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物料分拣毕业设计说明
摘要
自动分拣控制系统广泛应用于社会各行各业，如：
物流配送中心、邮局、采矿、港口、码头、仓库……该控制系统的应用可以大大提高企事业单位该环节的生产效率。
本文作者通过查阅大量资料，对自动分拣系统与其相关的技术发展、现状和趋势作了一个比较全面的总结。
在熟悉了自动分拣系统的原理的基础上，根据一定的分拣要求以三菱PLC为控制核心，Mcgs组态软件为监控软件，设计出物料分拣控制系统。
该物料分拣系统以PLC为主控制器,结合气动装置、传感器技术、组态监控等技术,现场控制产品的自动分拣。
系统具有自动化程度高、运行稳定、分拣精度高、易控制的特点,对不同的分拣对象,稍加修改本系统即可实现要求。
关键词：
物料分拣组态监控
引言
自动分拣是指货物进入分拣系统到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动装置来完成的。
这种装置是由接受分拣指示信息的控制装置、计算机网络、搬运装置、分支装置（负责把到达分拣位置的货物按运到别处的装置）、缓冲站（在分拣位置临时存放货物的装置）等构成。
除了使用终端的键盘、鼠标或者其它方式向控制装置输入分拣指示信息的作业外，由于全部采用自动控制作业，因此它的分拣能力、分拣数量同人为分拣相比都比较大，效率也得到了进一步突破。
自动分拣系统的规模和能力已有很大的发展，目前大型分拣系统大多能分拣几十到几百个种类的物品，分拣能力达到每小时万件以上。
国外分拣系统规模都很大，主要包括进给台、信号盘、分拣机、分拣信息识别系统、设备控制系统和计算机管理系统等几大部分，还要配备外围的各种运输和装卸机械，组成一个庞大而复杂的系统。
自动分拣大部分与自动化立体仓库连接起来，配合自动引导车（AGV）、托链小车等其它复杂的系统，分拣系统在总体布置上，可以说千变万化。
自动分拣机最先在邮政部门开始应用，大量的信件和邮包要在极端的时间正确分拣，非凭借高度自动化的分拣措施不可。
此后，运输企业、配送中心、通讯出版部门、烟草部门、出版行业、食品化工、造纸业、化工业、机械制造以与各类工业企业亦相继应用。
近二十年来,特别是物流行业，随着经济和生产的发展,商品趋势趋于"短小轻薄"，流通趋于小批量多品种和准时制（JUST-IN-TIME，简称JIT）。
分拣作业已成为一项重要的工作环节，分拣系统的应用已经日趋普遍。
我国目前多数配送中心和物流企业都是人工分拣。
显然，随着分拣量的增加、分送点的增多、配货响应时间的缩短和服务质量的提高，单凭人工分拣将无法满足大规模配送的要求，所以这一环节亟待提高。
而国外一些配送中心多采用分拣系统进行分拣，充分发挥了分拣技术分拣速度快、分拣点多、差错率极低、效率高和基本上全自动操作的优势。
自动分拣系统成为当代物流技术发展的三大标志之一。
第1章分检系统硬件结构与电路分析
1.1物料分拣系统的主要硬件结构
1、操作面板（包括计算机）
2、单向感应电动机（单向感应电动机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行）
3、三菱PLC，三菱变频器
4、置电源（可以将220交流电转换成24伏的直流电供给各个传感器与气阀以与转接板上的各个指示灯，同时也为单向感应电动机提供稳定的220伏电压）
5、传送带（用于运输物料的装置）
6、挡板（防止物料被推出的装置）
7、放料库（是一个材料自动出库的装置，由电机带动转盘转动，从而给整条线下料）
8、先导式电磁换向阀（用于控制阀门的换向）
9、气缸回位限位开关（磁感应开关）
10、气缸动作限位开关（磁感应开关）
11、电容传感器（检测非金属）
12、电感传感器（检测金属）
13、光电传感器（检测有无物料）
14、导料轨道（主要作用是当传送带送出第一个材料时导出第二个材料）
15、推料缸（利用气动原理将物料推出的装置）
16、机械臂（用于夹取物料，放入下料口）
17、指示灯（用于指示各个输入输出信号的指示以便于我们进一步控制）
1.2PLC系统
1.型号FX2N
2.特点a.可靠性高（可靠性包括产品的有效性和可维修性）
b.操作性高（包括操作，编程和维修三个方面）
C.灵活性好（包括编程，扩展和维修三个方面）
D.可实现机电一体化（为了使工业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化）。
3.性能可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可编程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器与其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。
4.外部设施包括a.中央处理器（可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统部各部分的工作任务等）；b.存储器（存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序以与运算数据的单元；c.输入输出接口（输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分）；d.电源（可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源以与为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池）e.编程器（PLC的重要外部设备，利用编程器可将用户程序送人PLC的用户程序存储器，调试程序、监控程序的执行过程。
编程器从结构上可分为以下三种类型。
（1）简易编程器
（2）图形编程器（3）通用计算机编程）
1.3传感器机构
1.3.1光电传感器
1）原理
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
2）特点
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,在检测和控制中应用非常广泛。
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光（红外、可见与紫外光辐射）转变成为电信号的器件。
1.3.2电容传感器
1）.原理
从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。
力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。
2）.特点
a.测量围大;
b.灵敏度高;
c.动态响应快;
d.稳定性好.
1.3.3电感传感器
1）.原理
电感式传感器inductancetypetransducer电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
2）.特点
①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量围宽（测量围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。
1.3.4磁性开关
1）.原理
磁性开关意思就是通过磁铁来感应的，这个“磁”就是磁铁，磁铁也有好几种，市场上面常用的磁铁有橡胶磁、永磁铁氧体、烧结钕铁硼等。
开关就是干簧管了。
干簧管是干式舌簧管的简称，是一种有触点的无源电子开关元件，具有结构简单，体积小便于控制等优点，其外壳一般是一密封玻璃管，管，中装有两个铁质的弹性簧片电板，还灌有一种叫金属铑的惰性气体。
平时，玻璃管中的两个由特殊材料制成的簧片是分开的。
当有磁性物质靠近玻璃管时，在磁力线的作用下，管的两个簧片被磁化而互相吸引接触，簧片就会吸合在一起，使结点所接的电路连通。
外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路也就断开了。
2）.特点
a.有PP、PVDF材质可适用于强酸碱场所；SUS304/316金属材质适用于高温高压桶槽。
b.接线盒规格最齐全，有塑料、铝合金、不锈钢防爆型，防护等级IP-65以上。
c.接点容量50W/250VACSPST或30W/200VDCSPDT。
d.接续法兰有JIS、DIN、ANSI规格；牙口有NPT、PF、BSP等规格。
e.可做多点控制、安装容易、节省成本。
1.4三菱E540变频器
1）.原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。
2）.性能分析
三菱变频器E500系列小型、高性能 FR－E500（FR－PA02－02简易型面板须另外购买）1．功率围：
0.4～7.5KW（三相380V，FR－E540系列）0.4～7.5KW（三相220V，FR－E520系列）0.4～2.2KW（单相220V，FR－E520系列）2.用磁通矢量控制，实现1Hz运行150%转矩输出。
3．ID，15段速度等功能选择。
4.置RWM，实现更低噪音运行。
5．置RS485通信口。
6．柔性PWM，实现更低噪音运行。
7．可选择FR－PA02－02简易型面板或FR－PU04－CH型LCD显示面板。
0.4-7.5KW（3相380V，FR-E540系列）、0.1-7.5KW（3相220V，FR-E520系列）、0.4-2.2KW（单相220V，FR-E520S系列）。
功率围：
0.4-7.5KW（3相380V，FR-E540系列）0.1-7.5KW（3相220V，FR-E520系列）0.4-2.2KW（单相220V，FR-E520S系列）采用磁通矢量控制，实现1HZ运行150%转矩输出。
PID，15段速度等多功能选择。
置RS-485通信口。
柔性PWM，实现更低噪音运行。
可选择FR-PA02-02简易型面板或FR-PU04LCD显示面板。
三菱电机将滑差补偿结合到通用磁通矢量控制，实现了1Hz时150%的转矩输出。
即使在使用离线自动调整功能后的电机特性参数发生一些变化，仍能通过通用磁通矢量控制控制运行。
第2章控制软件设计
2.1物料分拣系统工作过程分析
（1）接通电源，按下启动开关，系统进入启动状态。
转盘开始转动，流水线开始下料
（2）系统启动后，下料传感器（光电传感装置）检测到料库里有材料时，机械臂去提取材料，将材料放入下料口，下料口传感器检测到有物料后，电机带动传送带运动。
物料开始在传送带上运行，如果下料传感器没有感应到材料，传送带不运行。
（3）当电感传感器检测到铁质材料时，推料缸1将物料推入导料轨道1中。
（4）当光电传感器检测传感器检测到材料为白色时，颜色出料气缸动作将被检测到的物料推入导料轨道2中。
（5）当电容传感器检测到非金属材料时，非金属气缸动作将待测物体推入导料轨道3中。
（6）当料库无材料时，传送带须继续运行一个行程后自动停机。
由光电传感器判断有无材料，没有材料时系统直接进入一个循环周期，周期时间到的时候系统停止运行。
当有材料时，程序判断YV5是否复位，当它没有复位时传输带不运行，复位时，传输带自动运行且气缸自动将材料打出，并每隔一定时间打一次。
在气缸将材料送至传送带的过程中，传送带运行停止，当气缸复位时传送带正常运行。
材料随着传送带的运行而前进，遇到传感器相对应的传感器时，传感器给PLC发出信号，同时PLC给对应的气阀发出信号，于是同组的气缸开始动作打出材料。
如果气缸没有复位则传送带就停止运行。
这就是整个程序的流程。
2.2物料分拣系统I/O分配表
根据物料分拣系统的工作过程由可知，系统的控制有输入信号12个，均为开关量。
输出信号有5个，其中一个控制电动机，剩下的控制气阀，也都是开关量。
根据分拣系统的需要配置出I/O对应功能，列表如下：
输入地址
输出地址
序号
地址
备注
序号
地址
备注
1
X0
启动
1
Y0
驱动手臂右转
2
X1
停止
2
Y1
3
X2
气动手爪传感器
3
Y2
驱动手臂左转
4
X3
旋转左限位传感器
4
Y3
驱动转盘电机
5
X4
旋转右限位传感器
5
Y4
驱动手爪抓紧
6
X5
气动手臂伸出传感器
6
Y5
驱动手爪松开
7
X6
气动手臂缩回传感器
7
Y6
驱动提升气缸下降
8
X7
手爪提升限位传感器
8
Y7
驱动提升气缸上升
9
X10
手爪下降限位传感器
9
Y10
驱动臂气缸伸出
10
X11
物料检测传感器
10
Y11
驱动臂气缸缩回
11
X12
推料一伸出限位传感器
11
Y12
驱动推料一伸出
12
X13
推料一缩回限位传感器
12
Y13
驱动推料二伸出
13
X14
推料二伸出限位传感器
13
Y14
驱动推料三伸出
14
X15
推料二缩回限位传感器
14
Y15
驱动报警
15
X16
推料三伸出限位传感器
15
Y16
停止指示红灯
16
X17
推料三缩回限位传感器
16
Y17
运行指示绿灯
17
X20
启动推料一传感器
17
Y20
电机正转中速
18
X21
启动推料二传感器
18
Y21
电机反转低速
19
X22
启动推料三传感器
20
X23
启动传送带传感器
21
X24
急停
22
X25
复位开关
23
X27
初始化状态
表1：
物料分拣系统的I/O列表
2.3物料分拣系统I/O分配图
图1：
I/O分配图
根据PLC选型的要求，在实际统计的输入/输出点数的基础上需有15%---20%的备用量，因此选择三菱FX2N—32MR的PLC作为主机，它可以满足本系统的需求，且还有一定的剩余I/O以备将来的扩展。
2.4物料分拣系统控制流程图
由分拣系统的分拣要求画出控制系统的程序流程图如下图：
没有复位则传送带就停止运行。
这就是整个程序的流程。
图2
2.5物料分拣系统梯形图
根据分拣系统的要求设计出梯形图，梯形图的部分程序如下：
图3物料分拣系统的部分梯形图
2.6端子布线图
图4：
端子布线图
2.7程序下载与调试
1.程序下载
当程序设计好之后必须下载到PLC中才可以运行系统，下载时使用的是三菱PLC专用的编程电缆SC—09。
这根电缆的一端是接电脑的RS232串口，一端接在PLC的RS422通讯串口上。
当电缆接好之后，打开GXDeveloperVersion7软件，进入要下载的文件。
先转换文件，然后选择菜单栏里的“在线”选择“写入”，便可以下载程序到PLC中。
如下图所示：
2.硬件调试
在软件与硬件都已经准备好之后，开始对系统进行调试。
这个过程便于我们发现问题与不足。
通上电源，观察指示灯，一切正常之后开始加材料。
通过运行，在材料加入料槽后发现材料容易被气缸打飞。
从两个方面解决这个问题，首先调低气缸的气压，但气压波动较大，仍然无法解决问题；从另一个方面入手在出槽口的一端加上挡板，通过试验，大部分材料可以正常步入传送带。
此问题顺利得到解决。
材料随传输带传送到传感器时，传感器并不能感应到材料，说明传感器与物体的距离不适合。
通过多次调试找到了适合的位置，即传感器的底部与传送带的距离。
电感传感器与传送带最合适距离为28CM，颜色传感器最合适距离为30CM，电容传感器与传送带最佳距离为25CM。
传感器对应的各个气缸在感应到材料后便开始动作，但由于气压的原因，材料不是被打飞，就是根本没有触到材料。
首先将总气源的气压稳定在2.5Mp,然后逐个调试气阀的进气开关，使气缸的气量保留在合适适中的位置。
3.软件调试
将编写的梯形图程序进行编译，并下载到PLC当中，刚编译好的程序难免会有错误或者缺陷，为了消除程序中的错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时都能做出正确的响应，需要进行离线测试，既不讲PLC的输出接到设备上。
按照控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，若输出不符合要求，则查找原因，并排除之。
第3章MCGS组态监控画面与参数设置
3.1组态技术概述
组态控制技术是一种计算机控制技术。
利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机控制系统在结构上没有本质的区别，它们都是由被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执行机构几部分组成。
现场
参数
I/O
接口
现场设备
执行器
传感器
被控对象
I/O
接口
计算机
显示器
键盘
传感器的作用是可以把被控对象的各种参数进行检测，然后将参数显示于计算机的显示器上。
并根据参数实际值与设定值的偏差，按照一定的控制算法发出控制命令，控制执行机构的动作，从而完成任务。
I/O接口负责沟通传感器、执行器，它是计算机与现场设备的桥梁。
部有将数字量转换成模拟量D/A转换器、模拟量转换数字量的A/D转换器、对开关量进行隔离的光电隔离器等。
执行器由一些机械设备组成，如：
电机、电源、管道、气阀、集成电路等组成。
3.2组态控制技术相对于传统计算机控制技术的优点
组态的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。
在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。
这些优势主要体现在：
PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已经成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。
在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
组态（Configuration）的意思就是模块的任意组合。
简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。
在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用BASIC,C,FORTRAN等）来实现的。
编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。
组态软件的出现，解决了这个问题。
对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。
这样系统设计人员就可以把更多的注意力集中在如何选择最优的控制方法上，设计出合理的控制系统结构，选者合适的控制算法等这些提高控制品质的关键问题上。
一方面，从管理的角度讲，用组态软件开发的系统具有与Windows一致的图形化操作界面,非常便于生产的组织与管理。
一般来说，只要采用IPC（工业控制计算机），选择通用接口部件和组态软件，这样构成的系统都是基于组态控制技术的。
世界上有许多自动化设备生产厂家生产了许多基于这种技术的DSC（集散式控制系统）计算机系统。
如：
中国的研华公司、时利和公司、德国的西门子公司、日本三菱等等。
与上面系统专用组态软件相对的是通用组态软件，常用的国产通用组态软件有微控可视组态、MCGS、Kingview（组态王）等等。
3.3组态控制画面的设计
打开MCGS组态环境这个软件，进入它的主界面。
设计出监控的画面如（图5）：
图5物料分拣系统的组态监控画面
3.4组态控制参数与通讯参数的设定
首先对画面上的按钮进行动画连接设置。
例如：
单击画面上的材料库指示灯，在表达式里设置SN=1，闪烁实现方式与闪烁速度的设置如（图6）：
图6动态组态属性设置
对于其它的指示灯设置方法也如材料库指示灯，但表达式必须对应各自的变量参数。
当其它指示灯的对应变量设置完成之后。
对组态的通讯参数进行设置，打开设备窗口分别添加如下两个设备：
通用串口父设备和FX系列编程口。
图7设备的添加
双击通用串口父设备弹出通用串口父设备属性编辑对话框，对它的参数作如下设置，当设置好参数后点击检查，无误后点确定。
图8通用串口设备属性编辑
再对FX系列编程口进行设置，双击FX系列编程口弹出设备属性编辑对话框，对它的参数作如表2和图16设置，当设置好参数后点击检查，无误后点确定。
对应数据对象
通道类型
SN
只读X0000
SA
只读X0001
SB
只读X0002
SC
只读X0003
SFW2
只读X0004
SFW3
只读X0005
SFW4
只读X0006
SFW5
只读X0007
SBW2
只读X0010
SBW3
只读X0011
SBW3
只读X0012
SBW4
只读X0013
SBW5
只读X0014
YV2
读写Y0000
YV3
读写Y0001
YV4
读写Y0002
YV5
读写Y0003
M
读写Y0004
表3通道连接的设置
图9设备属性
3.5组态监控功能概述和调试
1.功能概述
通过对组态的画面与通讯参数的设置之后就可以对物料分拣进行监控了。
当材料库里有材料时，材料库指示灯开始闪烁。
同时传送带的指示灯也闪烁，表明传送带在工作。
SA、SB、SC分别为铁块、颜色、铝块的指示灯，当物料分拣系统感应到对应的材料时指示灯开始指示。
SBW2、SBW3、SBW4、SBW5的指示灯在汽缸动作时熄灭，当汽缸复位时灯变亮。
YV2、YV3、YV4、YV5为气阀的指示灯，当气阀动作时对应的指示灯变亮。
2.组态调试
通讯测试，设备调试主要是针对MCGS驱动使用过程中无常通讯的情况，通过串口调试工具和串口监听软件来调试设备与MCGS的通讯，最终准确判断问题所在，并进一步解决问题。
由于大多数驱动使用过程中出现的问题都是出现在现场的实际应用中，此时，驱动开发人员一般不可能直接到现场处理，二设备调试就显得尤为重要：
1.确认上位PC机硬件串口正常；2.确认下位机设备与硬件无问题；3.确认上位MCGS与设备串口通讯设置正常；4.确认上位机与下位机根据协议收发数据正确；5.如果还有问题，监听并截获数据，保存数据交MCGS驱动组处理。
结束语
综全文所述，本文对PLC与组态技术的工作原理、适用领域做出了详细的介绍，根据物料分拣的实际需求采用PLC设计出了物料分拣系统，并使用组态作为监控软件具有很高的实用价值。
现对全文做出如下总结：
一、设计物料分拣系统之前，阅读了大量的资料和文献，不但了解了自动分拣系统发展的历史，发展现状，应用背景。
还学习了气动技术、传感器技术、位置控制技术、与用组态软件实现上位机监控的知识。
二、用组态技术实现对分拣系统的现场监控，实现了现场无人化监控。
三、完成了物料分拣系统的硬件设计工作。
并且基于该平台完成了控制系统的软件。
通过实验测试了物料分拣系统硬件和软件。
致
本论文是在老师的悉心指导和精心培养下完成的。
老师严谨的治学态度、缜密的思维方式、踏实的工作作风和对事业的执着，以与对我的谆谆教诲都给我留下了深刻的印象，并使我终身受益。
谨此对季老师表达衷心的感和崇高的敬意。
参考文献
[1]袁秀英。
组态控制技术，：
电子工业。
2003.8。
[2]万忠、周渊深。
可编程控制器应用技术，：
化学工业。
2001.4。
[3]使用手册——三菱系列微型可编程控制器。
1999.11。
[4]常斗南。
可编程控制器，：
机械工业。
1998.7。
[
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