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摘要：為了解決目前物流行業(yè)人工稱重與分揀對(duì)包裹造成的損壞問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于PLC與USS通信協(xié)議的稱重與分揀系統(tǒng)。選用西門子S7-1214C型號(hào)PLC與MM440變頻器，借助稱重傳感器與UNI800C之間的開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換和RS485串口通信控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和降低包裹稱重與分揀過(guò)程中受到?jīng)_擊載荷的目的。此外，依據(jù)高速計(jì)數(shù)器和測(cè)試脈沖當(dāng)量建立的數(shù)學(xué)模型，精準(zhǔn)輸送包裹至與推桿均衡受力位置，達(dá)到柔性分揀的目的。
關(guān)鍵詞：PLC；USS通信；MM440；數(shù)學(xué)模型
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(gòu)買模式轉(zhuǎn)變到線上下單購(gòu)買模式。尤其是電商每年一度的雙十一購(gòu)物狂歡節(jié)，對(duì)快遞行業(yè)分揀的準(zhǔn)確性、高效性和安全性要求越來(lái)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(yíng)企業(yè)除外）。收件過(guò)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(duì)于國(guó)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(cè)算包裹體積與重量過(guò)程中，需要多次轉(zhuǎn)放貨物，甚至有些員工直接一扔，對(duì)貨物損傷極大[1]，但傳統(tǒng)的模式又無(wú)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(dòng)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(wèn)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(cè)元件，完成對(duì)包裹的稱重、篩選、分類輸送的快速分揀功能。同時(shí)，基于USS通信協(xié)議的變頻器無(wú)級(jí)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(duì)稱重分揀過(guò)程的半閉環(huán)控制，極大降低了包裹在稱重和分揀過(guò)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(cè)單元、輸送單元、執(zhí)行單元、物理裝置。檢測(cè)單元主要由稱重傳感器、光線傳感器、磁性限位檢測(cè)開(kāi)關(guān)和光電編碼器等部分組成，完成對(duì)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(dòng)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。
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(shí)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(shí)。延時(shí)到，推桿動(dòng)作，物料進(jìn)入傳送帶，并被傳送到指定區(qū)域。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1MM440變頻器分揀系統(tǒng)采用三相減速電機(jī)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(duì)沖擊振動(dòng)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(wú)級(jí)調(diào)速的目的。
2.2稱重傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換稱重傳感器受到包裹的壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變動(dòng)的微電壓信號(hào)，通過(guò)將微電壓信號(hào)送給UNI800C物料分選控制器處理，不同重量范圍的上下限信號(hào)轉(zhuǎn)換成UNI800C的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。
2.3旋轉(zhuǎn)編碼器本文選用的增量式編碼器在自動(dòng)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(cè)裝置。可通過(guò)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。
2.4推桿氣動(dòng)控制回路氣動(dòng)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(huì)在彈簧力的作用下，自動(dòng)回復(fù)至初始位置。下圖中的1B1、2B1和3B1分別安置在對(duì)應(yīng)推桿氣缸的極限工作位置的磁感應(yīng)接近開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)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(dòng)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(jí)版，新的模塊化SIMATICS7-1200控制器可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單卻高度精確的自動(dòng)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S7-1214CDC/DC/DC，訂單號(hào)為6ES7214-1AE30-0XB0。分揀系統(tǒng)電氣接線圖如圖9所示。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1脈沖當(dāng)量測(cè)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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，建立以下數(shù)學(xué)模型求解脈沖當(dāng)量。
3.2USS_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(wèn)的。USS_PORT功能塊是用來(lái)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。
3.3USS_DRV功能塊編程USS_DRV指令中，通過(guò)PLC中輸入單元的I0.5和I0.6控制變頻電機(jī)的啟動(dòng)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(guò)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(guò)程所消耗時(shí)間對(duì)運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)性的影響及短時(shí)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(shí)間與下降時(shí)間分別為3S、2.5S。
3.4HSC_1高速計(jì)數(shù)器及功能梯形圖入料口檢測(cè)到包裹后，啟動(dòng)輸送帶。執(zhí)行輸送任務(wù)。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)光電編碼器開(kāi)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(shí)。3S延時(shí)到，稱重傳感器已完成將微變化的模擬量電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC輸入單元的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。此時(shí)，繼續(xù)運(yùn)行輸送帶電機(jī)，執(zhí)行輸送任務(wù)。
4結(jié)束語(yǔ)
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(hào)PLC產(chǎn)品與MM440變頻器，借助稱重傳感器與UNI800C之間的開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換，完成將壓力微信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC輸入模塊的開(kāi)關(guān)量信號(hào)的目的。同時(shí)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(wú)級(jí)調(diào)速，大大降低了包裹分揀過(guò)程中的沖擊載荷。此外，為了更好的實(shí)現(xiàn)柔性分揀過(guò)程，構(gòu)建了光電編碼器脈沖當(dāng)量的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)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(duì)實(shí)現(xiàn)柔性分揀有著重要意義。
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作者：何守磊；殷振；劉意；仝旭；顧鳴偉 單位：蘇州科技大學(xué)