基于物联网和PLC的物料分拣码垛监控系统设计

王祥傲，郭建勇，苏 鹏，荣耀辉，李强龙

基于物联网和PLC的物料分拣码垛监控系统设计

王祥傲，郭建勇，苏 鹏，荣耀辉，李强龙

（滁州学院 机械与电气工程学院，安徽 滁州 239000）

物料分拣码垛是工业生产、物流运输等行业常见的工艺环节。传统的分拣码垛依赖人工，劳动强度高、信息化程度低，无法适应高速流水作业。设计了物料分拣码垛监控系统，采用S7-1200 PLC作为控制器，配合高度检测传感器实时检测物料高度，并通过控制分拣传送机构和三轴堆垛机将不同高度的物料码放整齐，方便运输、仓储；利用组态王编辑的上位机监控软件实现远程监控和物料信息的报表存储、历史查询；采用智能网关IOT2040和腾讯云建立移动终端设备与PLC的通信，实现基于物联网的远程监控，使操作人员摆脱地域空间的限制，进一步拓展了系统的应用范围。

分拣；码垛；PLC；监控；物联网

物料的分拣、码垛是制造业、物流运输等行业中常见的工艺环节[1-2]。在人力资源成本低廉时期，分拣、码垛多以人工方式完成，劳动强度高，自动化、信息化程度低，需要针对性的技术改造，以顺应信息化发展趋势[3-6]。以此为背景，设计了基于物联网技术的物料分拣、码垛监控系统，采用流水线作业形式，由PLC作为控制器，结合高度检测传感器实现对物料包装盒的高度检测与分拣，并控制三轴码垛机构将不同高度的物料包装盒分别码放在木制托盘上，方便后续的仓储、搬运等操作；PLC经以太网交换机与上位机、智能网关通信，能够通过上位机和智能移动终端远程监控设备运行状态，并实现物料信息的报表存储，从而提高分拣、码垛工序的自动化和信息化水平。

1 物料分拣码垛监控系统结构

物料分拣、码垛装置由物料传送带、托盘传送带、滚轮分拣机、三轴码垛机和电控箱等组成，如图1所示。物料包装盒从图示传送带首端进入，包含随机分配的大中小三种尺寸；根据高度传感器的检测结果，滚轮分拣机分别向三个方向传送不同高度的物料包装盒，然后由三轴码垛机将物料盒抓取并按规则码放在木制物料托盘上，向下一道工序传送。

图1 物料分拣、码垛装置结构

为实现上述物料分拣、码放的控制逻辑，并可以远程监控现场设备状态、统计物料分拣信息，设计了由控制器、上位机、以太网交换机、智能网关和工业云组成的监控系统，见图2。控制器为S7-1200 PLC，接收按钮、高度检测传感器、位置检测传感器的输入信号，控制传送电机、分拣机、码垛机等执行机构完成分拣和码垛。上位机作为车间级监控，可以远程监控现场运行，并将物料信息以报表形式存储，方便信息统计和溯源；智能网关将现场信息上传至工业云平台，使用户可以通过智能移动终端等设备实现与PLC的交互通信，进一步扩展了本系统的使用范围。

图2 分拣、码垛监控系统结构

2 分拣码垛监控系统硬件设计

现场设备共计有24个开关量输入、24个开关量输出和1路高度检测模拟量输入，IO分配如表1所示。

表1 控制器I/O分配表

根据控制要求选用S7-1200系列中的CPU 1214C DC/DC/DC作为控制器。该型号CPU本体集成有14个DI、10个DO和2路AI，需要扩展DI/DO模块以满足控制需求。数字量扩展模块为SM 1223，共有16个DI、16个DO。CPU及扩展模块的硬件接线分别如图3、图4所示。

图3 CPU端子接线

图4 数字量扩展模块端子接线

3 监控系统软件设计

3.1 PLC控制程序设计

PLC上电运行时先进行初始化，清空内部寄存器，之后由用户通过电控箱的转换开关选择运行模式。程序提供手动和自动两种运行模式，手动模式用于设备调试、故障排查；自动模式为系统的常态运行模式。在自动运行模式下，可以通过现场按钮或远程监控设备发出启动指令，入料传送带开始运行，将随机分配的三种尺寸物料包装盒向高度检测点传送。高度检测传感器测量包装盒的高度后发送给PLC，由PLC按检测结果控制传送带末端的滚轮分拣机分别向对应位置转向并传动，实现按物料高度分拣。分拣完毕后，分拣传送带和托盘进料传送带启动，将包装盒和木制托盘分别传送至指定位置，然后触发三轴码垛机抓取物料盒，并将其按预定规则码放在托盘上。码放结束后，托盘由传送带输送往下一工作站点。手动模式将进料检测、分拣、码垛分为三步，每步需手动发出启动指令方能执行。控制程序流程如图5所示。

图5 PLC控制程序流程

3.2 上位机监控软件设计

上位机运行组态王编辑的监控软件具备用户登录、权限管理、设备状态监控、报表统计、历史查询等功能。组态王采用以太网通信方式与PLC建立通信连接，实现数据交互。

通信连接完成后，在组态王中建立数据词典，用于读写PLC的内存变量，然后设计监控画面，包括主监控画面、实时报表画面和历史查询画面。主监控画面运行时显示设备运行状态，通过按钮可以控制设备运行。图6所示为主监控画面，设置有运行模式转换开关、设备运行控制按钮以及物料数量统计显示，并可以通过按钮切换至其他画面。监控软件提供用户权限管理功能，用户需登录并输入正确的用户名、密码，才能获得相应的操作权限。

图6 主监控画面

3.3 工业云远程监控功能设计

使用可视化编程软件Node-red构建物联网应用程序，建立PLC与腾讯云的双向数据通信，使用户可以通过腾讯云进行远程监控。Node-red作为腾讯云与PLC之间的桥梁，使用其输入节点、处理节点和输出节点构建“数据流”，建立与PLC的以太网通信，读取PLC的内存变量；采用JavaScript编程实现与腾讯云的数据交互。Node-red中建立的“数据流”如图7所示。PLC通过数据上报程序将数据发送到腾讯云，腾讯云接收数据后对远程终端中相应的变量状态进行修改，当与腾讯云连接的远程终端发送指令时，腾讯云通过“Tencent IOT Subscribe”指令将相应的控制指令发送给PLC，从而实现基于物联网的远程监控。

图7 Node-red中建立的“数据流”程序

4 系统测试

实验装置包括PLC、以太网交换机、上位机、智能网关IOT2040（内置Node-red程序）、运行分拣码垛装置3D仿真模型的计算机和一台智能手机，其中仿真模型由Factory I/O软件建立。以太网交换机连接PLC、上位机、智能网关IOT2040和运行仿真模型的计算机，智能手机通过腾讯云连入。实验平台如图8所示。

图8 物料分拣码垛监控系统实验平台

系统启动时，先由手/自动转换开关选择自动运行模式，然后通过上位机、智能手机或现场电控箱发出启动指令，设备投入运行，上位机和智能手机实时监控设备运行状态，上位机实时数据报表开始统计物料分拣数据。

上位机主监控画面可以显示运行模式、当前检测物料盒高度值、检测总量及设备运行状态；操作按钮可以远程控制设备启动、停止及故障急停；通过画面切换按钮可以切换至其他画面。主监控画面运行效果如图9所示。

图9 上位机主监控画面运行效果

实时数据报表记录运行关键数据，每检测一个物料包装盒产生一条记录，并实时更新各类物料包装盒总量，右侧的按钮提供了报表存储、打印及画面切换功能。实时数据报表运行如图10所示。

图10 实时数据报表

智能手机通过腾讯云物联网平台和IOT2040读写PLC的内存变量，从而实现对现场设备运行状态的监控，如图11所示为智能手机远程监控效果，数据与上位机保持同步。

图11 智能手机远程监控

5 总结

由于人力资源成本低廉、产业结构完备、物流基础设施完善等多方面优势，我国制造业、物流运输业取得了举世瞩目的发展成就，已成为全球经济一体化的重要组成部分。然而，随着人工老龄化时代的到来和市场竞争的加剧，以低人工成本为主要优势的高强度、低效率生产方式已无法适应激烈的竞争环境，需要相关行业开展技术创新、提高生产自动化程度和信息化水平，以积极进取的姿态主动完成产业升级。

物联网技术的兴起为传统产业升级转型提供了契机。针对制造业、物流行业中常见的物料分拣、码垛操作，设计了基于物联网的物料分拣码垛监控系统，以PLC作为控制器，通过高度检测传感器和三轴码垛机对流水线传送的混投物料按高度分拣并码垛，替代传统的人工劳作方式，提高工作效率、降低劳动强度；采用上位机对现场进行监控，将物料分拣信息存入报表，方便数据查询和溯源，提高了信息化管理水平；基于腾讯云物联网平台的智能手机远程监控方式摆脱了空间限制，进一步拓展了系统的应用范围。

[1] 喜崇彬.自动分拣系统市场现状与发展趋势[J].物流技术与应用,2019,24(1):80-84.

[2] 陈利民,赵卓,余振宁.基于物联网自动化物流设备的设计与应用[J].自动化技术与应用,2019,38(4):88-91.

[3] 彭林鹏.基于RGB-D的多尺寸箱体智能分拣与码垛规划[D].杭州:浙江大学,2021.

[4] 赵云涛,徐建佳,吴凯弟.连杯酸奶自动分拣装箱与码垛一体化系统设计与实现[J].制造业自动化,2021,43(8):18-21.

[5] 王明鹏.混装生产线自动码垛技术的研究[D].济南:山东科技大学,2017.

[6] 徐益国.基于工业流程的视觉分拣系统研究与设计[D].西安:长安大学,2019.

Design of Material Sorting and Stacking Monitoring System Based on IoT and PLC

WANG Xiangao, GUO Jianyong, SU Peng, RONG Yaohui, LI Qianglong

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Chuzhou University, Chuzhou, Anhui 239000, China)

Material sorting and palletizing is a common process in industrial production, logistics transportation and other industries. Traditional sorting and palletizing rely on labor with high labor intensity and low degree of informatization, which can not adapt to high-speed flow operation. The material sorting and stacking monitoring system is designed, which uses S7-1200 PLC as the controller and cooperates with the height detection sensor to detect the material height in real time. The materials with different heights are stacked neatly by controlling the sorting and conveying mechanism and three-axis stackers, which is convenient for transportation and storage; The host computer monitoring software edited by Kingview is used to realize remote monitoring, report storage and historical query of material information; The intelligent gateway IOT2040 and Tencent cloud are used to establish the communication between mobile terminal equipment and PLC, realize the remote monitoring based on the IoT, make the operators get rid of the limitation of regional space, and further expand the application scope of the system.

sorting; palletizing;PLC; monitor; IoT

10.3969/j.issn.1673-2065.2022.04.003

王祥傲（1983－），男，安徽滁州人，讲师；

郭建勇（2000－），男，安徽六安人，本科生。

滁州学院产学研项目（HX2021182）；滁州学院大学生创新训练计划资助项目（2021CXXL060）。

TP278

A

1673-2065(2022)04-0011-07

2021-12-07

（责任编校：李建明 英文校对：李玉玲）