西门子S7-200 PLC在配送中心自动分拣系统中的应用

1、引言

自动分拣系统(Automatic sorting system)是先进配送中心所必需的设施条件之一。它具有很高的分拣效率，通常每小时可分拣商品6000-12000箱，可以说，自动分拣机是提高物流配送效率的一项关键因素。

目前自动分拣已逐渐成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。这种装置是由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位置的货物送到别处的搬送装置。由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。

物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。而且，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。



PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型材料的自动分拣控制系统。该系统的灵活性较强，程序开发简单，可适应进行材料分拣的弹性生产线的需求。

2、材料分拣装置结构及总体设计

要想进行PLC控制系统的设计，首先必须对控制对象进行调查，搞清楚控制对象的工艺过程、工作特点，明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段之间的转换条件。

2.1、材料分拣装置工作过程概述

如图1所示为本分拣装置的结构示意图。



图1  材料分拣装置结构示意图

它采用台式结构，内置电源，有步进电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、气动减压器、滤清器、气压指示等部件，可与各类气源相连接。选用颜色识别传感器及对不同材料敏感的电容式和电感式传感器，分别固定在网板上，且允许重新安装传感器排列位置或选择网板不同区域安装。

系统上电后，可编程序控制器首先控制启动输送带，下料传感器SN检测料槽有无物料，若无料，输送带运转一个周期后自动停止等待下料；当料槽有料时，下料传感器输出信号给PLC，PLC控制输送带继续运转，同时控制气动阀5进行下料，每次下料时间间隔可以进行调整。物料传感器 SA为电感传感器，当检测出物料为铁质物料时，反馈信号送PLC，由PLC控制气动阀 1 动作选出该物料；物料传感器SB为电容传感器，当检测出物料为铝质物料时，反馈信号送PLC，PLC控制气动阀2动作选出该物料；物料传感器SC为颜色传感器，当检测出物料的颜色为待检测颜色时，PLC控制气动阀3动作选出该物料。物料传感器SD为备用传感器。当系统设定为分拣某种颜色的金属或非金属物料时，由程序记忆各传感器的状态，完成分拣任务。

2.2、系统的设计要求

系统的设计要求主要包括功能要求和控制要求。

2.2.1、 功能要求

材料分拣装置应实现基本功能如下：

第一，分拣出金属和非金属；

第二，分拣某一颜色块；

第三，分拣出金属中某一颜色块；

第四，分拣出非金属中某一颜色块；

第五，分拣出金属中某一颜色块和非金属中某块一颜色。

2.2.2、 系统的控制要求

系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。当待测物体经下料装置送入传送带后，依次接受各种传感器检测。如果被某种传感器测中，通过相应的气动装置将其推入料箱；否则，继续前行。其控制要求有如下9个方面：

第一，系统送电后，光电编码器便可发生所需的脉冲；

第二，电机运行，带动传输带传送物体向前运行；

第三，有物料时，下料汽缸动作，将物料送出；

第四，当电感传感器检测到铁物料时，推汽缸1动作；

第五，当电容传感器检测到铝物料时，推汽缸动作；

第六，当颜色传感器检测到材料为某一颜色时，推汽缸3动作；

第七，其他物料被送到SD 位置时，推汽缸4动作；

第八，汽缸运行应有动作限位保护；

第九，下料槽内无下料时，延时后自动停机。

3、控制系统的硬件设计

PLC控制系统的硬件设计，主要是根据被控制对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备，选择合适的PLC类型，并分配I/O点。

PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。在实际工作过程中，需要对整个控制过程进行监控，运用组态软件(MCGS)建立其实际的模型，并进行动态画面的设定与数据报表的输出，完成一个较完整的监控界面。

3.1、 系统的硬件结构

设计系统的硬件结构框图，如图2 所示。



图2  系统的硬件结构框图

3.2、 系统关键技术

3.2.1、PLC的选择

根据上面所确定的I/ O 点数，且该材料分拣装置的控制为开关量控制。综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为32点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，选择一般的小型机即可满足控制要求。本系统选用西门子公司的S7-200系列CPU226 型PLC。

3.2.2、 PLC的输入输出端子分配

根据所选择的PLC型号，对本系统中PLC的输入端子分配如表1所示，输出端子分配如表2所示。

表1 材料分拣装置PLC 输入端子分配表

西门子PLC(I/O)		分拣系统接口(I/O)	备注
输入部分	I0.0	UCP(计数传感器)	接旋转编码器
	I0.1	SN(下料传感器)	判断下料有无
	I0.2	SA(电感传感器)
	I0.3	SB(电容传感器)
	I0.4	SC(颜色传感器)
	I0.5	SD(备用传感器)
	I0.6	SFW1(推气缸1动作限位)
	I0.7	SEW2(推气缸2动作限位)
	I1.0	SFW3(推气缸3动作限位)
	I1.1	SFW4(推气缸4动作限位)
	I1.2	SFW5(下料气缸动作限位)
	I1.3	SBW1(推气缸1回位限位)
	I1.4	SBW2(推气缸2回位限位)
	I1.5	SBW3(推气缸3回位限位)
	I1.6	SBW4(推气缸4回位限位)
	I1.7	SBW5(下料气缸回位限位)
	I2.0	SB1(启动)
	I2.1	SB2(停止)

表2 材料分检装置PLC输出端子分配表

西门子PLC(I/O)		分拣系统接口(I/O)	备注
输出部分	Q0.0	M（输送带电机驱动器）
	Q0.1	YV1（推气缸1电磁阀）
	Q0.2	YV2（推气缸2电磁阀）
	Q0.3	YV3（推气缸3电磁阀）
	Q0.4	YV4（推气缸4电磁阀）
	Q0.5	YV5（下料气缸电磁阀）

3.2.3、 PLC的输入输出端子分配

根据表1可以绘制出PLC的输入输出接线端子图，如图3所示。



图3  系统的硬件结构框图

4、 控制系统的软件设计

软件设计是PLC控制系统的核心，程序设计的主要任务是根据控制要求及工艺流程，画出状态流程图并设计出梯形图。

4.1、 控制系统流程图设计

据系统生产工艺的要求，分析各个设备的操作内容和操作顺序，如图4。



图4　控制系统流程图

该系统可选择连续或单次运行工作状态。若为连续运行状态，则系统软件设计流程图中的汽缸4动作后，程序再转到开始;若为单次运行，则汽缸4动作后停机。如果需要，该系统可在分拣的同时对分拣的材料进行数量的统计，这只需在各汽缸动作的同时累计即可。应用高速计数器编制程序，可以实现系统的定位控制功能。用高速计数器计数步进电机转过的圈数，来确定物料到达传感器的距离，实现定位功能。定位时，电机停转，计数器清零，传感器开始工作，对物料进行分拣处理。 在汽缸1～3动作后，电机重新运行，高速计数器也重新计数。如果相应的传感器没有检测到物体，则电机重新运行，高速计数器也重新计数，继续运行到下一位置。如果只对材料的某一特性进行分拣，比如只分拣金属和非金属，则只需对传感器的安放或程序进行修改即可。

4.2控制系统程序设计

下面对所编写梯形图作简要的介绍：



第一：以上为主程序，首先I2.0启动后，M0.1得电并自锁，为之后电动机得电做好准备，I2.1为停止按钮。当PLC处于RUN模式时，SM0.1通电一个周期，Q0.0复位清零，并调用子程序。



第二：以上为子程序中的高速脉冲指令，该程序先将控制脉冲指令的特殊功能寄存器进行初始化，然后当I0.0（下料传感器）检测到有料时，启动PLS（脉冲输出）指令；如果I0.0检测没有物料时，启动定时器T30，延时30秒自动停机。



第三：以上为子程序中的高速计数指令，首先进行高速计数指令的初始化操作，当电机旋转时，带动光电码盘发出脉冲，并输入PLC的接收端，由高速计数指令进行计数，计算步进电机转过的步数，进行定位控制。其中设定预置值为50，当计数至50时，调用中断程序。





第四：以上为中断程序，当高速计数指令计数至预置值时，这时物料移动至传感器的位置，M0.0得电，导致高速脉冲输出停止，步进电机停转。由于汽缸动作需要1秒，让电机停转一秒后继续运转。当物料被相应的传感器检测中后，相应的汽缸动作，将物料推下。I1.3，I1.4，I1.5，I1.6，I1.7为汽缸的回位限位开关，初始状态为闭合，I0.6，I0.7，I1.0，I1.1，I1.2为汽缸的动作限位开关，初始状态为关断。汽缸动作时，回位限位开关关断，到达动作限位开关时，动作限位开关闭合。

结 论

物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。而且，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。其设计采用标准化、模块化的组装，具有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。同时，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现求。

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