(fā)出1017個脈沖；輸送至推桿3，編碼器輸送1356個脈沖。

若分揀系統(tǒng)分揀種類較多，可增加推桿數(shù)與傳送帶數(shù)，本系統(tǒng)主要研究上述三種分揀類型。

3.2 USS_PORT功能塊編程

USS通信協(xié)議，是按照串行總線的主從通信原理進(jìn)行通訊訪問的。USS_PORT功能塊是用來處理USS網(wǎng)絡(luò)上的通信，是西門子S7-1200與MM440變頻器的通信接口。

BAUD設(shè)定值是和MM440變頻器通信的頻率，設(shè)定為9600baud/s。USS_DB引用的是如圖11所示的用戶程序放置的USS_DRV指令中的背景數(shù)據(jù)塊。

圖10 USS_PORT功能塊編程圖

3.3 USS_DRV功能塊編程

USS_DRV指令中，通過PLC中輸入單元的I0.5和I0.6控制變頻電機(jī)的啟動與停止。變頻器設(shè)定的頻率值和實(shí)際速度反饋值分別存放在MD20、MD30中，可通過組態(tài)界面進(jìn)行修改與顯示。考慮到輸送帶速度降為0的過程所消耗時間對運(yùn)動精準(zhǔn)性的影響及短時間降速損害步進(jìn)電機(jī)使用壽命等因素后，設(shè)定變頻器斜坡上升時間與下降時間分別為3S、2.5S，其他詳細(xì)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖11 USS_DRV功能塊編程圖

3.4 HSC_1高速計(jì)數(shù)器及功能梯形圖

入料口檢測到包裹后，啟動輸送帶。執(zhí)行輸送任務(wù)。此時，旋轉(zhuǎn)光電編碼器開始計(jì)算脈沖數(shù)。當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到648，即稱重傳感器所在位置的脈沖數(shù)，系統(tǒng)停止電機(jī)運(yùn)行并延時。3S延時到，稱重傳感器已完成將微變化的模擬量電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC輸入單元的開關(guān)量信號。此時，繼續(xù)運(yùn)行輸送帶電機(jī)，執(zhí)行輸送任務(wù)。梯形圖如圖13所示。

圖12 CTRL_HSC_1_DB功能塊

圖13 稱重檢測轉(zhuǎn)換梯形圖

圖14 包裹流向選擇判斷梯形圖

圖14所示的梯形圖中，通過比較MD80中的當(dāng)前脈沖數(shù)與MB52設(shè)定的脈沖數(shù)，滿足MD80中脈沖數(shù)≥MB52中設(shè)定的脈沖數(shù)，即推桿1位置對應(yīng)的脈沖數(shù)，執(zhí)行推送包裹進(jìn)入傳送帶的任務(wù)。MB52、MB54和MD56設(shè)定的脈沖數(shù)分別為648、1017和1356。

圖15所示的梯形圖程序，以推桿1為例。推桿1推送物料到位后，限位檢測的磁性開關(guān)得電，即I0.7得電。PLC中的程序是基于循環(huán)掃描方式執(zhí)行的，所以系統(tǒng)首先復(fù)位Q0.4推桿1電磁閥，使推桿1回復(fù)到初始位置。然后，啟動傳送帶1電機(jī)，執(zhí)行傳送包裹的任務(wù)。

4 結(jié)束語

本論文從實(shí)際角度出發(fā)，為了解決目前快遞行業(yè)在分揀高峰期依賴人工分揀所產(chǎn)生的暴力分揀方式，設(shè)計(jì)基于PLC與USS通信協(xié)議的柔性分揀[7]系統(tǒng)。選用西門子S7-1214C型號PLC產(chǎn)品與MM440變頻器，借助稱重傳感器與UNI800C之間的開關(guān)量轉(zhuǎn)換，完成將壓力微信號轉(zhuǎn)換為PLC輸入模塊的開關(guān)量信號的目的。同時基于USS通信協(xié)議的RS485串口通信控制，可以很好的實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，大大降低了包裹分揀過程中的沖擊載荷。此外，為了更好的實(shí)現(xiàn)柔性分揀過程，構(gòu)建了光電編碼器脈沖當(dāng)量的數(shù)學(xué)模型，通過大量的數(shù)據(jù)采集計(jì)算，得到脈沖當(dāng)量的數(shù)值。依據(jù)脈沖當(dāng)量計(jì)算的脈沖數(shù)，精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)推桿與包裹的最佳受力接觸點(diǎn)，完成柔性分揀的目的。綜上所述，本文對實(shí)現(xiàn)柔性分揀有著重要意義。