基于PLC與USS通信協(xié)議的稱重與分揀系統(tǒng)設計

何守磊，殷 振，劉 意，仝 旭，顧鳴偉

（蘇州科技大學 機械工程學院，蘇州 215009）

0 引言

隨著淘寶、京東和蘇寧等電商的興起，消費者逐漸從傳統(tǒng)線下門店購買模式轉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)寄件的大小進行計費，計費的標準是重量、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合的方式計費。人工測算包裹體積與重量過程中，需要多次轉放貨物，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）具有高可靠性和強抗干擾能力[2]，被廣泛應用于現(xiàn)代自動化控制的加工生產中。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，設計了基于西門子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)議的變頻器無級調速功能及旋轉編碼器精確定位與高速脈沖計數(shù)功能，可實現(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，有效保護包裹內物品的完好性，從軟件控制方面實現(xiàn)柔性稱重與分揀的目的。

1 分揀系統(tǒng)總體結構

1.1 分揀系統(tǒng)整體結構

分揀系統(tǒng)整體結構如圖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、磁性限位檢測開關和光電編碼器等部分組成，完成對包裹稱重，計算輸送脈沖數(shù)及是否推送到位的功能。輸送單元主要由步進電機和輸送帶組成，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)結構圖

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提供。PLC通過置位復位電磁閥，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，便于包裹進入傳送帶，同時降低推力對包裹的沖擊，達到保護包裹完好的目的。

圖2 分揀系統(tǒng)實物圖

1.2 工作流程

物料被機械手放入物料導向器后，在輸送帶的運送下，到達稱重傳感器。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，啟動輸送帶進行輸送任務。包裹進入稱重單元后，輸送帶停止并進行稱重，不同重量范圍的上下限信號轉換成UNI800C的開關量信號，轉換得到的結果依次為I1.2（首重1kg以內）、I1.3（續(xù)重2kg以內）、I1.5（續(xù)重3kg～5kg）。S7-1214C型號PLC通過內部的選擇判斷指令，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完成并繼續(xù)下一周期分揀任務。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 MM440變頻器

分揀系統(tǒng)采用三相減速電機，實現(xiàn)驅動輸送帶，輸送包裹的作用。為了使輸送電機運轉更加平穩(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，實現(xiàn)無級調速的目的。

表1 變頻器主要參數(shù)設置

2.2 稱重傳感器信號轉換

稱重傳感器受到包裹的壓力時，會產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換成UNI800C的開關量信號。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

設置對應的參數(shù)后，既可以得到不同壓力范圍轉換的開關量，UNI800C中的M1～M3分別對應西門子PLC中的輸入量I1.2、I1.3、I1.5。圖2中，EXC+/EXC-為正/負激勵、SEN+/SEN-為正/負反饋、SIG+/SIG-為正/負信號、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 旋轉編碼器

本文選用的增量式編碼器在自動生產線上應用十分廣泛，結構組成包括光柵盤和光電檢測裝置。可通過計算旋轉編碼器每秒輸出的脈沖數(shù)計算電機的轉速。旋轉編碼器的原理示意圖如圖6所示。

圖6 旋轉編碼器示意圖

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。光電碼盤與電動機同軸且同速轉動時，經過發(fā)光二極管等電子元件構成的檢測裝置將輸出若干脈沖信號，用以檢測電機轉速。為了實現(xiàn)判斷電機正反轉信息，增量式編碼器利用光電轉換原理輸出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，相反B相脈沖超前A相脈沖則為反轉。三組方波脈沖圖如下。

2.4 推桿氣動控制回路

氣動推桿機構，選用的是兩位五通的單電控電磁閥，安置于匯流板上。當電磁閥斷電后，推桿會在彈簧力的作用下，自動回復至初始位置。下圖中的1B1、2B1和3B1分別安置在對應推桿氣缸的極限工作位置的磁感應接近開關，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控制器可實現(xiàn)簡單卻高度精確的自動化任務，并實現(xiàn)了模塊化和緊湊型設計，功能強大，適合各種應用。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)軟件設計

3.1 脈沖當量測試

為了實現(xiàn)輸送帶精準輸送包裹至指定推料槽口，采用光電編碼器對步進電機脈沖數(shù)進行計數(shù)，分揀系統(tǒng)選用的光電編碼器采用A/B正交反相計數(shù)。通過實驗測量數(shù)據(jù)，建立以下數(shù)學模型求解脈沖當量。

其中，μ為脈沖當量值，xj表示第j次高速計數(shù)器測量的脈沖數(shù)，yj表示第j次測量的包裹移動的實測距離。實驗測量的數(shù)據(jù)如表2所示，最終測得脈沖當量為0.2585。

表2 脈沖當量測試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)的輸入信號包括：旋轉編碼器（I0.0～I0.2）、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～I1.1）、首重1kg以下（I1.2）、續(xù)重2kg以內（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（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行通訊訪問的。USS_PORT功能塊是用來處理USS網絡上的通信，是西門子S7-1200與MM440變頻器的通信接口。

BAUD設定值是和MM440變頻器通信的頻率，設定為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控制變頻電機的啟動與停止。變頻器設定的頻率值和實際速度反饋值分別存放在MD20、MD30中，可通過組態(tài)界面進行修改與顯示。考慮到輸送帶速度降為0的過程所消耗時間對運動精準性的影響及短時間降速損害步進電機使用壽命等因素后，設定變頻器斜坡上升時間與下降時間分別為3S、2.5S，其他詳細參數(shù)設置如表1所示。

圖11 USS_DRV功能塊編程圖

3.4 HSC_1高速計數(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。此時，旋轉光電編碼器開始計算脈沖數(shù)。當脈沖數(shù)達到648，即稱重傳感器所在位置的脈沖數(shù)，系統(tǒng)停止電機運行并延時。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變?yōu)镻LC輸入單元的開關量信號。此時，繼續(xù)運行輸送帶電機，執(zhí)行輸送任務。梯形圖如圖13所示。

圖12 CTRL_HSC_1_DB功能塊

圖13 稱重檢測轉換梯形圖

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中的當前脈沖數(shù)與MB52設定的脈沖數(shù)，滿足MD80中脈沖數(shù)≥MB52中設定的脈沖數(shù)，即推桿1位置對應的脈沖數(shù)，執(zhí)行推送包裹進入傳送帶的任務。MB52、MB54和MD56設定的脈沖數(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)首先復位Q0.4推桿1電磁閥，使推桿1回復到初始位置。然后，啟動傳送帶1電機，執(zhí)行傳送包裹的任務。

4 結束語

本論文從實際角度出發(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生的暴力分揀方式，設計基于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產品與MM440變頻器，借助稱重傳感器與UNI800C之間的開關量轉換，完成將壓力微信號轉換為PLC輸入模塊的開關量信號的目的。同時基于USS通信協(xié)議的RS485串口通信控制，可以很好的實現(xiàn)無級調速，大大降低了包裹分揀過程中的沖擊載荷。此外，為了更好的實現(xiàn)柔性分揀過程，構建了光電編碼器脈沖當量的數(shù)學模型，通過大量的數(shù)據(jù)采集計算，得到脈沖當量的數(shù)值。依據(jù)脈沖當量計算的脈沖數(shù)，精準的實現(xiàn)推桿與包裹的最佳受力接觸點，完成柔性分揀的目的。綜上所述，本文對實現(xiàn)柔性分揀有著重要意義。