自动分拣控制系统设计

高 翔

（江苏远方动力科技有限公司，江苏 常州 213000）

1 自动分拣控制算法研究

1.1 串行自动分拣控制算法

串行自动分拣系统标准模型主要由多台分拣机和输送皮带组成[1]。串行自动分拣系统的分拣工艺特点可以总结如下：

1.订单严格按照订单队列中的先后顺序来开始分拣，并按照分拣顺序来到达分拣出口进行分拣。

2.每个订单中品项的分拣严格按照品项所对应的分拣仓编号顺序来进行，每个分拣仓在其前序分拣仓分拣完成之后就可以进行分拣作业[2-3]。

忽略分拣机分拣动作的具体控制细节，实现串行自动分拣系统控制的算法必须解决两个问题：确定每个订单分拣的开始时刻和确定每个订单中每个分拣仓分拣动作的执行时刻。

由于订单中各品项在分拣系统开始工作前就已经分配到对应的分拣仓，所以订单视窗的大小可以转化为是订单中个分拣仓实际分拣时间的叠加。假设系统中有m个分拣仓，第j号分拣仓的单位物料分拣时间为tj，在第i号订单中第j号分拣仓需要分拣的量为nij，则i号订单的订单视窗Ti为[4]：

串行自动分拣工艺要求订单严格按照先后顺序分拣。因此，从订单分拣后的效果来看，订单视窗在输送皮带上顺序排列，并保持固定间隔。为了便于讨论、简化计算。我们可以将订单开始分拣的时间视为订单视窗进入输送皮带d0点的时刻。假设第1 号订单开始分拣的时刻为S1，订单视窗固定时间间隔为D，则第2号订单的开始分拣时刻S2=S1+T1+D，以此类推，第i号订单开始分拣的时刻为Si=Si-1+Ti-1+D。

对于第1 号订单开始分拣的时刻可以设定为系统开始分拣的初始时刻S0，因此订单开始分拣的时刻可以整理为：

订单中有订货需求的品项由对应的分拣仓分栋，依据编号大小顺序执行分栋，每个分拣仓在其前序分拣仓分拣完成后方可开始执行分拣作业。假设输送皮带的速度为v，第k号分拣仓与订单视窗进入输送皮带d0之间的距离为dk。

因此，第i号订单中第k号分拣仓分拣执行时刻为τik：

在式（1）、（2）、（3）中，nij是与订单相关的变量，tj、dk在自动分拣系统中是与分拣机能力、位置相关的确定量，速度v则需要在系统设计时选择适当的输送皮带速度。自动分拣系统要保证分掠后的物料在输送皮带上不出现堆叠，输送皮带必须至少在分拣仓的单位分拣时间内为完成对应品项单位物料的输送，即：输送皮带速度要与分拣仓分拣能力匹配[5-6]。假设系统中共有m个分拣仓，第j号分拣仓对应的分拣品项的单位物料宽度为lj，则输送皮带的输送速度v的选择依据是：

1.2 分组并行自动分拣控制算法

在分组并行自动分拣系统模型中，每一个分组都是一个串行自动分拣子系统。根据上文给出的串行自动分拣系统控制算法，我们容易得到分组并行自动分拣系统第i号订单的第g 号分组的控制算法为[7-8]：

1.分组订单的订单视窗：

2.分组订单开始分拣时刻：

3.分拣仓分拣执行时刻：

分组并行自动分拣系统还有两个核心工艺环节：每个分组的订单在合流点堆积，压缩订单视窗；压缩后的分组订单需要合流形成完整订单。

2 系统硬件设计

自动分拣系统主要包含设备检测控制系统、设备的分捡控制系统和全程监视（HMI）系统。检测单元由PLC（可编程控制器）、气缸、气阀、电磁阀、继电器和相应检测功能的传感器组成，控制站主要包含西门子S7-300 的主站、以太网通讯模块、DP 链路、西门子S7-200 的从站、DP 总线的低压开关等构成。

2.1 控制柜电气部分

2.1.1 总电源部分

三相开关：选择空气开关，三相四线，额定电压为380V，额定电流32A。

安全保护功能：选择漏电保护开关，瞬时保护电流30mA，反应时间0.1S。

24V 直流电源：220V 交流电驱动，24V 电压，10A电流，红为正，黑为负。

2.1.2 主要控制元器件

系统主站采用西门子S7-300 可编程控制器，CPU为315-2DP 模块含后备电池及存储卡，输入/输出模块：整套装置控制。

2.2 系统输入/输出（I/O）分配表选择

根据控制要求选择输入/输出（I/O）具体分配。

检测单元控制要求：当系统位于控制原点时，按下检测系统启动按钮或者分拣系统启动按钮或者主站上的启动按钮都可以启动系统，检测系统、分拣系统上的传送带根据启动信号指令开始转动工作，对应的两个单元以及主站的运行指示灯亮，提示系统开始运行。

分拣单元控制要求：

当检测为非金属物件时，PLC 控制摆动气缸双向电磁阀得电，摆动气缸机械手臂在气压作用下上升，摆动气缸工作到达限位开关后旋转气缸工作，旋转90°，当到达旋转限位开关后直线平移气缸电磁阀得电，直线平移气缸右移，直线平移气缸平移到最右侧限位开关后，将物件按照颜色放至最右侧固定非金属物件区域，机械手臂在该位置保持运行2 秒后，直线气缸电磁阀断电，机械手安装原理工作轨迹回到初始位置。

当检测为金属物件时，PLC 控制摆动气缸双向电磁阀得电，摆动气缸机械手臂在气压作用下上升，摆动气缸工作到达限位开关后旋转气缸工作，旋转90°，当到达旋转限位开关后直线平移气缸电磁阀得电，直线平移气缸右移，直线平移气缸平移到最右侧限位开关后，将物件按照不同的颜色放至最左侧固定金属物件区域，而后加紧气缸断电，夹紧气缸松下物件，物件落到金属物件区域相应位置。机械手在该位置保持运行2 秒后，机械手安装原理工作轨迹回到初始位置。具体分拣部分I/O 分配表如表1 所示。

表1 分拣部分I/O 分配表

3 系统从站程序设计

3.1 检测单元程序设计

对检测单元控制要求进行分析，结合输入/输出（I/O）地址的分配表对应PLC 输入与输出的地址，分析各输入/输出与各控制要求之间的逻辑、数据关系，确定需要检测的量和控制方法的基础上，根据各设备的操作内容和操作顺序，确定了各模块之间的关系，设计系统控制的流程图，用于清楚地表明动作的顺序。在对其进一步细化，然后编制梯形图。

3.2 分拣单元程序设计

对分拣单元控制要求进行分析，结合分拣单元输入/输出（I/O）地址的分配表对应PLC 输入与输出的地址，分析各输入/输出与各控制要求之间的逻辑、数据关系，确定需要检测的量和控制方法的基础上，根据各设备的操作内容和操作顺序，确定了各模块之间的关系，设计系统控制的流程图，用于清楚地表明动作的顺序。

4 总结

在SIEMENS 公司S7-300 系列PLC 自动分拣控制系统中设计和实现分拣控制算法。由于基于时间参数的分拣控制算法不适合PLC 控制程序的设计与实现，在自动分拣系统的皮带输送机上设计安装增量式旋转编码器，用编码器脉冲计数重新定义参数修正分拣控制算法。依据修正的分拣控制算法，设计实现自动分拣PLC 控制系统程序。该PLC 控制系统在实际的订单自动分拣系统应用中运行良好，达到设计目标及控制要求。