物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)及人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

鄭暉暉 王靜

摘要：近年來，不斷發(fā)展的分揀技術(shù)、不斷擴(kuò)大的分揀規(guī)模對分揀能力的要求越來越高。物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)是先進(jìn)的配送中心必須具備的設(shè)施條件之一，具有很高的分揀率，文章對物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體介紹了系統(tǒng)各模塊PLC的通信問題，并以三菱PLC為下位機(jī)、昆侖通態(tài)觸摸屏為上位機(jī)進(jìn)行了人機(jī)界面控制。

關(guān)鍵詞：物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)；PLC；人機(jī)界面

中圖分類號：TN249? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下物流企業(yè)采用手工操作對包裹進(jìn)行分揀，效率低下且誤差率較高，滿足不了企業(yè)的分揀需求，不利于企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提升。本文通過對基于PLC的物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)及人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效的自動(dòng)檢測以及自動(dòng)分揀功能，促進(jìn)了企業(yè)生產(chǎn)化水平的提高［1］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)的硬件包含倉庫供料、搬運(yùn)機(jī)械手、分揀及人機(jī)界面4個(gè)模塊。前3個(gè)模塊采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，搬運(yùn)機(jī)械手模塊使用伺服電機(jī)完成位置控制。分揀模塊的傳送帶驅(qū)動(dòng)則使用了三菱變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的交流傳動(dòng)裝置進(jìn)行。人機(jī)界面模塊由昆侖通泰觸摸屏及組態(tài)軟件構(gòu)成。本系統(tǒng)用黑色塑料工件、白色塑料工件以及金屬工件模擬不同的包裹，首先由倉庫供料模塊供料，接著搬運(yùn)模塊的機(jī)械手把工件搬運(yùn)到分揀模塊，變頻器調(diào)速驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)帶動(dòng)皮帶做直線運(yùn)動(dòng)，然后由旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行精確定位，金屬傳感器及光纖傳感器分別進(jìn)行工件材質(zhì)及顏色的檢測，最后根據(jù)控制要求利用氣缸把不同的（工件）包裹推送到不同的槽里。系統(tǒng)的控制方式為1臺PLC獨(dú)自控制1個(gè)工作單元，不同工作單元的PLC之間通過RS-485串行通信實(shí)現(xiàn)［2］。

2 三菱FX系列PLC的通信控制

2.1 PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

在現(xiàn)代化的生產(chǎn)現(xiàn)場，為了進(jìn)行科學(xué)管理以及實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)，只是改進(jìn)機(jī)型或者增加PLC的I/O點(diǎn)，控制系統(tǒng)仍無法完成復(fù)雜的控制任務(wù)。本設(shè)計(jì)將多臺PLC相互連接，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，以解決此問題。

PLC的網(wǎng)絡(luò)連接方式都不相同，根據(jù)不同的連接方式，將其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為環(huán)形結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)及星形結(jié)構(gòu)3種。每種結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。其中總線結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、易于擴(kuò)展被廣泛應(yīng)用。PLC網(wǎng)絡(luò)的具體通信模式取決于所選廠家的PLC類型。

2.2 三菱PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

并行鏈接、N∶N網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)鏈接、無協(xié)議通信及可選編程端口為FX系列PLC能夠支持的通信類型［3］。

（1）N∶N網(wǎng)絡(luò)：該網(wǎng)絡(luò)以N∶N為基礎(chǔ)進(jìn)行PLC的數(shù)據(jù)傳輸。鏈接小規(guī)模系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以使用這種網(wǎng)絡(luò)。

（2）并行鏈接：該網(wǎng)絡(luò)使用100個(gè)輔助繼電器和10個(gè)數(shù)據(jù)寄存器在1∶1的基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)傳輸，在兩臺PLC之間進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，有普通和高速兩種模式。當(dāng)只有兩臺PLC需要通信時(shí)可采用此法。該網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)格要求傳輸速率為19 200 bit/s，通信標(biāo)準(zhǔn)需符合RS-422和RS-485，協(xié)議方式為并行鏈接，通信方式為半雙工，通信時(shí)間設(shè)為普通模式時(shí)為70 ms，設(shè)為高速模式時(shí)為20ms。當(dāng)系統(tǒng)使用1∶1網(wǎng)絡(luò)并行通信時(shí)，必須設(shè)定主站及從站的通信模式。

（3）計(jì)算機(jī)鏈接：該網(wǎng)絡(luò)在1∶n（16）的基礎(chǔ)上用RS-485（422）單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

（4）無協(xié)議通信：該網(wǎng)絡(luò)中RS-232單元是基礎(chǔ)，包含條形碼閱讀器、個(gè)人計(jì)算機(jī)及打印機(jī)。無協(xié)議通信利用無協(xié)議通信完成，最后使用RS指令或者特殊功能模塊完成通信。

（5）可選編程端口：對于一系列的PLC，如FX3U，F(xiàn)X2N，F(xiàn)X2NC，F(xiàn)X1N，F(xiàn)X1S，當(dāng)該端口被連接在FX-232BD，F(xiàn)X-232ADP，F(xiàn)X-422BD，F(xiàn)X485BD等時(shí)，外圍設(shè)備可以和其互連。

2.3 三菱FX系列PLC的N∶N通信網(wǎng)絡(luò)特性

物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)各模塊采用FX系列PLC，采用N∶N網(wǎng)絡(luò)通信的方式，在RS-485傳輸標(biāo)準(zhǔn)上建立N∶N網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建好后，系統(tǒng)中每一個(gè)工作模塊就稱作工作站。本設(shè)計(jì)中倉庫供料模塊、搬運(yùn)機(jī)械手模塊、分揀模塊分別為供料站、輸送站、分揀站，而（搬運(yùn)機(jī)械手模塊）輸送站為主站，其他站為從站。物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)的N∶N通信網(wǎng)絡(luò)配置如圖1所示。

2.4 安裝和連接N∶N通信網(wǎng)絡(luò)

在進(jìn)行N∶N通信網(wǎng)絡(luò)的安裝和連接時(shí)，需斷開電源，把485-BD通信板安裝在各站的PLC上，用屏蔽雙絞線連接各站點(diǎn)，選擇110 Ω的終端電阻接到終端上，如圖2所示。

2.5 組建N∶N通信網(wǎng)絡(luò)

本設(shè)計(jì)對各站點(diǎn)PLC用編程方式設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來組建N∶N通信網(wǎng)絡(luò)，主站點(diǎn)即輸送站的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置程序如圖3所示。需要注意的是設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)需要從程序的第0步開始，而其他從站的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置只要在第0步向D8176寫入站點(diǎn)號。

3 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

觸摸屏即HMI，用作人機(jī)交流和控制，簡單易用，功能強(qiáng)大。本系統(tǒng)使用昆侖通態(tài)觸摸屏及MCGS組態(tài)軟件對物流分揀情況進(jìn)行智能管理［4］。

3.1 建立系統(tǒng)組態(tài)界面

建立系統(tǒng)組態(tài)界面要在觸摸屏的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中新建變量，這些變量要有對應(yīng)的PLC地址，還要對元件類別、數(shù)據(jù)用途、數(shù)據(jù)類型、PLC輸入地址及輸出地址做好設(shè)置，把定義好的數(shù)據(jù)對象和PLC內(nèi)部變量進(jìn)行連接，這樣觸摸屏和PLC通信才能連接，如圖4所示。筆者在用戶窗口中設(shè)計(jì)制作出物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)的監(jiān)控界面，整個(gè)界面包含操作區(qū)、搬運(yùn)輸送、倉庫供料及快遞分揀4塊內(nèi)容，如圖5所示。將元件與數(shù)據(jù)對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如圖6所示。

3.2 工程下載調(diào)試

工程下載調(diào)試時(shí)首先將觸摸屏連接到物流自動(dòng)分揀線系統(tǒng)中搬運(yùn)站的PLC編程口。在下載配置窗口時(shí)，選擇“連機(jī)運(yùn)行”“USB”連接方式，設(shè)置好后進(jìn)行通信測試和工程下載，將所建工程下載到下位機(jī)中［5］。

3.3 程序的設(shè)計(jì)及調(diào)試

在進(jìn)行主站即輸送站的程序編寫時(shí)，筆者應(yīng)規(guī)劃通信數(shù)據(jù)，給供料站的啟動(dòng)、停止信號設(shè)置軟元件為M1001，M1065，給分揀站的啟動(dòng)、停止信號設(shè)置軟元件為M1002，M1129，根據(jù)任務(wù)要求畫出主站的控制流程圖，用GX軟件編寫程序。從站供料站及分揀站的程序編寫比較簡單，只需用單站的程序稍做修改。

將編寫好的程序下載到PLC中，調(diào)試觸摸屏界面上各控件是否能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)要求的功能，按照調(diào)試步驟觀察運(yùn)行狀態(tài)和觸摸屏的顯示狀態(tài)。

4 結(jié)語

物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)及人機(jī)界面設(shè)計(jì)整合學(xué)校原有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，結(jié)合機(jī)電一體化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和市場的需要，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供料單元、裝配單元及成品分揀單元的相互銜接。設(shè)計(jì)原理簡潔，可操作性強(qiáng)，不僅能夠有效地替代操作工重復(fù)單調(diào)的操作，而且分揀流程更精準(zhǔn)，配以觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控自動(dòng)化分揀線，實(shí)時(shí)記錄分揀運(yùn)行情況，做到分揀有記錄、無障礙溯源。此外，為了減少自動(dòng)分揀系統(tǒng)的分揀誤差率，系統(tǒng)采用信息監(jiān)控錄入方式，多類別傳感器同時(shí)運(yùn)用，分揀誤差極低。

參考文獻(xiàn)

［1］王光祥.基于觸摸屏和PLC的物料智能分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.集成電路應(yīng)用，2021（12）：26-28.

［2］劉玉均.物流企業(yè)自動(dòng)化分揀及倉儲管理組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（19）：194-195.

［3］田志勇.基于PLC與RFID的物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造工程，2020（3）：157-160.

［4］蔡輝.基于PLC與變頻器技術(shù)的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2019（1）：163-164.

［5］單俠芹.自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2019.

（編輯 王雪芬）

Design of automatic logistics sorting system and human-machine interface

Zheng? Huihui， Wang? Jing*

（Wuxi Mechanical and Electrical Higher Vocational and Technical School， Wuxi 214000， China）

Abstract：? In recent years， with the continuous development of sorting technology and the continuous expansion of sorting scale， the requirements for sorting capacity are becoming higher and higher. The automatic logistics sorting system is one of the necessary facilities for an advanced distribution center， and has a high sorting rate. This paper designs the automatic logistics sorting system， specifically introduces the communication problems of the PLC of each module of the system， and uses Mitsubishi PLC as the lower computer and Kunlun touch screen as the upper computer for human-machine interface control.

Key words： logistics automatic sorting system; PLC; interface