第3页 共38页
1 概述
1.1自动分拣系统的意义及特点
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。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健因素。它是二次大战后在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动分拣系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。 1.1.1 主要特点
(1) 能连续、大批量地分拣货物 由于采用大生产中使用的流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，因此自动分拣系统的分拣能力是人工分拣系统可以连续运行100个小时以上，每小时可分拣7000件包装商品，如用人工则每小时只能分拣150件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。
(2) 分拣误差率极低 自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，则误差率在3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有差错，否则不会出错。因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。
(3) 分拣作业基本实现无人化 国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于以下工作：
① 送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货。 ②由人工控制分拣系统的运行。
③分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车。 ④自动分拣系统的经营、管理与维护。
如美国一公司配送中心面积为10万平方米左右，每天可分拣近40万件商品，仅使用400名左右员工，这其中部分人员都在从事上述①、②、③、④项工作，自动分拣线作到了无人化作业。 1.1.2 系统的组成
自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。 控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。这些分拣需
第4页 共38页
求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去，根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。
分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。分类装置的种类很多，一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种，不同的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。
输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品贯通过控制装置、分类装置，并输送装置的两侧，一般要连接若干分拣道口，使分好类的商品滑下主输送机（或主传送带）以便进行后续作业。
分拣道口是已分拣商品脱离主输送机（或主传送带）进入集货区域的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。
以上四部分装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。
二次大战以后，自动分拣系统逐渐开始在西方发达国家投入使用，成为发达国家先进和物流中心，配送中心或流通中心所必需的设施条件之一，但因其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，因此，在发达国家，物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也很普遍。在引进和建设自动分拣系统时一定要考虑以下条件： 1.1.3 一次性投资巨大
自动分拣系统本身需要建设短则40~50米，长则150~200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大，动辄2万平方米以上，而且一般自动分拣系统都建在自动主体仓库中，这样就要建3~4层楼高的立体仓库，库内需要配备各种自动化的搬运设施，这丝毫不亚于建立一个现代化工厂所需要的硬件投资。这种巨额的先期投入要花10~20年才能收回，如果没有可靠的货源作保证，则有可能系统大都由大型生产企业或大型专业物流公司投资，小企业无力进行此项投资。
1.1.4 对商品外包装要求高
自动分拣机只适于分拣底部平坦且具有刚性的包装规则的商品。袋装商品、包装底部柔软且凹凸不平、包装容易变形、易破损、超长、超薄、超重、超高、不能倾覆的商品不能使用普通的自动分拣机进行分拣，因此为了使大部分商品都能用机械进行自动分拣，可以采取二条措施：一是推行标准化包装，使大部分商品的包装符合国家标准；二是根
第5页 共38页
据所分拣的大部分商品的统一的包装特性定制特定的分拣机。但要让所有商品的供应商都执行国家的包装标准是很困难的，定制特写的分拣机又会使硬件成本上升，并且越是特别的其通用性就越差。因此公司要根据经营商品的包装情况来确定是否建或建什么样的自动分拣系统。 1.2 研究的目的及意义
在本文中，以货物材料的分拣系统为例，详细的分析了在基于PLC控制的自动分拣系统的设计，文中介绍了分拣系统中信号的采集分析中传感器的一些基本知识，并通过要求与比较，确定了硬件系统中的一些元器件的选择与确定了PLC的选型。
在介绍了一些PLC的基本知识后，对本课题进行硬件与软件设计，设计出主电路与控制回路，并建立了实际的模型，在软件设计中，确定了I/O分配，并按照控制要求设计出了PLC梯形图。
进行整体调试。在硬件部分，调试其各部分安装的位置及角度，使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。将硬件各部分的动作幅度进行调试之后，进行了软硬件综合调试，实现材料分拣系统中上料、传送与分拣的全过程。
第6页 共38页
2 分拣系统中硬件设计
2.1 整体外观
如图2-1所示为PLC物料自动分拣系统的整体硬件图。
图2-1自动分拣系统硬件图
2.1.1 系统概述
本物料分拣装置主要由PLC 控制模块、变频器、机械手、位置检测与控制、物料输送及分拣、气动系统等模块组成。通过传感器信号采集，PLC 编程，对电磁阀、直流电机、交流电机等进行复杂的开关量控制、位置控制及时序逻辑控制，实现物料提升、故障报警、气动机械手搬运、皮带机输送、物料分拣等功能。 2.1.2 系统组成
（1）该装置由型材实训台、物料提升机构、气动机械手、物料输送及分拣机构、PLC 模块、变频器模块、按钮模块、电源模块、各种传感器、物料、I/O 接口板和气管等组成。
（2）电源模块由三相电源总开关（带漏电和短路保护）、熔断器、单相电源输出、三相电源输出、电源插座、开关电源（提供DC24V）等组成。
（3）按钮模块由急停按钮、转换开关、复位按钮、自锁按钮、指示灯等组成。 （4）变频器模块由欧姆龙3G3JV-AB004 变频器及接线柱组成。
（5）PLC 模块由三菱主机为FX1N-32MR-001 内置开关量I/O构成，机箱内装有24V/5A 的开关电源为系统提供直流电源。
（6）物料提升机构由单出杆气缸、电磁阀、磁性开关、警示灯、直流减速电机、机械结构件等组成。
（7）气动机械手机构由单出杆气缸、双出杆气缸、旋转气缸、气爪、磁性开关、缓冲阀、电磁阀、机械结构件等组成。
（8）物料输送及分拣机构由三相交流电机、皮带、单出杆气缸、磁性开关（磁电
第7页 共38页
传感器）、电磁阀、电涡流式电感传感器、电容式传感器、漫反射型光电传感器、机械结构件等组成[5]。 2.1.3 送料机构
如图2-2所示为送料机构硬件图。其中包括放料转盘：转盘中共放两种物料，一种金属物料、一种非金属物料。驱动电机：电机采用24V 直流减速电机，转速10r/min，转矩30kg/cm；用于驱动放料转盘旋转；物料滑槽：放料转盘旋转，物料互相推挤趋向入料口，物料则从入料口顺着滑槽落到提升台上；提升台：将物料和滑槽有效分离，并确保每次只提升一个物料；物料检测传感器：物料检测为光电漫反射型传感器，主要为PLC 提供一个输入信号，如果有物料在提升台上，就会驱动提升气缸提升物料；如果运行中，光电传感器没有检测到物料并保持4 秒钟，则让系统停机然后报警；磁性传感器：用于提升台气缸的位置检测。检测气缸伸出和缩回是否到位，为此在前点和后点上各一个，当检测到气缸准确到位后将给PLC 发出一个信号。磁性传感器接线时注意。蓝色接GND，棕色经过负载接PLC 输入端；提升气缸：提升气缸使用的是单向电控气阀。当电控气阀得电，物料提升台上升，当电控气阀断电，则物料提升台下降。
图2-2 送料机构图
2.1.4 机械手搬运机构
如图2-3所示为机械手搬运机构的硬件图。整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。手爪提升气缸：提升气缸采用双向电控气阀控制，气缸伸出或缩回可任意定位；磁性传感器：检测手爪提升气缸处于伸出或缩回位置；手爪：抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，单控气阀断电，手爪松开；旋转气缸：机械手臂的正反转，由双向电控气阀控制；接近传感器：机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出；双杆气缸：机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。气缸上有装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置；调速阀：调节旋转气缸的转动速度和力度，同时也可调节提升气缸的伸缩速度和力度；缓冲器：旋转气缸高速正转和反转到位时，起缓冲速作用[6]。