一种应用三方通信技术的全自动分拣系统设计

方弄玉，傅沈文，邹心遥，罗旭，刘宇容

(广东农工商职业技术学院，广东 广州 510507)

一种应用三方通信技术的全自动分拣系统设计

方弄玉，傅沈文，邹心遥，罗旭，刘宇容

(广东农工商职业技术学院，广东 广州 510507)

采用三方通信技术，将主站FX2N-48MRPLC与从站FX2N-16MRPLC、D700变频器、触摸屏通过三方通信方式连入通信网络，设计了集输送、姿势判别、材质判别、颜色判别、姿势调整、次品剔除、分拣一体的全自动分拣系统，详细介绍了该系统的方案设计，硬件配置和三方通信方式、程序设计技巧等。试验证实，变频器应用传送带能保持工件安全、连续传送，而且为系统节省能耗，变频器程序采用多个命令格式(HF0)可以缩短程序扫描时间，减少繁琐的程序编写，提高生产运行效率；利用脉冲定位，可减少由于传统时间定位引起的误差，实现精准控制；同时该系统可在传送模块中增加其他的传感器，增加物流分拣的安全性；将通信技术拓展到无线通信，可实现手机监控，智能管理。该系统可广泛应用于物流分拣、工厂自动化分拣生产线中。

三方通信； 自动分拣系统；HF0格式；变频器；PLC

0 引 言

伴随着经济的飞速发展和网络购物的迅速扩张，网上零售市场的交易规模日益扩大，增幅甚至高达162.38%[1],物流业的迅速发展与物流服务质量下降的矛盾也开始凸显,因暴力分拣,货物损坏等理由的投诉量明显增加,民营物流企业要在网购环境下增强竞争力、提高生产效率，保持可持续发展的重要途径即实现分拣系统的自动化。

随着现代科技的高速发展，具有高技术含量的自动化处理模式逐渐取代人工处理模式，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[2]。

在国内外，自动分拣系统的研究很多：如杨丹丹[3]等设计了基于ARM的快递货物自动分拣系统，以LPC2368微控制器为核心，该设计比传统方法体积小、成本低且效率高。陶秀义[4]等设计了一种卷烟分拣系统，能消除传统分拣工艺中各工序之间的等待时间，可以大大提高分拣效率；吴颖颖[5]等对分区自动拣选系统拣选策略进行优化研究，计算并证实两种可靠的优化策略； Ge P J[6]等设计了水果自动分拣系统，该系统应用型强，可靠性高，分拣错误率少。

本文借鉴前人的优秀设计的基础上，讨论了一种应用三方通信[7]技术的全自动分拣系统方案，采用整体化设计思路，充分考虑了软硬件各自的特点并进行互补优化，对工件的送出，传送，材质判别，颜色判别，姿势判别、分拣，进行了分析和设计，通过大量的实验和调试证实，该系统设计更加高效节能、经济，运行可靠，同时拓展灵活。

1 基于三方通信的自动分拣系统方案设计

本研究综合分析各类自动分拣系统运行情况，将自动分拣系统的功能概括为送料、皮带传送，二自由度机械手搬运、分拣等四大内容[8-9]，其方案设计如图1所示。

整个系统由FX2N-48MRPLC, FX2N-16MRPLC、D700变频器、威伦触摸屏和三菱D700变频器、各种传感器组成，主站PLC负责工件传送、判别和姿势纠正工作，从站PLC负责工件的分拣，变频器控制电机实现传送带的高、低速运行，整个系统构成通信网络10。

图1 自动分拣系统方案设计

2 三方通信方式

FX系列可编程控制器(PLC)通信方式很多，如1:1通信，N:N通信, 无协议通信，计算机链接通信等[11](1-2,1-3,1-4)，各种通信方式适用于不同的通信情况，本系统要求实现主站PLC与从站变频器，主站PLC与从站PLC之间的通信，需要使用三种通信协议，主站PLC通过无协议通信与从站PLC和从站变频器进行数据的读写操作，从站PLC、变频器接收到主站数据或者需要向主站发送数据时，主站PLC被看成一台计算机，从站PLC遵循计算机链接通信协议格式，从站变频器遵循变频器专用通信协议进行数据收发。

(1) 无协议通信

无协议通信[11](9-1)是指PLC用RS指令发送、接收数据，，与计算机等设备进行通信数据交互。如图2所示，本设计中，主站发送数据给从站时，把需要发送的数据以8位模式存储于D1～D49地区域，然后再发送给从站，如读从站数据，则存储于D51～D76区域，本设计中主站给变频器发送数据占用了D1～D19区域，主站给从站PLC发送通信请求读D150数据时占用D 21～D37区域，主站向从站写入D149数据时占用了D21～D41区域。

图2 无协议通信程序

(2)计算机链接通信

如图3所示，计算机链接通信[11](7-1)用计算机做主机，通过RS485接口与16台PLC组网，采用专用通讯协议，在计算机与PLC之间交换数据。此文中，主站PLC相当从站的一台计算机，如本设计中主站PLC向从站请求读取从站PLC中D150的数据，参照三菱FX通讯用户手册[11](7-5)中通信格式，通信程序编写如下(D150中有从站原点状态，准备就绪，已取走工件等信息)

图3 主站PLC向从站请求读取从站PLC中D150的数据

(3)三菱变频器专用通信

变频器的通信控制一般采用1∶N 主从通信方式，本设计中FX-48MR PLC作为主站，使用RS-485通信控制方式，变频器作为从站，本文主站PLC向从站变频器写入数据时使用通信格式HFO[12] (169-176)，其中指令代码由计算机发给变频器，指明程序要求，因此通过响应指令代码，变频器可进行各种方式的运行和监控。

3 基于三方通信的自动分拣系统PLC程序设计技巧

1)PLC选型及I/O分配

PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC,对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用, 在选型上我们应综合考虑性价比、性能与任务适应性等，主站选择FX-48MR PLC，从站选择FX2N-16MR PLC，能满足整个系统I/O点要求，I/O点分配如表1，表2所示。

表1 主站PLC的I/O分配表

2)程序技巧处理

(1) 用变频器多个命令格式(HF0)缩短程序长度

在主站PLC与从站变频器通信程序处理中， 考虑了程序过长将延长PLC程序扫描时间，影响程序运行效率，同时为减少程序员编写程序的繁琐步骤，我们采用变频器多个命令HF0[12](169-185)格式，如图4所示，主站可以同时向从站写入运行指令和设定频率，而原来的写入方式要求运行指令和频率分开写入，如图5所示。

表2 从站PLC的I/O分配表

图4 多个命令格式(HF0)程序

图5 非多个命令(A格式)

图6 数器C236计数脉冲达到590个，推料杆推料

(2) 计算脉冲个数实现精准定位

在传送带输送工件时，如果工件姿势不正确，工件输送到从站PLC控制的机械手下方时，应停止传送带运转而翻转机械手翻盖，如果工件没有精准停止在机械手下方就会导致翻盖动作无法完成，因此精准定位在该系统中非常重要，本设计替换传统的用时间简单定位方法，而用高速计数器计算脉冲个数来实现精准定位，通过多次调试证实，用脉冲定位可以克服传送带因惯性停机的时间误差，在工件翻转和次品剔除模块都可实现精准定位， 其程序设计如图6所示。

4 试验结果与分析

本研究在Sukey可编程程序系统设计师考核设备上进行了试验，在试验中进行如下调试：

1)在主站PLC与从站PLC、变频器通信过程中，通信格式的一致性，同通信过程中发送、接收数据的时间差都会影响通信效果，通过多次调试，通信写入/读取切换时间为150 ms,从站PLC等待时间设定为60 ms，从站变频器等待时间为80 ms时，能实现正常的主从站数据交互。

2)当变频器加减速时间调整为0.5 s以下时，启停传送带工件容易出现碰撞，本文设置变频器加减速时间2 s～3 s，工件传送相对平稳。

3)在传送工件过程中，传送带张紧度应调节合理，本文设置传送带1 Hz以下不能带动，1 Hz 能带动时，表明传送带张进度比较合适。

4)本设计中为实现精确推次品、翻转姿势而无误差在调试过程中需测量光电检测器的脉冲当量，我们使用公式：脉冲当量μ计算值=工件移动距离/高速计数脉冲数，通过求三次平均 ，计算所得脉冲当量为μ=(μ1+μ2+μ3)/3=0.256 6，同时通过计算脉冲个数确定推次品、和翻转动作，在调试过程中发现，相比传统的时间定位方式，脉冲定位精准无误差。

5 结束语

本文研究表明，采用PLC技术,变频技术，三方通信方式设计的全自动分拣系统可靠性高、安全性好、扩展灵活。变频器应用传送带能保持工件安全、连续传送，而且为系统节省能耗，变频器程序采用多个命令格式(HF0)可以缩短程序扫描时间，减少繁琐的程序编写，提高生产运行效率，利用脉冲定位，可减少由于传统时间定位引起的误差，实现精准控制；同时该系统可在传送模块中增加其他的传感器，如危险液体检测，气体检测等，可增加快递的安全性；将通信技术拓展到无线通信，可实现手机监控，智能管理等系。该系统可广泛应用于各种物流分拣、自动化分拣生产线中。

[1] 李炫炫,李跃辉.论我国快递业中存在的问题[J].科技经济市场,2015,15(2):101-101

[2] 贾争现,刘康.物流配送中心规划与设计[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3] 杨丹丹.基于ARM的物流包裹分拣机控制系统的设计[D].山西：中北大学硕士学位论文,2015.

[4] 陶秀义,沈敏德.卷烟自动分拣系统计算机辅助规划设计的应用研究[D].山东:山东轻工业学院:硕士学位论文.

[5] 吴颖颖.分区自动拣选系统拣选策略优化研究[D].山东:山东大学:博士士学位论文,2012.

[6] GE P J, WU Q L. The design of fruit automated sorting system [J].Computer Science,2008,258.

[7] 黄维.可编程控制器通信技术的研究与实现[D].吉林:吉林大学:硕士学位论文,2014.

[8] GUO Y M. The method of improving the efficiency of PLC[J]. Manofacturing Automation, 2002, 46(2):27-29.

[9] MAHA M. LASHIN. Different applications of programmable logic controller (PLC)[J]. International Journal of Computer Science: Engineering and Information Technology,2014,1(4):27-32.

[10] 刘志扬. PLC 控制系统及其通信技术在灌装设备改造中的应用[D].天津:天津大学:硕士学位论文,2013.

[11] 三菱电子有限公司.三菱FX通讯用户手册 [Z].日本：,2001.

[12] 三菱电子有限公司.三菱通用变频器FR-D700使用手册 [Z].日本：2012.

The Design of a Fully Automatic Sorting System Using Three-party Communication Technology

Fang Nongyu, Fu Shenwen, Zou Xinyao, Luo Xu, Liu Yurong

(Guangdong AIB Polytechnic College, Guangzhou Guangdong 510507, China)

In this paper, we use three-party communication mode to connect master station FX2N-48MRPLC and slave station FX2N-16MRPLC, D700 frequency converter and touch screen. A fully automatic sorting system is designed, which integrates such functions as feeding, pose discrimination, material discrimination, color discrimination, pose adjustment, inferior elimination and sorting. It describes in detail the scheme design of the system, hardware configuration, three-party communication mode and programming technique. Experiments prove that the conveyor belt used by the frequency converter can not only ensure safety of working pieces and continuous transmission, but also reduce energy consumption. The multiple demand format adopted by the frequency converter can shorten program scanning time, reduce tedious programming and improve production efficiency. By using pulse positioning, we can reduce errors caused in traditional time positioning so as to realize accurate control. In the meanwhile, this system can use additional sensors in its transmission module to raise safety in logistics sorting. Communication technology is expanded to wireless communication so that mobile phone monitoring and intelligent management can be realized. This system can be used widely in logistics sorting as well as automatic sorting lines in the factories.

three-party communication； automatic sorting system； HF0 format； frequency converter；PLC

国家星火计划，项目编号(2013GA780007；2013GA780003)；广东省高等职业教育教学改革项目项目编号(GDJG2015094)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.032

TP29

A

1000-3886(2017)01-0107-03

方弄玉(1983-)，女，广东广州人，硕士生/讲师，主要研究方向：电气自动化方向。

定稿日期: 2016-07-19