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。

　　随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，材料的自动分拣已成为企业的唯一选择。

　　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

表2 材料分检装置PLC输出端子分配表

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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