自動分揀控制系統設計

高 翔

（江蘇遠方動力科技有限公司，江蘇 常州 213000）

1 自動分揀控制算法研究

1.1 串行自動分揀控制算法

串行自動分揀系統標準模型主要由多臺分揀機和輸送皮帶組成[1]。串行自動分揀系統的分揀工藝特點可以總結如下：

1.訂單嚴格按照訂單隊列中的先后順序來開始分揀，并按照分揀順序來到達分揀出口進行分揀。

2.每個訂單中品項的分揀嚴格按照品項所對應的分揀倉編號順序來進行，每個分揀倉在其前序分揀倉分揀完成之后就可以進行分揀作業[2-3]。

忽略分揀機分揀動作的具體控制細節，實現串行自動分揀系統控制的算法必須解決兩個問題：確定每個訂單分揀的開始時刻和確定每個訂單中每個分揀倉分揀動作的執行時刻。

由于訂單中各品項在分揀系統開始工作前就已經分配到對應的分揀倉，所以訂單視窗的大小可以轉化為是訂單中個分揀倉實際分揀時間的疊加。假設系統中有m個分揀倉，第j號分揀倉的單位物料分揀時間為tj，在第i號訂單中第j號分揀倉需要分揀的量為nij，則i號訂單的訂單視窗Ti為[4]：

串行自動分揀工藝要求訂單嚴格按照先后順序分揀。因此，從訂單分揀后的效果來看，訂單視窗在輸送皮帶上順序排列，并保持固定間隔。為了便于討論、簡化計算。我們可以將訂單開始分揀的時間視為訂單視窗進入輸送皮帶d0點的時刻。假設第1 號訂單開始分揀的時刻為S1，訂單視窗固定時間間隔為D，則第2號訂單的開始分揀時刻S2=S1+T1+D，以此類推，第i號訂單開始分揀的時刻為Si=Si-1+Ti-1+D。

對于第1 號訂單開始分揀的時刻可以設定為系統開始分揀的初始時刻S0，因此訂單開始分揀的時刻可以整理為：

訂單中有訂貨需求的品項由對應的分揀倉分棟，依據編號大小順序執行分棟，每個分揀倉在其前序分揀倉分揀完成后方可開始執行分揀作業。假設輸送皮帶的速度為v，第k號分揀倉與訂單視窗進入輸送皮帶d0之間的距離為dk。

因此，第i號訂單中第k號分揀倉分揀執行時刻為τik：

在式（1）、（2）、（3）中，nij是與訂單相關的變量，tj、dk在自動分揀系統中是與分揀機能力、位置相關的確定量，速度v則需要在系統設計時選擇適當的輸送皮帶速度。自動分揀系統要保證分掠后的物料在輸送皮帶上不出現堆疊，輸送皮帶必須至少在分揀倉的單位分揀時間內為完成對應品項單位物料的輸送，即：輸送皮帶速度要與分揀倉分揀能力匹配[5-6]。假設系統中共有m個分揀倉，第j號分揀倉對應的分揀品項的單位物料寬度為lj，則輸送皮帶的輸送速度v的選擇依據是：

1.2 分組并行自動分揀控制算法

在分組并行自動分揀系統模型中，每一個分組都是一個串行自動分揀子系統。根據上文給出的串行自動分揀系統控制算法，我們容易得到分組并行自動分揀系統第i號訂單的第g 號分組的控制算法為[7-8]：

1.分組訂單的訂單視窗：

2.分組訂單開始分揀時刻：

3.分揀倉分揀執行時刻：

分組并行自動分揀系統還有兩個核心工藝環節：每個分組的訂單在合流點堆積，壓縮訂單視窗；壓縮后的分組訂單需要合流形成完整訂單。

2 系統硬件設計

自動分揀系統主要包含設備檢測控制系統、設備的分撿控制系統和全程監視（HMI）系統。檢測單元由PLC（可編程控制器）、氣缸、氣閥、電磁閥、繼電器和相應檢測功能的傳感器組成，控制站主要包含西門子S7-300 的主站、以太網通訊模塊、DP 鏈路、西門子S7-200 的從站、DP 總線的低壓開關等構成。

2.1 控制柜電氣部分

2.1.1 總電源部分

三相開關：選擇空氣開關，三相四線，額定電壓為380V，額定電流32A。

安全保護功能：選擇漏電保護開關，瞬時保護電流30mA，反應時間0.1S。

24V 直流電源：220V 交流電驅動，24V 電壓，10A電流，紅為正，黑為負。

2.1.2 主要控制元器件

系統主站采用西門子S7-300 可編程控制器，CPU為315-2DP 模塊含后備電池及存儲卡，輸入/輸出模塊：整套裝置控制。

2.2 系統輸入/輸出（I/O）分配表選擇

根據控制要求選擇輸入/輸出（I/O）具體分配。

檢測單元控制要求：當系統位于控制原點時，按下檢測系統啟動按鈕或者分揀系統啟動按鈕或者主站上的啟動按鈕都可以啟動系統，檢測系統、分揀系統上的傳送帶根據啟動信號指令開始轉動工作，對應的兩個單元以及主站的運行指示燈亮，提示系統開始運行。

分揀單元控制要求：

當檢測為非金屬物件時，PLC 控制擺動氣缸雙向電磁閥得電，擺動氣缸機械手臂在氣壓作用下上升，擺動氣缸工作到達限位開關后旋轉氣缸工作，旋轉90°，當到達旋轉限位開關后直線平移氣缸電磁閥得電，直線平移氣缸右移，直線平移氣缸平移到最右側限位開關后，將物件按照顏色放至最右側固定非金屬物件區域，機械手臂在該位置保持運行2 秒后，直線氣缸電磁閥斷電，機械手安裝原理工作軌跡回到初始位置。

當檢測為金屬物件時，PLC 控制擺動氣缸雙向電磁閥得電，擺動氣缸機械手臂在氣壓作用下上升，擺動氣缸工作到達限位開關后旋轉氣缸工作，旋轉90°，當到達旋轉限位開關后直線平移氣缸電磁閥得電，直線平移氣缸右移，直線平移氣缸平移到最右側限位開關后，將物件按照不同的顏色放至最左側固定金屬物件區域，而后加緊氣缸斷電，夾緊氣缸松下物件，物件落到金屬物件區域相應位置。機械手在該位置保持運行2 秒后，機械手安裝原理工作軌跡回到初始位置。具體分揀部分I/O 分配表如表1 所示。

表1 分揀部分I/O 分配表

3 系統從站程序設計

3.1 檢測單元程序設計

對檢測單元控制要求進行分析，結合輸入/輸出（I/O）地址的分配表對應PLC 輸入與輸出的地址，分析各輸入/輸出與各控制要求之間的邏輯、數據關系，確定需要檢測的量和控制方法的基礎上，根據各設備的操作內容和操作順序，確定了各模塊之間的關系，設計系統控制的流程圖，用于清楚地表明動作的順序。在對其進一步細化，然后編制梯形圖。

3.2 分揀單元程序設計

對分揀單元控制要求進行分析，結合分揀單元輸入/輸出（I/O）地址的分配表對應PLC 輸入與輸出的地址，分析各輸入/輸出與各控制要求之間的邏輯、數據關系，確定需要檢測的量和控制方法的基礎上，根據各設備的操作內容和操作順序，確定了各模塊之間的關系，設計系統控制的流程圖，用于清楚地表明動作的順序。

4 總結

在SIEMENS 公司S7-300 系列PLC 自動分揀控制系統中設計和實現分揀控制算法。由于基于時間參數的分揀控制算法不適合PLC 控制程序的設計與實現，在自動分揀系統的皮帶輸送機上設計安裝增量式旋轉編碼器，用編碼器脈沖計數重新定義參數修正分揀控制算法。依據修正的分揀控制算法，設計實現自動分揀PLC 控制系統程序。該PLC 控制系統在實際的訂單自動分揀系統應用中運行良好，達到設計目標及控制要求。