《基于PLC的快递包裹分拣系统【设计报告（论文）】》

基于PLC的快递包裹分拣系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u19118第一章绪论 页共21页第一章绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景近些年，我国物流行业发展迅速，催生了快递行业的兴起，但是与快速发展的物流行业相比，我国快递行业，尤其是快递在分拣的过程中大多数还是手工操作，劳动强度大，工作效率低下，物力成本、人力成本都较高，非常不利于我国快递行业的发展，针对当前这一现状，本人从着手解决快递包裹分拣问题出发，由于快递存在大小尺寸的区别，通常小快递比较容易搬运，分拣容易，因此就不对其进行分析，本文主要是针对大物件的快递包裹进行分拣设计，通过PLC控制，完成大物件快递包裹的自动分拣，提高效率，节省人力、物力成本。通过本课题的研究设计出基于PLC的快递包裹分拣系统，通过PLC控制，完成大物件快递包裹的自动分拣过程，提高工作效率，降低工人的劳动强度，为快递行业的发展提供帮助。1.1.2研究意义今天，随着现代电子商务的快速发展，每天生产的包裹数量可能达到数千万甚至数亿，许多国内物流中心仍旧进行人工分拣。因此，研究快递包裹自动分拣系统非常重要，对整个物流行业的现代化具有积极意义。提高自动分拣系统水平可以节省企业成本，提高分类性能，并降低对业务开发至关重要的分类错误级别。在快递包裹分拣中，明确排序是影响业务效率和客户满意度的重要因素，分拣速度和准确性决定了客户对物流公司的满意度。分拣公司必须尽快，准确地对包裹进行分拣，然后再分发给客户。因此，分拣设备的分拣程度对物流公司很重要。本文基于PLC快递包裹分拣系统的设计，通过PLC的自动控制，能够完成大物件快递包裹的拿取、分类、归放等操作，减少了人工的辛苦劳动，提供了工作效率，节约了人力和物力成本，对于快递行业的发展具有积极意义。1.2研究现状及发展趋势1.2.1研究现状在分拣技术方面，欧洲和美国发展最早，成熟技术，处于现在的世界领导者。美国和欧洲在20世纪60年代开始使用分拣设备，日本在第二次世界大战后引入了分拣机。然而，在过去20年中，后者一直是经济快速增长的典型，1970年至1985年，日本投资了338台自动分拣机，其中58.32%为仓储和运输业，17.15%为销售行业，到1987年，日本已经有1000个自动分拣机，被称为世界上拥有最多分拣机的国家。我国的自动分拣技术发展比较晚，目前已接近国际先进水平。然而，由于缺乏创新，自动分拣技术的物流系数正在逐渐缩减，大多数超市配送中心仍然基于人工分拣。在20世纪80年代，我国一部分邮局首次使用分拣技术，邮件使用自动包装分拣机进行分拣。1990年，为了庆祝第十一届亚运会，我国从荷兰引入新型自动分类系统，该系统有3个入口和60个出口，该系统用于建立北京食品配送中心，每小时3000件的供应有助于我国分拣技术的快速发展。目前，分拣技术已应用于我国各个领域，大大提高了快递包裹的分类效率。至现今阶段，自动分拣系统的大小和功能已经大大扩展。目前，大多数大型分拣系统可以分拣数十到数百个项目，每小时超过10000个分拣容量。国外分拣系统规模十分庞大，包括供应站，信号板，分拣器，数据识别系统，设备控制系统和计算机控制系统，同时还配备了各种各样的外围运输和装载机器，构成了一个庞大而复杂的系统。大多数自动化分拣系统都与自动化仓库相连，并与复杂的拖车系统（如AGV）配合使用，可以说分拣系统的总体布局是不固定的。1.2.2发展趋势在过去的二十年中，特别是在物流领域，随着经济和生产的发展，商品通常“短小轻薄”，分布小，多样，及时。分拣已经成为工作的重要部分，并且分拣系统的使用变得更加普遍。目前，大多数物流中心和物流公司都依靠人工分拣。很明显，由于分销商数量的增加，分销点的增加，交货时间的缩短以及服务质量的提高，人工分拣无法满足大型分销商的需求。一些外国配送中心使用分拣系统，这具有分拣速度快，分拣点多，错误率低，自动化程度高，分拣效率高的优点。随着科学技术的快速发展，分拣机的控制水平不断提高，经历了四个不同的发展阶段，从简单的手动打开和关闭刀闸，继电器控制，单片机控制到PLC网监控系统。自动分级系统已成为现代物流技术发展的三大衡量标准之一。1.3研究内容本设计的内容是基于PLC的快递包裹分拣系统，主要针对的对象是大物件的快递包裹分拣，设计主要从以下六个部分进行：第一部分：主要是设计的绪论部分，对课题的研究背景和意义、研究现状和发展趋势以及研究内容进行介绍；第二部分：主要是对基于PLC的快递包裹分拣系统整体方案进行设计，包括控制系统的总体设计方案，设计的基本原则，主要内容和控制要求等；第三部分：对PLC的快递包裹分拣系统硬件进行设计，包括有PLC选型、电机选型和传感器选型等；第四部分：对PLC的快递包裹分拣系统软件进行设计，主要有涉及的软件类型，主程序设计和子程序设计等；第五部分：设计的结尾部分，主要对设计进行总结。第二章基于PLC的快递包裹分拣系统整体方案设计一般快递包裹分拣系统的控制方案设计，核心是包含：硬软件、软件跟调试等几个部分内容的设计。被控对象大多数则是机械加工跟电器设备，传送带亦或者是传送的过程。2.1分拣系统总体设计本文以地面支承、直线作业和堆垛机为研究对象。其控制系统由调度计算机、监控计算机、触摸屏（HMI）、控制器（S7-200PLC）、变频器和执行机构组成。堆垛机控制系统的结构框图如图1所示。图1基于PLC的快递包裹分拣系统设计方案快递包裹分拣系统的功能是完成包裹进出的过程。进出包裹的过程包括提货和交货的过程。操作员将包裹信息发送到调度计算机，形成仓库收据，然后发送到监控计算机。在接收到计算机的任务后，PLC控制器控制堆垛机完成收发货指令。本文采用一台S7-200PLC控制三台逆变器，分别是步进变换器、升降变换器和叉式变换器。分别控制堆垛机的水平操作机构、升降操作机构和叉式伸缩机构。计算机、触摸屏、S7-200PLC、变频器、开关均采用现场总线连接，可实时传输数据，实现堆垛机运行中的实时监控。2.2分拣系统设计内容（1）明确设计任务和技术条件设计任务和规格通常以设计工作订单的形式提供。在设计任务书中，有必要明确定义每个项目的基本要求，限制和管理方法。在整个设计系统中，设计任务书是整体设计的基础。（2）确定用户输入设备和输出设备用户输入输出设备是PLC控制系统的硬件设备，PLC本身作为控制器，构成了机器选择和软件开发的基础。因此，输出设备（例如电磁阀和电动机）和相应的输入设备（例如控制器，换档开关，控制开关，传感器，安全装置，传感器等）致动器（例如继电器）。信号和接触器类型）。根据输出设备控制的负载执行分类。（3）选择可编程控制器的机型可编程控制器是整个控制系统的关键组成部分。为了整个系统创建技术和经济绩效指标，需要明智而准确地选择机型。（4）分配I/O地址，绘制I/O接线图要合理分配相应的I/O地址，您需要分析、分类和布置I/O设备，并绘制I/O接线图。表1显示了此模型的I/O分布。表1自动包裹控制系统的I/O分配表（5）设计控制程序系统中的控制程序通常基于控制任务，选定模型和I/O连接图以梯形逻辑语言开发。设计管理程序的主要部分是应用软件的开发。合理性管理计划是确保系统安全可靠运行的先决条件。因此，必须重复调试，直到满足控制要求。（6）必要时设计非标准设备选择设备时，尽可能使用标准设备。如果没有标准设备，可能需要非标准设备，如控制台，控制柜和模拟显示器。（7）编制控制系统的技术文件设计工作完成后，应编制相关技术文件。通常，技术文档应包括设计说明，操作说明，I/O接线图和控制程序。2.3分拣系统的控制要求2.3.1主要技术指标以S7-200为基础，将系统改造成控制系统，并将西门子组态的WinCC软件进行组装，以完成方正仿真操作的设计和必要的监控工作。2.3.2工作过程分析包裹自动控制系统由检查包裹、包裹分析、包裹运输、包裹控制、机械臂拾取装置、堆垛储存和报警功能组成。（1）检录包裹：当发送到仓库的传感器检测到包裹时，收集机器人执行检索顺序并将包裹发送给下级传送带。（2）包裹分析：在输送带入口处对包裹进行检查，然后在输送带上，通过相关传感器检查包裹的体积和材料等固有特性后，将检查信息传送给控制单元。（3）包裹输送：位于上源端的包裹通过主传送带进行运输，在经检测后开始进行包裹的控制，按照不同的标准要求，执行包裹的存储或出仓。（4）包裹控制：在主输送带侧面设置若干控制槽，供包裹通过时分析。气动回路由电磁阀控制，使分离推杆前后移动。包裹根据大小和材料等不同属性进行分类，并运输到每个缓冲区存储位置。为了避免漏检，在主输送带的末端安装应急储存装置。一般情况下，仓库会设置接近开关，检查每个仓库是否有包裹。（5）机械手取货装置：对于物理检查，可以在x和y方向上移动，从缓存中的不同位置获取包裹数据，并将它们运送到仓库出口传送带。（6）堆垛存储：如果要存储包，则将包裹存储在单独的仓库中并提升堆栈。从仓库中取出包裹时，避免发生混乱。堆垛机有两种操作模式来进行控制，分为手动和自动操作。（7）报警功能：当出现包裹一处以及传送带停止的类似系统故障时，传感器把对应的信号传输到控制单元之后，系统就会做出响应，并及时的进行处理，上位机操作界面中的故障等就会进行工作，信号灯开始闪烁，提醒故障。而把故障进行排除，并且将故障复位按钮按下，那么系统则会继续运作。包裹自动控制系统的一般流程如下：包裹临时存放在仓库中，包裹由机械手抓取，发出存放指令后送至主输送带。主输送机将配备用于包裹检测的检测传感器。在接收到信号之后，PLC处理从传感器发送来的信号，并提供相应的信号来执行。下发入库单、出库单时，入库流程如2-2所示。仓库放行机械手可通过输送带将包裹提、分或送至仓库。图2快递包裹分拣系统的总体流程2.3.3编程规范S7-200的PLC使用STEP7Microwinv4.0编程软件创建满足自动编解码器监控系统要求的梯形图程序。2.3.4系统演示利用西门子组态软件里的Wincc将画面组态好，上位机Wincc的数据需要通过PLC来进行交换，以使得自动仓库的控制系统，在工作运行的时候能够实现运行模拟、监控跟报警等等功能，方便实验。第三章基于PLC的快递包裹分拣系统的硬件设计3.1PLC选型本设计快递包裹分拣系统主要采用西门子S7-200PLC可编程控制器，与常规的控制器相比，其具有操作简单、编程容易、抗干扰能力强等优点，在整个运行中，能够达到自动化的要求，同时与上位机进行通信，实现包裹的出、入库控制过程。3.1.1西门子S7-200PLC介绍西门子S7-200PLC可以管理各种设备，以满足自动控制的需求。其包括其他智能模块、复杂的数学功能、计时器、计数器和位逻辑指令，使PLC能够监控输入情况，如果出现问题，为了满足控制需要，输出状态发生变化。与其他控制器相比，S7-200具有配置灵活、指令集强大、结构紧凑等优点。微型PLC集成了微处理器，集成的电源和数字I/O点，并且完全可以运行。用户下载应用程序后，需要保留逻辑，以便更好地监控应用程序的输入和输入。图3S7-200的中央处理单元西门子可以提供许多不同的CPU来匹配不同的应用。具有不同特性的CPU如图4所示。图4S7-200系列PLC的技术指标3.1.2西门子S7-200PLC工作原理一般输入采样、程序执行以及输出刷新这三个是PLC运作的主要核心阶段。图5PLC工作过程（1）输入采样阶段PLC是一种扫描操作的方法。它读取整个信号并将其写入输入图像区域以存储，也被称为采样过程。在操作过程中，不会影响采样结果的内容。如果程序指令由PLC执行，则可以调用先前的采样结果。（2）程序执行阶段PLC从左到右、从上到下扫描每条指令，分别计算输出图像区和输入图像区之间所需的数据，然后将程序执行结果读写到输出图像区，并记录执行结果。当程序执行时，这个结果可能会改变，但在执行期间它不会到达输出端口。（3）输出刷新阶段在驱动用户设备之前，必须等待用户执行所有程序，然后将存储在输出图像区域中的内容传输到警察输出状态的输出锁存器。完成这些步骤后，设备将开始运行。PLC扫描周期是指每次重复上述三个阶段的时间。在工作时间内，PLC的输出刷新和输入采样时间以毫秒为单位，程序执行的响应时间受程序长度的影响。实际CPU模块的运行速度会影响PLC的扫描周期，两者之间的差异也很大。PLC正式运行后，将重复上述三个阶段，即循环扫描操作过程。在这一过程中，输入输出采样、程序执行和输出刷新是PLC操作的核心特征。这不仅提高了PLC的运行速度，而且避免了接触器和继电器控制系统的混乱和触电的竞争。这也是PLC系统快速可靠响应的原因。但是，它也会导致输出和输入之间的时间延迟。3.2电机选型堆垛机在运行的过程中会受到阻力，根据物理学受力分析，主要有堆垛机自身的质量，额定起重等，根据相关公式，可以查出，其阻力为：式中，Ff表示运行阻力，G0表示堆垛机自身的质量，Gn表示堆垛机额定起重，D表示堆垛机车轮直径，K表示滚动摩擦系数，U表示轴承系数，d轴承内径，表示摩擦系数。根据实际堆垛机的型号，可以计算出Ff=1683.8N假设堆垛机运行速度为120m/min，则可以计算出电机功率P=5.1KW。根据电机型号参数，调速电机选择DRS132S4型号的电机，额定功率为5.5kw，输出扭矩为1445N.m。同理，升降电机选择11kw型号，货叉电机选择0.75kw型号。3.3传感器选型快递包裹分拣系统需要知道包裹是储存在货架上还是储存在货架上。避免误操作和损坏机器。在仓储作业中，当堆垛机到达目标位置时，首先检测仓库位置是否有包裹，如果没有包裹，则进行分岔作业，否则发出停止堆垛机作业的信号；当堆垛机离开时仓库检测到货位中没有包裹，防止堆垛机在相应位置移动的信号。在本文中，反射式光电传感器用于检测包裹的具体位置。第四章基于PLC的快递包裹分拣系统的软件设计4.1系统软件西门子可用于SIMATICS7-200和Windows。通过STEP7-micro/Win32软件来创建。可以将个人计算机用作图形处理器。在离线状态下，您可以启用自定义程序并实时监视用户定义的程序执行。这是STEP7-micro/Win32软件的功能。STEP7-micro/Win32编程软件的主界面，从主菜单工具栏的导航栏命令树、用户窗口、主窗口、状态栏。除了菜单栏之外，用户还可以根据自己习惯的窗口菜单和视图菜单调整其他窗口的选择和样式设置。图6编程软件主画面4.1.1OPC服务器（1）产生背景在OPC出现之前，硬件驱动程序与硬件驱动程序所连接的应用程序之间的接口没有单一标准。例如，在生产自动化中，诸如可编程逻辑控制器（PLC）和SCADA/HMI软件之类的控制设备需要不同配置的生产自动化系统。根据调查结果，在为管理系统开发软件的成本中，各种机器的应用开发成本是70%，机器设备接口的开发是30%。在过程自动化（PA）领域，如果需要将分布式控制系统（DCS）的所有过程转换为生产管理系统，则它们必须与每个供应商的模型相对应。开发自定义界面，例如动态数据交换（DDE）服务器，由使用动态链接C（DLL）或文件传输协议（FTP）的应用程序链接。例如，当使用四个控制设备和监控系统时，需要花费大量的时间来为相应的设备A、B、C和D开发监控，并将趋势图和三个应用程序的报告连接到它们上。趋势图和表格共有12个应用程序接口软件驱动程序。同时，系统中各种驱动因素的共存，使得环境的稳定性和可靠性更加难以维护。OPC的目的是标准化不同制造商的设备和应用程序之间的软件接口，并简化它们之间的信息交换。其目的是向用户提供可以独立于特定开发语言和环境进行编译和使用的过程控制软件组件。OPC系统由提供数据收集服务的OPC服务器、OPC接口以及根据应用程序需求（客户端应用程序）接收OPC应用程序的服务组成。OPC服务器是根据每个制造商的硬件开发的。可以通过吸收来自不同制造商的设备和系统之间的差异来实现与硬件无关的系统配置。同时，使用称为选项的数据类型允许您根据应用程序的要求提供数据类型，而不依赖于硬件数据类型。（2）应用领域1）工控解决方案用户2）楼控解决方案用户3）工控解决方案厂商4）楼控解决方案厂商5）工控解决方案集成商6）楼控解决方案集成商7）AllAutomationFields如图7所示为OPC的现场总线应用模式：图7现场总线应用模式4.1.2以太网处理器的设置（1）配置PC站的硬件机架需要的软件：1）SIMATICNCMPCV5.4SP1；2）MicroWINV4.0编程软件。完成安装SIMATICNET软件（SIMATICNCMPCV5.4SP1）之后,单击左面类似于电脑图标的“StationConfiguration”,弹出如图8对话框，并选择一号插槽，右击鼠标，选择“Add”。依次添加OPSever和IEGeneral，插入“IEGeneral”并打开相应的对话框。MAC地址和IP地址显示在对话框中，此IP地址是计算机的IP地址，如图9所示，单击OK按钮，然后单击“StationName”，为此工作站点修改名字为“LZ”，如图10所示。图8PC站点的工作画面图9PC站点的IE组件添加图10PC站点的名字更改（2）以太网模块向导的设置双击“Step7Microwinv4.0”打开编程软件，在编程窗口的菜单栏中查找“工具”，在下拉菜单中查找“以太网向导”（参见图11）。选择驱动器位置后，配置控制器IP地址，如图12所示。指定命令和字节链接的数量。如果要为此目的配置连接请求，请接受全部或为此创建唯一的IP连接请求，并将远程属性TSAP设置为“10.11”，这需要配置CRC安全性，最后，数据块允许驱动程序调整CRC安全性，以便完成驱动程序安装。可以找到此驱动程序子程序并将其添加到编程窗口，如图13所示。图11配置以太网向导图12以太网向导IP的配置图13添加以太网向导子程序4.2系统主流程图具体工作过程如图14、15所示：首先由机械手将货物抓取至主传送带上，然后随着传动带进行搬运，待达到指定区域后，由堆垛机进行抓取，并放置于立体仓库中，最后再由机械手将获取从立体仓库中取出，经由传送带送出。图14快递包裹分拣系统总体工作流程图15快递包裹分拣系统工作流程4.3控制系统子程序4.3.1入库作业流程在堆垛机开始执行仓储操作之前，它首先读取仓库上的包裹信息。主机收到目标地址后，将入库指令发送到堆垛机，堆垛机开始工作。堆垛机先到储物台取货，然后开到储物单元的目的地，准确定位，直到堆垛机停止水平运行并提升。调用放置动作模块，展开叉子，完成放置包裹的过程，判断叉子的位置。正常到货在入库过程中完成，无预警。仓库堆垛机流程图如图16所示。图16快递包裹分拣系统入库流程图4.3.2出库作业流程快递包裹分拣系统出库操作流程如图17所示。图17快递包裹分拣系统出库流程图第五章结论基于可编程控制器PLC快递包裹分拣系统不仅可以实现精确控制，还可以提高系统效率，从而实现对包裹的大规模控制。本次仿真设计，结合西门子S7-200系列PLC，网络设置，优化控制选择，结合传感器信号，自动包裹控制系统的各种功能和定时逻辑，西门子组态软件WinCC创建了一个清晰，用户友好的过程画面，结合了组态软件中的报警，