基于组态技术的自动分拣线仿真系统设计 开题报告

一、研究的现状及其意义

1.自动分拣技术

1.1自动分拣技术的历史

自动分拣系统（Automated Sorting System)是二次大战后率先在美国、日本的物流中心中广泛采用一种自动化作业系统，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。该系统的作业过程可以简单描述如下：流动中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点(如指定的货架、加工区域、出货站台等)，同时，当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短时间内从庞大的高层货架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送进点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。

在实际应用过程中，由于自动化分拣系统一直是物流系统中技术含量较高的部分，因此最初在国内企业中的应用大多以引进国外技术为主。随着科技进步的日新月异，在加快国外技术引进的同时，我国企业也积极采取对策。其中，由邮政规划研究院研制开发出的国内第一台新型印刷品邮件自动分拣机——扁平件高速分拣机在国内物流技术自主创新领域引起广泛关注。

1.2自动分拣技术的现状

    自动分拣机种类很多，而其主要组成部分相似。基本上由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。控制装置是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类的装置，按商品品种、商品送达地点或货主的类别对商品进行自动分类。这些分拣需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的判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。分类装置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鱼贯通过控制装置、分类装置，并排在输送装置的两侧，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入库储存，或是组配装车并进行配送作业。
                     
    国家邮政局科学研究规划院是国家邮政局直属的从事邮政决策软科学、邮政专业技术设备研究开发、电子邮政业务和软件开发的科研机构，为国家邮政局及各省市各级邮政局提供技术、决策支撑和服务，是中国邮政最具规模和实力的高科技领军企业之一，被北京市科学技术委员会认证为高新技术企业和在京科技研究开发机构。
                     
    20世纪90年代，随着我国国民经济的发展，邮件的处理量逐年增加。在各类邮件的处理中，信函、包裹、大件印刷品邮件已经基本实现了邮件处理的自动化作业。而大量的扁平印刷品邮件由于轻重不一、规格复杂，当时还没有处理设备可供使用，仍然采用人工摆地摊儿的方式进行处理，占用场地大、劳动强度高、作业时间长，因此急需寻求进行机械化和自动化处理的设备，以提高分拣效率、缩短分拣时间、减少差错率、提高通信质量。而此时，国外已经广泛使用了扁平邮件分拣机，实现扁平邮件分拣作业的机械化和自动化。尽快研究开发适合我国邮政实际的扁平邮件分拣系统就显得十分迫切和日益重要。
                     
    扁平邮件高速自动分拣系统项目可行性研究报告经国家经贸委组织有关专家论证后，正式批准列为国家重点研究开发项目，下达邮政科学研究规划院。经过努力，邮政科学研究规划院研制开发出国内第一台新型印刷品邮件自动分拣机——扁平件高速分拣机投入到杭州、郑州、南京、天津、长沙、合肥、济南、石家庄等邮件处理中心使用。2004年，在国家局科学技术奖评选中，扁平件高速分拣机获得惟一的一等奖。
                     
    与国外设备相比，国产设备的性价比具有很大优势，不仅有效地抑制了进口产品的价格，而且使国有品牌逐渐立足市场。目前，市场上主要的设备供应商基本由国外厂商和国内邮政系统内部的设备公司组成。从未来发展上来看，国内企业在引进新技术的同时，也开始更多关注新设备的自主开发。

自动分炼系统有以下特点：

　　1．能连续、大批量的分解货物。由于采用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无法比拟的。例如，目前世界上一般的自动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，除非条形码的印制本身有差错，否则不会出错。因此，目前自动分解系统主要采取条形码技术来识别货物。

3．分拣作业基本实行无人化。建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻人员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度的减少人员的使用，基本做到无人化。分拣作业本身并不需要使用人员，人员使用仅局限于以下工作：送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货；由人工控制分拣系统的运行；分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车； 自动分拣系统经营、管理与维护。

    自动分炼系统的组成：

　　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。

　　1．控制装置。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。

2．分类装置。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。

　　3．输送装置。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鱼贯通过控制装置、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。

4．分拣道口。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。

目前，PLC技术已在我国工业自动化生产中被广泛应用，取得良好的经济效益和社会效益，因而企业急需一大批掌握先进技术的高技能人才。【2】PLC系统设计目前大致分为两类：一类是有条件的院校购买设备，做PLC的实训系统练习；另外的是没有条件的院校通过相应的仿真软件进行仿真系统练习。

PLC实训系统练习可以很好地解决学生以往的实验教学内容和工程应用脱节的矛盾，做到使学生从实践中学习和内化所学理论知识，给学生提供锻炼理论和实践协调发展的机会，培养学生理论知识的工程应用意识，缩短科研项目的研发周期，优化控制系统设计，保证系统的可靠运行。【3】

系统的构成包括以下几点：

1.PLC可编程控制器实验台

2.PLC可编程控制器实验装置

3.PLC可编程控制器操作桌

4.编程应用软件

5.仿真教学软件

6.PLC及转接通讯电缆

7.电脑或手持编程器

选择实训系统时，要考虑一下要素：

1.实用性。指系统能够满足PLC应用实训教学的功能，同时具有相对经济性、国内机电专业市场和现有技术市场的可支持性。

2.经济性。指系统的实施及系统寿命周期内对资源的需求与消耗程度。如系统的立项、设计、一次性采购所需的资金支付、运行、维护及系统报废费用，系统运行所需的人力、空间、场地资源支持等。

3.可行性。指在现在的约束条件下从系统的构思、系统文本、系统物化到运行维护的可操作程度。

4.安全性。系统构建及运行过程中所涉及设备与有关人员的安全程度，如利用系统完成具体的工作任务时的安全风险的大小。

5.快速性。指系统从构建到物化，运行过程中完成某个工作任务所需的时间。

6.完备性与完整性。完备性是指利用系统平台能完成课程所需要的工作任务数与全部任务的比值。完整性是指利用系统平台与工厂进行实际工程实施比较，其进程环节的完整程度。

目前，很多院校开设了可编程序控制器控制技术课程。它是一门理论性、趣味性及实践性很强的课程，需要搭建PLC实训室，开设PLC实验课程，而开设PLC实验课需要解决的关键问题是PLC的控制对象。PLC的控制对象可以是实物模型，但它存在成本高、难维护、种类少等不足之处；也可以是用指示灯模拟显示PLC控制对象的实验箱，它与实物模型相比成本较低，不过也存在难维护、种类少、结果观察不直观等缺点；应用组态软件在计算机屏幕上全真模拟PLC的控制对象可以弥补上述不足，它还能以动画形式演示PLC控制对象的工作过程，具有成本低、免维护、灵活多样、形象直观等优点。

从教学意义上说，如果能用计算机全真模拟被控对象，不但可以克服实物模型的缺点，而且可利用有限的设备及多样化的程序丰富学生的实验课内容，增强PLC实验课的教学效果。北京亚控公司推出的“组态王”软件，具有可靠性高、通信快速、功能强大、界面友好和开发简洁等优点，可用来开发实验室仿真PLC控制对象，满足为学生开设实验课的需要。

    PLC仿真技术伴随计算机应用技术的发展而来.是对工业生产系统进行分析、诊断和优化的有力工具之一。有效的设计控制仿真系统，应用于各类实践。可以起到投资少、效果好、效率高的作用。在工业控制系统领域。由于工业生产向着高速、大型化及自动化方向发展。大量重大生产设备或过程控制设备的应用，成本日益增高，对运行操作人员素质要求愈来愈高，仿真系统可以基本真实贴近现场控制实际。

　对控制对象的仿真设计包括两大部分，即仿真对象的设计以及控制仿真对象动画的脚本程序的设计。仿真界面(虚拟被控对象)可以通过“组态王”软件中的子图连接、窗口连接或利用图片处理的方法按照制定样式的功能设计出来，并根据系统要求在软件基础上对系统进行二次开发，采用动画、声音连接技术，使设计的人机界面友好、生动。

基于组态软件的仿真系统实现的原理，在于PLC内部各种继电器的状态与组态软件数据库中数据的链接以及该数据与计算机界面上图形对象的链接。因PLC控制系统实际输出控制时，是通过输出继电器Y和输出模块去驱动外部执行机构的.外界的控制信号和反馈信号通过输入继电器X进入PLC内部。而在仿真运行状态时PLC的输出模块与外界是断开的，输出(继电器Y的)信号通过通信线只与组态软件数据库中的数据进行交换，而这些数据又与屏幕(界面)上显示的图形对象有关联。

利用“组态王”软件设计的应用软件，可以仿真多种PLC控制对象。仿真的被控对象不仅可以接受多种由PLC发出的控制信号，如逻辑开关信号、继电器控制信号、脉冲信号和各种数值信号等，还能按照程序的算法以动画、数值、文字、标尺等形式在计算机屏幕上反映出PLC的控制过程与结果，可以直接从屏幕上观察PLC的控制结果正确与否；“组态王”亦可向PLC发出各种命令信号，如逻辑开关控制信号、继电器开关信号、中断信号及位置信号等。“组态王”还能以按钮、滑动标尺、数值输入及单选框、复选框等形式向PLC发出各种命令和输出各种参数，以配合PLC的控制，反映PLC与被控对象（软件仿真的被控对象）及控制结果之间的关系。

要使画面中各图素能够生动、逼真的运动或显示，在“组态王”中需定义一些内存变量与外部I/O变量进行配合，并通过在其应用程序命令语言中书写程序控制自己的应用程序，驱动画面，用这种仿真方法开发PLC仿真控制对象，其优点是周期短、费用低、可靠性高，能节省电力资源，维护要求较低，不会危及人身和设备安全；同时，其模拟效果逼真，人机界面生动友好，能达到很好的实验效果。

在实验教学中，学生既可将计算机看作“被控对象”，用PLC对其进行控制；又可在计算机屏幕上以仿真动画形式直观看到程序的执行结果，从而极大地提高学生的兴趣，强化他们的动手能力；此外，可以增强学生的参与意识，使之对可编程控制器的理解更加深入，从而达到实验目的，最终提高教学质量。

利用仿真模拟技术开设PLC实验课，开发的仿真PLC被控对象满足如下要求：

1.组态仿真画面一般由2部分构成：一是仿真的PLC控制对象；二是仿真操作面板。有时根据系统控制对象不同，还会有一些报表。

2.“用户”可以用鼠标点击屏幕上的按钮，发出PLC所需要的输入信号（行程开关模拟信号、按钮模拟信号）。PLC接到该信号后，经过控制程序（实验课学生编写的PLC控制程序）发出控制指令。上位机接到控制指令后，控制画面上仿真控制对象的图形、动画、指示灯及机械、显示等动作，同时在报表中绘出一些曲线，填入一些数值。

3.接到电源信号后，模拟电源指示灯亮，显示红色，以示“组态王”与PLC通信正常。

4.仿真界面直接显示PLC仿真控制对象的物理位置和运行方向，可直观反映PLC程序的运行结果。

5.仿真PLC控制对象是以画面形式反映PLC程序执行结果的，故画面应尽可能逼真于模仿实物。

二、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题

自动分拣线在工业生产中应用极为广泛，目前已作为经典应用案例来训练学生PLC技术的综合应用能力。然而，由于资金与场地等因数的制约，即使是实验型的自动分拣线，广大学校都不可能大量购置，在一定程度上影响了实践教学效果。利用组态技术设计的PLC自动分拣线仿真系统，不但完全具备实物教学设备的实训功能，而且还具有价格便宜、占地少等优点，与实物教学设备配套使用，可实现资源投入与教学产出的最优化。

本毕业设计是在分析实验型自动分拣线结构与功能的基础上，利用组态王软件对实物对象进行计算机模拟仿真，实现执行机构的计算机图形化显示以及虚拟传感器的设计，构建与实物模型同样功能的PLC仿真系统。

在电池生产过程中，电池经冲液、封口和化成处理后，需要将电池根据充电量大小分成不同的质量等级，电池充电质量分拣系统就是将经化成处理的电池按充电质量进行分类分拣。长期以来，我国电池生产一直采用手工分拣，部分生产线虽然引进国外技术和设备，但由于投资巨大，不能适应电池大规模生产的需求，为此，我们采用一种高速、轻型机械手开发了电池质量自动分拣系统。【1】

本文以电池质量自动分拣技术为例，通过组态软件简要仿真自动分拣系统，主要分为组态仿真机械与控制部分，和软件编程部分。

三、研究的基本思路和方法、技术路线、实验方案及可行性分析

电池按质量大致分A、B、C三大路线：当电池条件触发SB1时，K1端机械手会推出，将电池推进A通道；当电池条件触发SB2时，K2端机械手推出，将电池推进B通道；两者条件均不满足的电池，将会自动进入C通道。大致组图如下：

利用计算机及其相应的接口板卡、PLC研制自动分拣智能控制系统，可以充分利用计算机标准化程度高、兼容性强、软件资源丰富、实时操作功能及PLC的高可靠性，设计出用户界面友好、控制功能完善、实时性强、移植性好、可靠性高的应用系统。【4】这种将计算机控制技术、虚拟仪器技术、PLC控制技术应用于一体的自动分拣智能控制系统，可以减轻工人的劳动强度、提高分拣的质量和控制的柔度，随着对控制系统要求的不断提高，这种智能化的分拣系统，在电池质量分拣的实际应用中，必将具有非常广阔的应用前景。

四、研究计划及进度安排

1、通过查找文献资料与调研，了解实验型的自动分拣线的应用现状，以及其结构、工作原理。 2月15日。

2、使用组态王软件进行仿真自动分拣线设计，实现执行机构动作的动态图形表征，以及虚拟传感器的设计。3月10日。

3、根据自动分拣线的工艺流程，基于西门子PLC STEP 7 MicroWIN软件编写PLC控制程序。3月25日。

4、构建自动分拣线PLC仿真系统，运行组态王程序并与PLC进行联机调试，检验设计的正确性并进行完善。4月10日。

5、撰写毕业设计说明书4月20日。

6、准备PPT并完成论文答辩工作。5月1日。

7、本论文全部完成后，完成论文的整理、装订工作，圆满完成毕业论文的全过程。5月15日。

五、参考文献 

【1】电池质量自动分拣机控制系统设计，M，李占贤

【2】PLC应用实训系统构建探索，M，张国平、王玉梅

【3】多功能一体化PLC实验实训系统设计,M，张如萍、吕兴荣

【4】基于计算机控制的自动分拣智能系统设计,M，朱铮涛

指导教师意见：

指导教师签名：            年   月   日

工作小组审查意见：

工作小组组长签名：       年   月   日