通信協議的稱重與分揀系統設計范文

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摘要：為了解決目前物流行業人工稱重與分揀對包裹造成的損壞問題，設計基于PLC與USS通信協議的稱重與分揀系統。選用西門子S7-1214C型號PLC與MM440變頻器，借助稱重傳感器與UNI800C之間的開關量轉換和RS485串口通信控制，實現無級調速和降低包裹稱重與分揀過程中受到沖擊載荷的目的。此外，依據高速計數器和測試脈沖當量建立的數學模型，精準輸送包裹至與推桿均衡受力位置，達到柔性分揀的目的。

關鍵詞：PLC；USS通信；MM440；數學模型

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，對快遞行業分揀的準確性、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（順豐等直營企業除外）。收件過程中要根據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]，但傳統的模式又無法避免這種現象的發生。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功能，可實現對稱重分揀過程的半閉環控制，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柔性稱重與分揀的目的。

1分揀系統總體結構

1.1分揀系統整體結構分揀系統整體結構如圖1所示，主要組成包括：檢測單元、輸送單元、執行單元、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。執行單元的氣動推桿，實現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，并被傳送到指定區域。

2系統硬件設計

2.1MM440變頻器分揀系統采用三相減速電機，實現驅動輸送帶，輸送包裹的作用。為了使輸送電機運轉更加平穩，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通信協議，實現無級調速的目的。

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。

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?？赏ㄟ^計算旋轉編碼器每秒輸出的脈沖數計算電機的轉速。

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SIMATICS7-1200控制器可實現簡單卻高度精確的自動化任務，并實現了模塊化和緊湊型設計，功能強大，適合各種應用。分揀系統選用的是S7-1214CDC/DC/DC，訂單號為6ES7214-1AE30-0XB0。分揀系統電氣接線圖如圖9所示。

3系統軟件設計

3.1脈沖當量測試為了實現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進行計數，分揀系統選用的光電編碼器采用A/B正交反相計數。通過實驗測量數據，建立以下數學模型求解脈沖當量。

3.2USS_PORT功能塊編程USS通信協議，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。

3.3USS_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，可通過組態界面進行修改與顯示?？紤]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。

3.4HSC_1高速計數器及功能梯形圖入料口檢測到包裹后，啟動輸送帶。執行輸送任務。此時，旋轉光電編碼器開始計算脈沖數。當脈沖數達到648，即稱重傳感器所在位置的脈沖數，系統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為PLC輸入單元的開關量信號。此時，繼續運行輸送帶電機，執行輸送任務。

4結束語

本論文從實際角度出發，為了解決目前快遞行業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通信協議的柔性分揀[7]系統。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通信協議的RS485串口通信控制，可以很好的實現無級調速，大大降低了包裹分揀過程中的沖擊載荷。此外，為了更好的實現柔性分揀過程，構建了光電編碼器脈沖當量的數學模型，通過大量的數據采集計算，得到脈沖當量的數值。依據脈沖當量計算的脈沖數，精準的實現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，本文對實現柔性分揀有著重要意義。

參考文獻：

[1]李庭貴.基于西門子PLC和變頻器的物料分揀系統設計[J].制造業自動化,2013,27(6):92-95.

[2]喬東凱,廖輝,等.基于PLC和觸摸屏的物料自動分揀系統的電氣化設計[J].機床與液壓,2014(1):106-109.

[3]王艷艷,吳耀華,劉鵬.自動分揀系統分揀作業任務優化[J].機械工程學報,2007,47(20):10-17.

[4]劉振群.基于uss通信協議的西門子s7-1200PLC與MM440變頻器的無級調速的實現[J].科技創新,2013(16):9-10.

[5]廖常初.S7-1200PLC編程及應用.北京:機械工業出版社.[6]SiemensAG.MM440變頻器使用大全.2003.

[7]石銳,周雷,楊正益.軟PLC梯形圖到語句表轉換新策略的研究[J].計算機工程與應用,2010,46(18):244-248.

[8]張同蘇,李志梅.自動化生產線安裝與調試實訓和備賽指導.第1版.北京:高等教育出版社,2015.

作者：何守磊；殷振；劉意；仝旭；顧鳴偉 單位：蘇州科技大學