通信协议的称重与分拣系统设计范文

摘要：为了解决目前物流行业人工称重与分拣对包裹造成的损坏问题，设计基于PLC与USS通信协议的称重与分拣系统。选用西门子S7-1214C型号PLC与MM440变频器，借助称重传感器与UNI800C之间的开关量转换和RS485串口通信控制，实现无级调速和降低包裹称重与分拣过程中受到冲击载荷的目的。此外，依据高速计数器和测试脉冲当量建立的数学模型，精准输送包裹至与推杆均衡受力位置，达到柔性分拣的目的。

关键词：PLC；USS通信；MM440；数学模型

0引言

随着淘宝、京东和苏宁等电商的兴起，消费者逐渐从传统线下门店购买模式转变到线上下单购买模式。尤其是电商每年一度的双十一购物狂欢节，对快递行业分拣的准确性、高效性和安全性要求越来越高。一般物流公司是小公司收件，然后卖给大公司（顺丰等直营企业除外）。收件过程中要根据寄件的大小进行计费，计费的标准是重量、体积等因素共同决定的。对于国际件和小件（袋装件），则是条码和重量相结合的方式计费。人工测算包裹体积与重量过程中，需要多次转放货物，甚至有些员工直接一扔，对货物损伤极大[1]，但传统的模式又无法避免这种现象的发生。可编程逻辑控制器（PLC）具有高可靠性和强抗干扰能力[2]，被广泛应用于现代自动化控制的加工生产中。为了解决上述人工收件称重慢、效率低、工作不连续等问题，设计了基于西门子1200系列PLC[3,4]和MM440变频器[5]，使用称重传感器检测元件，完成对包裹的称重、筛选、分类输送的快速分拣功能。同时，基于USS通信协议的变频器无级调速功能及旋转编码器精确定位与高速脉冲计数功能，可实现对称重分拣过程的半闭环控制，极大降低了包裹在称重和分拣过程中受到的冲击载荷，有效保护包裹内物品的完好性，从软件控制方面实现柔性称重与分拣的目的。

1分拣系统总体结构

1.1分拣系统整体结构分拣系统整体结构如图1所示，主要组成包括：检测单元、输送单元、执行单元、物理装置。检测单元主要由称重传感器、光线传感器、磁性限位检测开关和光电编码器等部分组成，完成对包裹称重，计算输送脉冲数及是否推送到位的功能。输送单元主要由步进电机和输送带组成，完成输送包裹的目的。执行单元的气动推杆，实现将包裹推入传送带的功能。物理装置完成支撑，固定与定位功能。

1.2工作流程物料被机械手放入物料导向器后，在输送带的运送下，到达称重传感器。延时称重后，输送带继续输送物料至指定推杆位置停止并延时。延时到，推杆动作，物料进入传送带，并被传送到指定区域。

2系统硬件设计

2.1MM440变频器分拣系统采用三相减速电机，实现驱动输送带，输送包裹的作用。为了使输送电机运转更加平稳，减少包裹在输送中损坏，尤其是一些对冲击振动敏感的商品。选用MM440变频器[6]和基于RS485的USS通信协议，实现无级调速的目的。

2.2称重传感器信号转换称重传感器受到包裹的压力时，会产生变动的微电压信号，通过将微电压信号送给UNI800C物料分选控制器处理，不同重量范围的上下限信号转换成UNI800C的开关量信号。

2.3旋转编码器本文选用的增量式编码器在自动生产线上应用十分广泛，结构组成包括光栅盘和光电检测装置。可通过计算旋转编码器每秒输出的脉冲数计算电机的转速。

2.4推杆气动控制回路气动推杆机构，选用的是两位五通的单电控电磁阀，安置于汇流板上。当电磁阀断电后，推杆会在弹簧力的作用下，自动回复至初始位置。下图中的1B1、2B1和3B1分别安置在对应推杆气缸的极限工作位置的磁感应接近开关，用于检测推杆是否工作到位。1Y1、2Y1和3Y1则是推杆气缸电磁阀的电控端，控制推杆是否执行推料入槽的动作。

2.5西门子PLC的I/O口分配与接线图作为西门子S7-200的升级版，新的模块化SIMATICS7-1200控制器可实现简单却高度精确的自动化任务，并实现了模块化和紧凑型设计，功能强大，适合各种应用。分拣系统选用的是S7-1214CDC/DC/DC，订单号为6ES7214-1AE30-0XB0。分拣系统电气接线图如图9所示。

3系统软件设计

3.1脉冲当量测试为了实现输送带精准输送包裹至指定推料槽口，采用光电编码器对步进电机脉冲数进行计数，分拣系统选用的光电编码器采用A/B正交反相计数。通过实验测量数据，建立以下数学模型求解脉冲当量。

3.2USS_PORT功能块编程USS通信协议，是按照串行总线的主从通信原理进行通讯访问的。USS_PORT功能块是用来处理USS网络上的通信，是西门子S7-1200与MM440变频器的通信接口。

3.3USS_DRV功能块编程USS_DRV指令中，通过PLC中输入单元的I0.5和I0.6控制变频电机的启动与停止。变频器设定的频率值和实际速度反馈值分别存放在MD20、MD30中，可通过组态界面进行修改与显示。考虑到输送带速度降为0的过程所消耗时间对运动精准性的影响及短时间降速损害步进电机使用寿命等因素后，设定变频器斜坡上升时间与下降时间分别为3S、2.5S。

3.4HSC_1高速计数器及功能梯形图入料口检测到包裹后，启动输送带。执行输送任务。此时，旋转光电编码器开始计算脉冲数。当脉冲数达到648，即称重传感器所在位置的脉冲数，系统停止电机运行并延时。3S延时到，称重传感器已完成将微变化的模拟量电压信号转变为PLC输入单元的开关量信号。此时，继续运行输送带电机，执行输送任务。

4结束语

本论文从实际角度出发，为了解决目前快递行业在分拣高峰期依赖人工分拣所产生的暴力分拣方式，设计基于PLC与USS通信协议的柔性分拣[7]系统。选用西门子S7-1214C型号PLC产品与MM440变频器，借助称重传感器与UNI800C之间的开关量转换，完成将压力微信号转换为PLC输入模块的开关量信号的目的。同时基于USS通信协议的RS485串口通信控制，可以很好的实现无级调速，大大降低了包裹分拣过程中的冲击载荷。此外，为了更好的实现柔性分拣过程，构建了光电编码器脉冲当量的数学模型，通过大量的数据采集计算，得到脉冲当量的数值。依据脉冲当量计算的脉冲数，精准的实现推杆与包裹的最佳受力接触点，完成柔性分拣的目的。综上所述，本文对实现柔性分拣有着重要意义。

参考文献：

[1]李庭贵.基于西门子PLC和变频器的物料分拣系统设计[J].制造业自动化,2013,27(6):92-95.

[2]乔东凯,廖辉,等.基于PLC和触摸屏的物料自动分拣系统的电气化设计[J].机床与液压,2014(1):106-109.

[3]王艳艳,吴耀华,刘鹏.自动分拣系统分拣作业任务优化[J].机械工程学报,2007,47(20):10-17.

[4]刘振群.基于uss通信协议的西门子s7-1200PLC与MM440变频器的无级调速的实现[J].科技创新,2013(16):9-10.

[5]廖常初.S7-1200PLC编程及应用.北京:机械工业出版社.[6]SiemensAG.MM440变频器使用大全.2003.

[7]石锐,周雷,杨正益.软PLC梯形图到语句表转换新策略的研究[J].计算机工程与应用,2010,46(18):244-248.

[8]张同苏,李志梅.自动化生产线安装与调试实训和备赛指导.第1版.北京:高等教育出版社,2015.

作者：何守磊；殷振；刘意；仝旭；顾鸣伟 单位：苏州科技大学