貨物分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(終版)

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.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課 題 名 稱 貨物分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 系（院）、年級(jí)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(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)的對(duì)貨物分揀高效率的需求，設(shè)計(jì)這款貨物分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用的是貨碼識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合位置傳感器，對(duì)貨物在傳送帶運(yùn)送過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并操作分揀。該設(shè)計(jì)大體分為兩個(gè)部分，一是利用位置傳感器探測(cè)貨物位置，然后出發(fā)條碼識(shí)別器對(duì)貨物上的貨碼進(jìn)行識(shí)別，并把識(shí)別到的信息傳給系統(tǒng)；二是由系統(tǒng)進(jìn)行處理分析后分配任務(wù)給擋板，由擋板把對(duì)應(yīng)貨碼的貨物推入指定滑槽中，從而對(duì)貨物進(jìn)行分揀。其中信息處理系統(tǒng)是使用PLC作為控制器，分別對(duì)分揀裝置元器件操控的。對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行檢測(cè)后，可知該系統(tǒng)運(yùn)行擁有穩(wěn)定可靠且分揀效率高和出錯(cuò)率低等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：貨物分揀控制系統(tǒng)；條碼識(shí)別器；PLCABSTRACT 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IABSTRACTII1前言11.1 課題研究目的11.2 分揀系統(tǒng)的發(fā)展11.3 研究課題的主要內(nèi)容22 貨物分揀系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)42.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)42.2 系統(tǒng)方案論證42.3 PLC的選型53 貨物分揀系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)63.1 PLC各個(gè)組件的選擇及工作原理63.2 傳感器的選擇與運(yùn)用83.3 I/O接口的選擇及PLC的接線104 貨物分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)144.1 順序控制功能圖的設(shè)計(jì)144.2 梯形圖的設(shè)計(jì)及說明155 分揀裝置的調(diào)試185.1 調(diào)試環(huán)境185.2 軟件系統(tǒng)的調(diào)試185.3 硬件的調(diào)試205.4 軟硬件的結(jié)合調(diào)試21結(jié) 語(yǔ)22參考文獻(xiàn)23附錄24.1前言1.1 課題研究目的自動(dòng)貨物分揀系統(tǒng)在現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)流行的時(shí)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(huì)的進(jìn)步畫下濃墨重彩的一筆。目前在隨著改革開放后中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國(guó)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)在國(guó)際上取得了舉世矚目的成就。并且有了WTO的大門對(duì)我國(guó)的悄然打開，中國(guó)也加快了走向國(guó)際大舞臺(tái)的步伐。我們的國(guó)民經(jīng)濟(jì)開始漸漸融入了國(guó)際經(jīng)濟(jì)圈，進(jìn)出口總值迅速增加，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新起，給中國(guó)市場(chǎng)帶來了一股強(qiáng)有力的氣息。這樣物流、倉(cāng)庫(kù)貨物分配、郵政等貨物分配運(yùn)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(guó)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(cuò)，但在改革開放初期，中國(guó)的人力相對(duì)去購(gòu)買國(guó)外大型設(shè)備劃算很多，更有經(jīng)濟(jì)效益，但隨著人力資源的市場(chǎng)價(jià)值的提升，設(shè)備的優(yōu)良化和價(jià)格的大幅降低使得中國(guó)實(shí)施新的分揀系統(tǒng)勢(shì)在必行，即貨物自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)。雖然自動(dòng)分揀設(shè)備眾多優(yōu)點(diǎn)，但由于引進(jìn)國(guó)外的生產(chǎn)流水線，成本還是很高，對(duì)國(guó)內(nèi)的很多小型企業(yè)來說是負(fù)擔(dān)不起的，不適合我國(guó)中小企業(yè)的初步發(fā)展。如果小企業(yè)想走向大市場(chǎng)，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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，使貨物的分配更好更準(zhǔn)的進(jìn)行。并且企業(yè)的貨物分揀的消耗同時(shí)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(guó)內(nèi)企業(yè)急需一整套成本低且性能好的自動(dòng)分揀設(shè)備的投入生產(chǎn)線。為適應(yīng)這種需求，設(shè)計(jì)這種高性能的系統(tǒng)，以滿足當(dāng)下很多企業(yè)的需要。1.2 分揀系統(tǒng)的發(fā)展當(dāng)下，自動(dòng)分揀系統(tǒng)的研究,主要分為三個(gè)方面內(nèi)容。第一個(gè)方面是對(duì)物流分配中心存儲(chǔ)方法和分揀途徑優(yōu)化的研究。第二個(gè)方面是對(duì)物流分揀的設(shè)備和對(duì)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(jī)研究、郵政系統(tǒng)的交叉分配式分揀機(jī)研究等等。第三個(gè)方面是對(duì)分揀作業(yè)數(shù)據(jù)信息與分析策略和問題,在中國(guó)眾多學(xué)者及研究人員都對(duì)自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生濃厚的興趣，對(duì)開發(fā)設(shè)備的有硬件到軟件都想進(jìn)行大幅的優(yōu)化和升級(jí)使得產(chǎn)出成本降到最低。首先是貨物源條碼的設(shè)計(jì)，一定要具備其所應(yīng)有的所有信息，而且并使得全國(guó)都要實(shí)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(shí)別，而且也可避免貨物條碼混亂的現(xiàn)象出現(xiàn)。第二點(diǎn)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(yùn)行是動(dòng)態(tài)的，大大增加了識(shí)別難度，但如果使得傳送帶的速度減慢，又會(huì)有損分揀的效率，所以需研制出一種方案解決這種動(dòng)態(tài)不平衡現(xiàn)象的出現(xiàn)。第三點(diǎn)就是貨物自動(dòng)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(shí)，依然能夠穩(wěn)定運(yùn)。因此在設(shè)計(jì)開發(fā)研制過程中應(yīng)使用的動(dòng)態(tài)時(shí)窗設(shè)計(jì)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(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。如今，隨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，并為了我國(guó)物流業(yè)的迅速崛起，在國(guó)內(nèi)許多大大小小的企業(yè)和各級(jí)機(jī)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(guó)郵電部門則開發(fā)并研制出CORE-NT物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)等一些相當(dāng)具有穩(wěn)定性能且能高速處理郵件貨物的自動(dòng)分揀系統(tǒng)；在中國(guó)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(dòng)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(guó)內(nèi)對(duì)貨物自動(dòng)分揀系統(tǒng)的需求還相對(duì)較少，但隨著相關(guān)部門和各個(gè)企業(yè)的不懈努力。總的來說，目前物流大環(huán)境的正飛速發(fā)展，貨物自動(dòng)分揀系統(tǒng)在我國(guó)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(dòng)分揀系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)核心是在于是否可以將運(yùn)行在傳輸帶上的貨物進(jìn)行精準(zhǔn)的識(shí)別與分配。同時(shí)為了進(jìn)一步提高分揀貨物的效率和其準(zhǔn)確度，在分配貨物的擋板處對(duì)分揀的機(jī)器功能基礎(chǔ)進(jìn)行了大幅的改進(jìn)，并且引入條形碼自動(dòng)識(shí)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(yùn)行，增強(qiáng)了自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。貨物自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)是由傳送帶、條碼識(shí)別器、PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)和分揀機(jī)械等元器件組成。并能將分揀信息直接上傳計(jì)算機(jī)更至網(wǎng)絡(luò)終端，使得用戶端可以與計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)連接并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和控制，自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)識(shí)別與運(yùn)行的穩(wěn)定性是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成。如果要得與計(jì)算機(jī)的連接控制也加入到整個(gè)系統(tǒng)，雖說會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)上一個(gè)大臺(tái)階，并將本只是一個(gè)簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)存儲(chǔ)著進(jìn)入系統(tǒng)中的每個(gè)貨物信息，并且直觀地顯示設(shè)備的運(yùn)行轉(zhuǎn)狀態(tài)和貨物的分配情況，并進(jìn)行信息的分析處理并傳給系統(tǒng)，最終有效地識(shí)別出貨物對(duì)應(yīng)的分配流向，還可通過互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)信息。但這樣則會(huì)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。而是用PLC直接控制著傳送帶的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)貨物運(yùn)行在傳送帶上并經(jīng)過位置檢測(cè)裝置時(shí)，會(huì)給傳感器一個(gè)觸發(fā)信號(hào)使得條形碼識(shí)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(jìn)行分析處理，從而控制對(duì)應(yīng)的分揀擋板，把貨物分配到對(duì)應(yīng)滑槽中。設(shè)計(jì)的程序易操作，其有運(yùn)行穩(wěn)定、不易出錯(cuò)、成本低等特點(diǎn)，符合市場(chǎng)對(duì)其需求。2 貨物分揀系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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(dāng)今的生產(chǎn)應(yīng)用中主要分單片機(jī)（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(jiǎn)單介紹下這兩種嵌入式系統(tǒng)。首先單片機(jī)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(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。而PLC是把個(gè)人用戶所編寫的某一種特定程序放入存儲(chǔ)器中，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)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(jī)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(jī)的應(yīng)用特性作為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要組成，單片機(jī)的應(yīng)用特性可分為如下幾個(gè)方面：高集成度，體積小，高可靠性，控制功能強(qiáng)，低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品，易擴(kuò)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(qiáng)工作還不易出錯(cuò)的控制器。而單片機(jī)雖然可靠性高，但如果應(yīng)用于這次設(shè)計(jì)系統(tǒng)，就會(huì)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(jì)不易使用單片機(jī)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(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)如下：使用方便，編程簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高，硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(qiáng)且操作和維護(hù)的便捷性，都符合貨物分揀的流水線，因?yàn)檫@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(jì)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(gè)PLC生產(chǎn)廠商 ,相對(duì)知名的有莫迪康公司、美國(guó)的AB公司、GE公司、日本的歐姆龍公司、德國(guó)的西門子公司、三菱電機(jī)公司等。在對(duì)PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行控制器工程設(shè)計(jì)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(hù)的方便性、備件的通用性、系統(tǒng)可擴(kuò)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(yáng):中國(guó)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(tái)達(dá)這四種。此設(shè)計(jì)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(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)，“輸入輸出的總合計(jì)點(diǎn)數(shù)（包括特殊模塊占用點(diǎn)數(shù)）需控制在256點(diǎn)以內(nèi)；基本單元以及擴(kuò)充單元都有內(nèi)置電源；對(duì)于FX2N其基本單元上連接的特殊單元、特殊模塊，連接臺(tái)數(shù)需控制在八臺(tái)以內(nèi)”。傳統(tǒng)的人工方式分揀貨物遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了，當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)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(qiáng)、耗費(fèi)低和維護(hù)方便等特點(diǎn)。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(jì)3.1 PLC各個(gè)組件的選擇及工作原理3.1.1 概述 如今社會(huì)發(fā)展迅速，在中國(guó)本土企業(yè)開始崛起的過程中各個(gè)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(dāng)今時(shí)代的產(chǎn)品，現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)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(huì)的需求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)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(dāng)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(yùn)用在各個(gè)大型自動(dòng)設(shè)備中，其方便、高效等特點(diǎn)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(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動(dòng)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(yuǎn)不止與此，其功能的不斷加強(qiáng)和更友好的兼容設(shè)備，都是它價(jià)值的體現(xiàn)。它不但是單片機(jī)自動(dòng)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(dòng)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(jī)處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分組成。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的頭腦，不斷地收集來的輸入信號(hào)，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(chǔ)器顧名思義是用來存儲(chǔ)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(jì)，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(jì)并固化在ROM（只讀存儲(chǔ)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(dòng)化智能，能夠完成運(yùn)行PLC設(shè)計(jì)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(jiǎn)稱為I/O模塊，它們相當(dāng)于系統(tǒng)的眼睛、耳朵、觸覺，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的重要通道。所有信號(hào)的接收和識(shí)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(shí)別各種開關(guān)量的輸入信號(hào)；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(hào)。而相對(duì)應(yīng)的，PLC的一些執(zhí)行任務(wù)則會(huì)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(dāng)外部出現(xiàn)的噪聲干擾和尖峰電壓過大可能會(huì)對(duì)CPU模塊內(nèi)的元器件造成破壞并使得PLC無法工作運(yùn)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(hù)內(nèi)部設(shè)備。而且I/O模塊不僅有傳遞信號(hào)、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(huì)用來監(jiān)督用戶程序的執(zhí)行狀況。隨著時(shí)代的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)軟件直接編輯修改來替代，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)不同程序語(yǔ)言的互相轉(zhuǎn)化。這樣大大方便了對(duì)程序的編譯操作，還可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的遠(yuǎn)程傳輸和編輯，使社會(huì)生產(chǎn)變得越來越有效率，達(dá)到良性循環(huán)的效果。3.2 傳感器的選擇與運(yùn)用3.2.1 傳感器的簡(jiǎn)介傳感器是一種可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的裝置，它能接收到不同類型的被檢測(cè)量的信號(hào)信息，還能處理其接收到的對(duì)應(yīng)信息量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)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(chǔ)和控制等需求。傳感器的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)、控制的首要環(huán)節(jié)。由于傳感器的存在和發(fā)展，讓機(jī)械設(shè)備有了觸覺、聽覺和視覺等感官，讓機(jī)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(gè)種類”唐文彥.傳感器M.哈爾濱工業(yè)大學(xué):機(jī)械工業(yè)出版社,2016:5-18,31.。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)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(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認(rèn)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(jī)器變得活了起來。 “傳感器”在新韋式大詞典中解釋為：“從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)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(cè)量發(fā)出的信息，轉(zhuǎn)換并輸出與被測(cè)量呈現(xiàn)特殊規(guī)律的物理量信號(hào)信息；再由轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；變換電路的任務(wù)是對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)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(cè)量，輸出與被測(cè)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(cè)量（通常為非電量）且輸出與被測(cè)量成一定關(guān)系的電量。傳感元件也可以間接接收被測(cè)量，只感受與被測(cè)量成一定函數(shù)關(guān)系的其他非電量。通常情況下都會(huì)使用這種傳感元件”。信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路：“把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于記錄、運(yùn)算、顯示的有用信號(hào)的電路。根據(jù)傳感元件類型的不同還有很多信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，一般常會(huì)使用的電路有電橋、放大器、振動(dòng)器和阻抗變換器等”。當(dāng)今傳感器的種類設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)使用要求的不同而做出不同樣式的產(chǎn)品，有些會(huì)做的相對(duì)簡(jiǎn)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(dāng)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(qiáng)大的標(biāo)志。3.2.2 傳感器的選擇傳感器是將所需檢測(cè)的各種變化量，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種變換器。通常用于檢測(cè)系統(tǒng)自身與任務(wù)作業(yè)對(duì)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(duì)課題設(shè)計(jì)的要求，經(jīng)分析需以下介紹的傳感器：光電門、條碼識(shí)別傳感器。光電門主要用來檢測(cè)貨物的進(jìn)出情況和記數(shù)，而用視覺傳感器對(duì)同物料的種類進(jìn)行識(shí)別。 （1）光電門傳感器運(yùn)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(duì)貨物的進(jìn)出情況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(huì)選擇槽型光電傳感器去使用。槽型光電傳感器是把一個(gè)光源發(fā)射器和一個(gè)感應(yīng)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)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(dāng)有被檢測(cè)物體從光電門中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便開始動(dòng)作。此時(shí)會(huì)輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)，同時(shí)切斷或接通負(fù)載電流，由此完成一次控制動(dòng)作。以此通過開關(guān)量信號(hào)變化，來傳遞給計(jì)算機(jī)信息從而記錄貨物的進(jìn)出情況。 （2）條碼識(shí)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(jìn)行識(shí)別，但由于本課題設(shè)計(jì)對(duì)貨物的類型沒有進(jìn)行嚴(yán)格的識(shí)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(shí)別貨碼即可，所以我將在此使用條碼識(shí)別器對(duì)物料進(jìn)行識(shí)別和分揀。假設(shè)在初始分類前，每個(gè)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(shí)別器來進(jìn)行貨物的識(shí)別和分揀。首先我們先簡(jiǎn)單介紹下條碼識(shí)別的原理和此類型傳感器的原理（如圖3.3），對(duì)于不同顏色，其反射的可見光的波長(zhǎng)同樣也有所不同，對(duì)于白色的物體能反射各種不同波長(zhǎng)的可見光，對(duì)于黑色的物體則是吸收各種不同波長(zhǎng)的可見光，所以當(dāng)條形碼掃描器所發(fā)出的光經(jīng)過光闌及凸透鏡1后，當(dāng)光照射到黑白相間的條形碼上時(shí)，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(duì)應(yīng)的強(qiáng)弱不相同的反射光信號(hào)，并轉(zhuǎn)變成相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)并輸出到放大整形電路上，而整形電路則是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號(hào)，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(shí)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(shí)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(jì)進(jìn)行PLC的輸入、輸出點(diǎn)分配和硬件接入并設(shè)定參數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)軟硬件接線的結(jié)合。系統(tǒng)的輸入信號(hào)控制量為2個(gè)，分別為光電門傳感器和條形碼識(shí)別器，其中條碼識(shí)別器用撥碼器模擬。系統(tǒng)的輸出執(zhí)行量為4個(gè)，分別為紅燈、綠燈、電動(dòng)機(jī)和分揀擋板。3.3.1 構(gòu)建設(shè)備的硬件平臺(tái)考慮到設(shè)備實(shí)際操作性，在保證設(shè)計(jì)可靠性和執(zhí)行能力的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化本次設(shè)計(jì)所需要元器件，貨物的位置檢測(cè)、條碼識(shí)別和分配擋板等設(shè)備采用了模擬量理念化的設(shè)計(jì)手段將它們省略，這些功能都由PLC來實(shí)現(xiàn)，如撥碼器模擬條碼的識(shí)別過程，燈和電機(jī)就分別模擬了分配擋板和傳送帶的運(yùn)行，光電門則是直接用輸入開關(guān)的上升沿信號(hào)進(jìn)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(hào)名稱型號(hào)數(shù)量1PLCFX2N12光電門傳感器E3R-5DE413電動(dòng)機(jī)功率：11W電壓：220V頻率：50Hz電流：0.5A額定轉(zhuǎn)速：1500r/min14條碼識(shí)別器USB接口15內(nèi)置電源輸入電壓：AC 220V輸出電壓：DC 24V16燈紅燈、綠燈27傳送帶18分配滑槽19分揀擋板功率：5W電壓：220V頻率：50Hz電流：0.3A13.3.2 PLC輸入與輸出端子的分配在PLC模擬的實(shí)際情況下，對(duì)本系統(tǒng)中PLC的輸入輸出端子進(jìn)行合理的分配。每個(gè)端子所對(duì)應(yīng)的作用對(duì)象和其所具備的功能，輸入量開關(guān)接口X11對(duì)應(yīng)的是識(shí)別門傳感器，X01X05對(duì)應(yīng)的是條碼識(shí)別器；輸出量Y05對(duì)應(yīng)的是分揀擋板，輸出量Y01、Y02分別對(duì)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PLCI/O接口分揀I/O接口備注X00SB1啟動(dòng)開關(guān)X01X04SQ1SQ4撥碼器X11SB2進(jìn)貨X05SQ5識(shí)別貨號(hào)X12SB3復(fù)位按鈕Y05M5電動(dòng)機(jī)Y06M1傳送帶Y01LD1紅燈Y02LD2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(jì)4.1 順序控制功能圖的設(shè)計(jì) 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(dòng)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(zhǔn)確無誤的完成課題所要求的貨碼的識(shí)別工作，和當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤后的重啟和復(fù)位任務(wù)，是可以投入實(shí)際生產(chǎn)的優(yōu)秀系統(tǒng)，也是可以傳播學(xué)習(xí)的優(yōu)秀素材資料。本次設(shè)計(jì)的順序控制功能圖，主要由三個(gè)大部分組成，一是貨物的進(jìn)入待識(shí)別；二是識(shí)別后再分揀；三是當(dāng)識(shí)別到問題貨碼的報(bào)錯(cuò)和重啟。系統(tǒng)的啟動(dòng)，貨物的進(jìn)入，貨碼的識(shí)別和分揀環(huán)環(huán)相扣緊湊有序，很好地完成了各個(gè)環(huán)節(jié)所分配的任務(wù)，是可以高效、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的執(zhí)行工作任務(wù)的基于PLC所設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)了，用第一個(gè)開關(guān)X00的閉合去表示貨物可以進(jìn)貨（如圖4.3），把輸出量Y02置位1來表示綠燈L2亮，則可以進(jìn)貨，此處SET是置位指令。用第二個(gè)開關(guān)X11的閉合來模擬S1為ON去表示貨物被檢測(cè)到。圖4.3 進(jìn)貨程序用四個(gè)開關(guān)所生成的脈沖變化量來模擬撥碼器，再?gòu)膿艽a器讀出貨碼。而開關(guān)X05則表示對(duì)檢測(cè)到的貨碼進(jìn)行識(shí)別（如圖4.4）。這也是系統(tǒng)的識(shí)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(dòng)，同時(shí)撥碼器的輸入值需要的是脈沖信號(hào)去賦值。圖4.4 撥碼器當(dāng)所檢測(cè)到貨碼為1、2、3、4、5時(shí)，則紅燈L1亮，并且電機(jī)M5啟動(dòng)表示開始進(jìn)行分配擋板的運(yùn)行工作。在此我分別用輸出端Y01和Y05表示紅燈和電機(jī)M5。我還用到了一個(gè)延時(shí)程序來代表了，貨物在傳送的運(yùn)送和貨物分揀所需的時(shí)間（如圖4.5）。將貨物分揀到對(duì)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(yùn)行分揀系統(tǒng)。T1、T2指令都是時(shí)間計(jì)時(shí)器，斷電則會(huì)歸零，而K50、K20表示是T1、T2所走的時(shí)間參數(shù)。圖4.5 延時(shí)程序而當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到貨碼非1至5時(shí)則會(huì)進(jìn)入報(bào)錯(cuò)程序，紅燈L1閃爍提醒出錯(cuò)，電機(jī)M5停止運(yùn)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(hào)量的變化。如果你不去按下復(fù)位的按鈕，則紅燈L1會(huì)一直閃爍，在下圖中的X12為復(fù)位開關(guān)，當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)后，我會(huì)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(gè)表示開始復(fù)位的指示燈，提醒人們系統(tǒng)將重新啟動(dòng)，為下次系統(tǒng)的再次運(yùn)用做好準(zhǔn)備。（如圖4.6） 總之，我的程序設(shè)計(jì)是以順序控制梯形圖為基礎(chǔ)進(jìn)行編寫的，每個(gè)步驟都嚴(yán)格按照要求認(rèn)真地完成，并在此給出主要梯形圖設(shè)計(jì)部分的詳解。為讀者提供了了解和學(xué)習(xí)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(yùn)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(shí)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(jì)難點(diǎn)主要集中在，以下三個(gè)方面：一是撥碼器的設(shè)計(jì)問題；二是識(shí)別后貨物的分揀和系統(tǒng)的循環(huán)；三是出錯(cuò)后系統(tǒng)的重啟再運(yùn)行。我的在這一小節(jié)給出各個(gè)難點(diǎn)詳細(xì)說明和程序圖，增加了論文的可讀性和實(shí)際價(jià)值，也為遇到同樣難題地人們給出了我的思路和設(shè)計(jì)理念。圖4.6 報(bào)錯(cuò)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(jì)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(jì)，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(jì)完成后，都需要對(duì)成果進(jìn)行基本的檢測(cè)與調(diào)試，從中找出問題的所在并加以解決。在運(yùn)行程序時(shí)，我發(fā)現(xiàn)時(shí)間計(jì)時(shí)器處會(huì)出現(xiàn)問題，一是動(dòng)作太快沒法看清反應(yīng)發(fā)生的時(shí)間，二是計(jì)時(shí)器的互鎖出現(xiàn)錯(cuò)誤，我都對(duì)它們進(jìn)行了調(diào)整，加大了時(shí)間長(zhǎng)度，以更好地了解整個(gè)程序的運(yùn)行狀態(tài)，還有就是重新編寫了一個(gè)互鎖；其實(shí)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(huì)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(gè)脈沖信號(hào)，這樣也可以清晰地完成撥碼器的撥號(hào)操作。用開關(guān)量X00產(chǎn)生脈沖信號(hào)，使得Y02亮代表著綠燈亮貨物可以進(jìn)貨，X11開關(guān)量ON表示“S1為ON”模擬檢測(cè)貨物的光信號(hào)檢測(cè)到了貨物。（如圖5.1）圖5.1 貨物進(jìn)入并檢測(cè)用X01、X02、X03、X04四個(gè)開關(guān)量模擬撥碼器，用X01、X02、X03、X04四個(gè)開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號(hào)時(shí)，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(duì)撥碼器所模擬的貨物貨號(hào)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)識(shí)別的貨碼為4時(shí)，是1、2、3、4、5其中的一種貨碼，則紅燈L1亮，電機(jī)M5運(yùn)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(dāng)識(shí)別到的貨碼不是那五個(gè)數(shù)字，則紅燈L1閃爍，表示出錯(cuò)，電機(jī)M5停止。（如圖5.4）圖5.4 報(bào)錯(cuò)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(dòng)并且可以重新運(yùn)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(dòng)分揀系統(tǒng)的所需各種硬件設(shè)備。主要分為以下幾個(gè)組成，用光電門檢測(cè)是否有貨物的進(jìn)入；傳送帶則是起到傳運(yùn)貨物的工作；條碼識(shí)別器用于檢測(cè)貨物上編碼；分揀擋板則是把所識(shí)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(yùn)行狀態(tài)和貨物檢測(cè)情況；當(dāng)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(jì)中電機(jī)M5所代表的則是分揀擋板運(yùn)行情況而不是傳送帶，傳送帶是由M1驅(qū)動(dòng)讓其一直運(yùn)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(dá)的各種任務(wù)，才是本次設(shè)計(jì)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(dāng)軟硬件結(jié)合起來去完成一個(gè)指定任務(wù)時(shí)，它們能否很好地兼容，穩(wěn)定的運(yùn)行才是找出問題并解決問題的所在。結(jié) 語(yǔ)貨物自動(dòng)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(jì)主要采用的是融入條碼識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)理念的貨物分揀自動(dòng)控制系統(tǒng)，它能夠自行檢測(cè)貨物在傳送帶上的位置，以便于給計(jì)算機(jī)終端觸發(fā)采集圖像的信息，經(jīng)過計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的分析處理隨后進(jìn)行譯碼，得到貨物編碼，再根據(jù)貨號(hào)進(jìn)把貨物推入對(duì)應(yīng)的滑槽內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀的需要。經(jīng)過對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的識(shí)別和成功地將貨物引入對(duì)應(yīng)的滑槽，在連接電腦后還看得到對(duì)應(yīng)的信息。實(shí)現(xiàn)了分揀的自動(dòng)化和智能化，能夠大大滿足了大型企業(yè)對(duì)貨物自動(dòng)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(fèi)人力的崗位，還避免了客戶對(duì)人為暴力分揀現(xiàn)象出現(xiàn)的擔(dān)憂。參考文獻(xiàn)：1陳宏.可編程控制器（PLC）的選型A.岳陽(yáng):中國(guó)石油化工股份有限公司巴陵分公司,2003.2唐文彥.傳感器M.哈爾濱工業(yè)大學(xué):機(jī)械工業(yè)出版社,2016:5-18,31.3姬飛飛.條碼識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用D.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011.4田源主編.倉(cāng)庫(kù)規(guī)劃與管理M.北京:清華大學(xué)出版社,2009:65-150.5廖常初.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)M.重慶:重慶大學(xué)出版社,2007:134-185.6廖常初.PLC編輯及應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013:51-85.附錄.