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摘要
在当代社会的快速发展背景下，网络购物逐渐成为大众日常消费的主要方式之一，由此推动了物流行业的迅猛发展。每天都有海量的快递包裹在全国范围内流通，快递分拣效率与准确性成为行业关注的重点环节。物料自动分拣系统通常涵盖始发地、中转站、目的地以及终端快件柜等多个阶段的分拣操作。本设计聚焦于快件柜场景下的物料投放与分拣流程，实现从A柜至F柜的自动化投递及消毒功能。
系统以S7-1200型PLC为核心控制单元，结合光电传感器、限位开关等检测元件实时采集运行状态信号，进而控制传送带、推杆等执行机构，完成对物料的精准识别与分类投放，提升分拣效率与安全性。
[此处为图片1]关键词：
物料自动分拣；PLC控制系统；系统仿真
Abstract
In the context of rapid modern societal development, online shopping has become a dominant mode of consumption, significantly driving the growth of the logistics industry. A vast number of express packages are transported across the country daily, making express sorting a critical operational focus. Automated material sorting typically involves sorting at the origin, transfer stations, destination points, and final delivery cabinets. This project primarily focuses on the automated placement and sorting of parcels within express cabinets, specifically designing an integrated system for automatic dispensing and disinfection from Cabinet A to Cabinet F.
The control system adopts the S7-1200 PLC as the core processing unit. Real-time feedback from detection devices such as photoelectric sensors and limit switches is used to regulate actuators including conveyor belts and push rods, enabling accurate identification, classification, and delivery of parcels.
[此处为图片1]Keywords:
Automatic material sorting; PLC control system; System simulation
1 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
随着电子商务的普及和消费者需求的增长，快递业务量持续攀升，传统人工分拣已难以满足高效、准确、安全的作业要求。因此，构建一套稳定可靠的物料自动分拣系统具有重要的现实意义。本课题旨在通过PLC技术实现快件柜内物料的智能投放与管理，优化末端配送环节的自动化水平。
该系统的应用不仅能有效降低人力成本，提高分拣速度与精确率，还能集成消毒功能，增强公共卫生安全保障，尤其适用于社区、校园、办公楼等高频使用场景。同时，也为智慧物流系统的进一步拓展提供了可行的技术路径。
1.2 国内外研究现状
在国外，自动化分拣技术起步较早，德国、日本及美国等地已广泛采用基于PLC与工业机器人的高速分拣系统，配合RFID、视觉识别等先进技术，实现了高度智能化的物流处理流程。例如，DHL、UPS等企业部署的自动分拣中心可实现每小时数万件包裹的处理能力。
相比之下，国内近年来虽在自动化物流领域取得显著进展，如顺丰、京东建成智能分拣基地，但在中小型应用场景（如快递柜）中的深度集成仍存在提升空间。多数现有快递柜仅具备存取功能，缺乏对内部多格口物料的动态调度与全流程控制能力。
目前的研究多集中于大型分拣中心，针对小规模、模块化、多功能融合的柜体式分拣系统研究相对较少。因此，开发一种集自动投放、定位识别、状态反馈与环境消杀于一体的紧凑型分拣装置，符合当前市场需求和技术发展趋势。
1.3 系统的设计内容
本设计围绕快递柜内部物料的自动分拣过程展开，主要完成以下几方面工作：
- 分析系统功能需求，明确控制目标与运行逻辑；
- 选用S7-1200系列PLC作为主控制器，完成硬件选型与I/O端口分配；
- 设计传动机构与执行部件，包括电机驱动电路、接触器与继电器配置；
- 搭建基于传感器反馈的闭环控制系统，实现位置检测与动作联动；
- 编写梯形图程序并进行仿真验证，确保控制逻辑正确性；
- 开发配套触摸屏人机界面，支持状态监控与手动干预操作；
- 集成自动消毒模块，在物料投放后启动紫外或喷雾消毒机制。
最终目标是构建一个运行稳定、响应迅速、操作便捷的智能分拣系统原型，为后续产品化提供理论依据与实践参考。
2 物料自动分拣控制的总体设计
2.1 系统的设计要求
系统需满足以下基本性能指标与功能要求：
- 能够识别待分拣物料的目标柜号（A-F），并准确引导其进入指定仓位；
- 具备手动/自动两种运行模式，支持现场调试与紧急干预；
- 采用传感器实时监测传输带上物料的位置与运动状态；
- 当物料到达目标柜位时，推杆机构及时动作完成推出操作；
- 每次分拣完成后触发消毒装置，持续一定时间后自动关闭；
- 系统应具备故障报警功能，如卡料、越位、超时未动等异常情况提示；
- 整体结构紧凑，便于安装维护，电气连接安全可靠。
2.2 系统的控制方式
系统采用集中式控制架构，由PLC统一协调各子模块运行：
- 自动模式：启动后系统按预设流程自主运行。传感器检测到物料进入传送带，PLC根据设定目标柜位计算行程，控制电机运转至对应位置，触发推杆将物料送入柜中，并启动消毒程序。
- 手动模式：用于设备调试或维修。可通过按钮单独控制电机正反转、推杆伸缩、消毒启停等动作，方便排查故障与校准位置。
控制信号来源于操作面板、传感器输入及触摸屏指令，所有输出经由继电器与接触器驱动执行元件。整个过程形成闭环反馈，保障动作的同步性与可靠性。
[此处为图片2]3 物料自动分拣控制的硬件设计
3.1 PLC的选型
综合考虑控制点数、通信能力、扩展性与成本因素，选用西门子S7-1200系列PLC（CPU 1214C DC/DC/DC）作为核心控制器。该型号具备14个数字量输入、10个数字量输出，支持Modbus TCP通信，可接入HMI设备，满足本系统I/O需求且留有一定余量。
3.2 电动机的选型
传输带驱动采用额定电压24V直流减速电机，功率为60W，转速为60rpm，具有启动力矩大、运行平稳、噪音低等特点，适合频繁启停工况。电机通过PLC输出信号经继电器控制启停，配合调速模块实现速度调节。
3.3 光电传感器的选型
选用E3Z-LS61型漫反射式光电传感器，工作电压DC 12-24V，检测距离可达1米，响应速度快，抗干扰能力强。用于检测物料是否进入传送带、是否到达目标位置及是否完成投放，提供关键位置反馈信号。
3.4 限位开关的选型
在传送带两端及每个柜位附近安装LXW-11型微动限位开关，用于确认推杆完全伸出或收回，防止机械过载。同时作为原点复位信号源，确保每次运行前系统处于初始状态。
3.5 接触器的选型
针对电机主回路，选用CDC10-10型直流接触器，额定电流10A，控制线圈电压为24VDC，与PLC输出兼容，能可靠接通/断开电机电源，延长设备寿命。
3.6 热继电器的选型
为防止电机长时间过载损坏，配备JRS1D-25型热继电器，整定电流范围2.5~4A，具备过载报警触点，可将故障信号上传至PLC，实现自动停机保护。
3.7 系统的I/O分配设计
| 类型 | 名称 | I/O地址 |
|---|---|---|
| 输入 | 启动按钮 | I0.0 |
| 输入 | 停止按钮 | I0.1 |
| 输入 | 光电传感器1（入口） | I0.2 |
| 输入 | 光电传感器2（柜A） | I0.3 |
| 输入 | 光电传感器3（柜B） | I0.4 |
| 输入 | 限位开关（推杆回位） | I0.5 |
| 输出 | 传送带电机正转 | Q0.0 |
| 输出 | 推杆电磁阀 | Q0.1 |
| 输出 | 消毒装置启动 | Q0.2 |
| 输出 | 运行指示灯 | Q0.3 |
注：其余柜位传感器依次类推，共占用I0.6~I1.3，输出端预留扩展接口。
3.8 系统的电动机电路设计
电机主电路由断路器、接触器主触点、热继电器串联构成，控制电路采用PLC输出驱动接触器线圈，实现远程启停。设置急停按钮串联在控制回路中，确保突发情况下快速切断电源。
3.9 系统的PLC电路设计
PLC供电采用独立开关电源转换为24VDC，输入侧接入各类按钮、传感器，输出端通过中间继电器隔离驱动大功率负载（如电机、消毒模块）。所有接线均加装端子排，布线规范，便于检修。
[此处为图片3]4 物料自动分拣控制的软件设计
4.1 功能流程图设计
系统上电后首先进入初始化状态，检测各部件是否就绪。按下启动按钮后，进入自动运行流程：
- 等待物料进入传送带（光电传感器触发）；
- 判断目标柜号，启动传送带向目标位置移动；
- 到达目标柜位后停止传送，延时稳定；
- 驱动推杆将物料推出至柜内；
- 检测推杆到位信号或延时完成，收回推杆；
- 启动消毒装置，持续30秒后关闭；
- 返回待机状态，准备下一次分拣。
4.2 系统的梯形图设计
梯形图程序主要包括以下几个部分：
- 启动/停止控制逻辑；
- 电机正转与传送带运行控制；
- 位置比较与停止判断；
- 推杆动作时序控制；
- 消毒装置定时启动；
- 故障报警处理模块。
利用PLC内置定时器T37实现推杆推出后的延时回收，使用T38控制消毒时间。通过SM0.5脉冲触发运行指示灯闪烁，表明系统正常工作。
4.4 程序的仿真运行
使用TIA Portal V15软件进行程序下载与在线仿真。通过强制输入点模拟传感器信号变化，观察输出响应是否符合预期逻辑。测试结果显示，系统能准确识别物料位置，按时执行推杆动作与消毒流程，无误动作发生，逻辑完整可靠。
[此处为图片4]5 物料自动分拣控制的触摸屏设计
5.1 触摸屏的驱动连接
选用西门子KTP700 Basic PN触摸屏，通过以太网与S7-1200 PLC建立TCP/IP连接，使用Profinet协议进行数据交换。在TIA Portal中完成设备组态与变量映射，确保HMI与PLC之间通信畅通。
5.2 数据库的建立
在触摸屏项目中创建内部变量表，定义与PLC对应的输入/输出变量、中间标志位及定时器状态，用于画面刷新与操作记录存储。所有关键事件（如启动、报警、消毒完成）均生成日志条目。
5.3 系统画面的设计
主界面包含系统运行状态显示区、手动操作按钮区、报警信息窗口及模拟动画区域。设有“自动运行”、“手动调试”、“参数设置”三个功能页面，用户可通过标签切换查看不同内容。
5.4 系统动画的设计
利用图形对象绑定PLC变量，实现动态效果：
- 传送带动画随Q0.0状态启停旋转；
- 推杆图像在Q0.1置位时向前移动，模拟推出动作；
- 消毒图标闪烁表示装置正在工作；
- 柜门颜色变化反映当前操作柜位。
5.5 系统的仿真运行设计
在TIA Portal中启用HMI仿真功能，与PLC程序同步运行。通过虚拟触摸屏点击按钮发送指令，观察PLC响应及动画反馈。结果表明，人机交互流畅，状态更新及时，满足实际操作需求。
[此处为图片5]结论与展望
本文完成了一套基于S7-1200 PLC的物料自动分拣控制系统的设计与实现。系统具备自动投放、精准定位、动作联动与消毒处理等功能，通过硬件选型、电路设计、程序编写与HMI开发，全面验证了方案的可行性。
实验结果表明，该系统运行稳定，分拣准确率高，人机交互友好，达到了预期设计目标。未来可在以下方向继续深化研究：
- 引入条码或二维码识别技术，实现包裹信息自动读取；
- 增加无线通信模块，支持远程监控与云端数据上传；
- 优化路径算法，提升多任务并发处理能力；
- 探索AI视觉辅助定位，进一步提高智能化水平。
本系统为智能快递柜的自动化升级提供了有益参考，具有良好的应用前景与发展潜力。
致谢
感谢指导教师在课题研究过程中给予的专业指导与耐心帮助，感谢实验室提供的设备支持与学习环境。同时感谢同学间的交流与协作，使本设计得以顺利完成。
参考文献
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随着社会的不断发展，物流行业正经历快速变革。网络购物已深度融入人们的日常生活，商品通过快递服务突破地理限制，迅速送达消费者手中。为方便社区居民高效领取包裹，几乎每个住宅小区都配备了智能快递柜。这类设备不仅显著提升了城市物流系统的运行效率，也极大简化了用户取件的操作流程。
传统快递柜依赖人工完成包裹放置与消毒工作，耗费大量人力和物资资源。为了实现更高效的自动化管理，本系统采用PLC作为核心控制单元，依据物料自动分拣与消毒的实际需求，构建智能化控制系统，满足快递处理全过程的自动化要求。该设计方案聚焦于小区内A至F共六个快递柜的集中控制，利用传送带实现包裹传输，通过推杆机构完成精准投递，并结合紫外线灯进行安全可靠的消毒处理，保障投递环节的卫生与效率，为用户提供更加便捷、安心的服务体验。
1.2 国内外研究现状
在全球范围内，发达国家如美国、日本及欧洲国家的物流配送中心普遍采用高度自动化的分拣技术。相比之下，我国物流行业发展起步较晚，目前在分拣作业中仍存在较高程度的人工参与。然而，这些先进国家的分拣系统正持续向自动化演进，自动分拣已成为大型物流中心、配送枢纽和流通节点的标准配置。
现代分拣系统起源于二战后对邮政信件自动分拣的探索，主要由控制装置、分类机构、输送设备以及分拣出口四大部分组成，依托计算机网络协同运作，并辅以必要的人工干预，形成完整的分拣流程体系。
当前，输送分拣系统的供应商主要分为两类：一类是专注于分拣技术研发与解决方案提供的专业企业，另一类则是综合性物流系统集成商。尽管国内企业在分拣设备制造方面近年来取得了长足进步，但在核心技术层面仍较多依赖引进和吸收国外先进技术。
特别是在电商与快递行业迅猛发展的背景下，市场对成本控制和性价比要求极高，国内企业在价格竞争力、项目实施速度以及售后服务响应能力方面展现出明显优势，因此在国内市场占据主导地位。
近年来，交叉带分拣系统与AGV（自动导引车）分拣系统成为自动化物流领域的主流选择。交叉带分拣系统依靠沿环形轨道高速运行的小车，配合条码识别技术完成分拣任务，特别适用于电商和快递场景。该系统通常包含控制模块、分类机构、输送组件和分拣出口四大组成部分，采用机械式结构设计，具备运行稳定、效率高、错误率低等优点。但其缺点在于占地面积大、对地面平整度要求严格，且初期投资和后期维护成本较高。
AGV分拣系统则通过操作员将待分拣物品放置于AGV小车上，小车读取条码信息后由调度系统规划最优路径，抵达目标格口后完成卸货动作，从而实现分拣功能。这种模式革新了传统的分拣方式，能够在有限空间内高效完成多目的地分拣任务，大幅提升快递企业在面对不同发货方向时的工作效率。AGV系统采用并行运行机制，所有设备可通过统一调度平台协调工作，即使个别设备出现故障，整体系统仍可维持正常运转，确保作业连续性。
1.3 系统设计内容
本系统的功能重点在于实现快递储物柜的自动化分拣与消毒处理，涵盖包裹传输与紫外消毒两个核心环节。针对A至F六个快递柜的自动化控制需求，当上层传送带检测到有包裹进入时，推杆装置会将其转移至下层传送带。随后系统依次检测各快递柜状态，一旦发现空柜即启动投放程序。在包裹投入柜体的同时，紫外线灯自动开启，执行同步消毒流程。
系统所涉及的主要控制设备包括：上层与下层传送带、电磁阀、指示灯、各类传感器以及PLC控制模块。具体设计内容如下：
- 设计物料自动分拣方案，实现从运输、识别、分拣到投放的全流程自动化，同时集成消毒功能；对每个快递柜的空满状态、投放动作及消毒过程进行实时监测与控制。
- 完成系统硬件选型与软件开发工作，确定PLC型号、电机规格、传感器类型及电磁阀参数，进行I/O端口分配设计，绘制PLC接线图，并使用博途V16软件编写并仿真梯形图逻辑，确保控制系统符合预期功能要求。
2 物料自动分拣控制的总体设计
2.1 系统设计要求
本系统旨在实现快递物料的自动化分拣、传输与消毒功能，整体架构包含上层传送带、下层传送带、主推送杆、对应A至F柜位的专用推杆装置，以及用于消毒的紫外线灯具。根据自动分拣的实际需求，系统需完成对上述设备的协调控制。
控制流程如下：系统启动后，上下两层传送带开始运行。当光电传感器检测到上层传送带上出现包裹时，主推送杆动作，将包裹转移至下层传送带。随后系统逐一对A至F柜位进行状态检测，若发现空柜，则驱动对应柜位的推杆将包裹准确送入柜内。包裹进入柜体后，立即触发紫外线灯启动消毒程序。设定消毒时间结束后，灯光自动关闭，完成整个流程。
[此处为图片1]系统针对A至F快递柜的自动分拣与消毒功能进行整体设计。其中，上层传送带负责接收并初步输送包裹，下层传送带承担将包裹运送至指定柜位的任务，并配合推杆完成自动投放与同步消毒操作。具体设计要求如下：
- 系统运行后，上下两层传送带同步启动。当有包裹需要处理时，主推送杆将其送至下层传送带，随后执行投递与消毒流程。若无包裹待处理，系统将在连续60秒未检测到物料的情况下，自动停止两层传送带的运行，直至再次检测到新包裹进入时重新启动。
（2）在快递物料进入运输与消毒流程前，系统会优先检测A至F柜是否具备可用空位。一旦发现有快寄柜处于空闲状态，物料将通过下层传送带运送至对应柜体位置，并由推杆机构将其推入柜内，同时自动启动紫外线灯进行消毒处理。若所有柜体均被占用，则下层传送带将暂停运行，直至任一柜体腾出空位后恢复作业。
[此处为图片1]（4）物料的自动分拣控制依赖于快寄传感器对是否存在待分拣物品的实时监测，同时结合A-F柜位置上的传感器判断物料是否已到达指定区域。系统通过对各柜体状态的持续检测，确认是否有快寄存入。当执行推杆推出动作时，系统会通过限位开关进行到位检测，一旦限位信号触发，则表明推杆已完成推送任务。
（5）每个快寄柜的存储状态由光电开关自动识别，并通过对应的指示灯进行可视化显示。紫外线消毒功能在开启后开始工作，持续运行30秒，时间到达后系统自动关闭紫外灯，完成消杀流程。
（3）上下两层传送带由电机驱动，电机启停由接触器控制，实现精确运行管理。系统配备热过载保护机制，当电机出现过热情况时，热继电器会向PLC发送异常信号，PLC随即输出报警并立即停止整个系统的运行，确保设备安全。
2.2 系统的控制方式
根据物料自动分拣控制系统的设计需求，合理选择控制方案至关重要。本系统以PLC为核心控制器，实现上层与下层传送带、A-F柜推杆动作及消毒功能的自动化控制，同时实时显示各柜是否有快寄存放。
系统输入部分主要包括：系统启停按钮信号、各类传感器检测信息（如快寄存在检测、位置定位检测）、A-F柜推杆的限位反馈等；输出部分则涵盖：上下层传送带的启停控制、各柜推杆的动作指令、消毒装置的启闭以及快寄状态指示灯的控制。
依据该控制架构，结合具体功能要求，系统可完成逻辑运算与数据处理，并将结果传递至执行单元，从而实现对物料分拣全过程的精准控制。整体设计方案如图2-2所示。
[此处为图片2]3 物料自动分拣控制的硬件设计
3.1 PLC的选型
PLC因其高稳定性、强抗干扰能力及模块化结构，在工业现场自动控制领域广泛应用。其支持DI/DO、AI/AO、通信模块及多种特殊功能模块的扩展，能够有效应对复杂的控制场景。此外，PLC具备良好的谐波抑制能力，编程灵活，通讯方式多样，深受工控技术人员青睐。
本设计选用西门子S7-1200系列PLC作为核心控制单元。该型号提供丰富的扩展模块类型，包括数字量与模拟量输入输出模块、高速计数模块、脉冲输出模块、通信模块及其他专用功能模块，便于构建高效可靠的控制系统。系统采用模块化搭建方式，不仅提升了开发效率，也降低了整体成本。
S7-1200使用TIA Portal（博途）V16软件进行编程开发，操作便捷，功能强大。根据系统I/O点数统计，最终选定CPU型号为S7-1200 CPU1215C。PLC选型示意图见图3-1。
[此处为图片3]3.2 电动机的选型
三相异步电动机按极数可分为二极、四极、六极和八极等类型。其中四极电机应用最为广泛，适用于大多数常规负载驱动；对于重载工况，通常选用六极或八极电机以获得更大转矩。而在风机类设备中，普遍采用二极电机以满足高转速需求。
电动机在工业环境中具有结构简单、运行稳定、维护方便等优点，是传动系统中的关键动力部件。本系统中传送带的驱动即采用适合负载特性的三相异步电机，保障运输过程平稳可靠。
结论与展望
本系统实现了快递物料的自动化分拣与消毒功能，主要包含传送带运输模块以及A至F快递柜的推送与紫外消杀控制。系统基于博途V16软件完成程序开发，并通过仿真测试验证了其可行性与准确性。PLC接线布局严格参照技术手册进行规划，通过I/O映射确保各输入输出端口功能准确无误。在控制逻辑设计方面，依据系统策略绘制了功能流程图，并采用梯形图语言实现具体控制逻辑。
整个系统具备良好的稳定性与可靠性，完全满足设计目标，成功实现了预期的自动化控制功能。
未来可进一步融合物联网技术，利用PLC与监控系统的数据采集能力，将快递柜运行状态接入网络平台。用户可通过远程终端实时查看系统运行情况，提升系统的智能化水平、安全性与运维效率。
致谢
在论文的撰写过程中，我得到了许多人的支持与帮助，在此向他们致以诚挚的谢意。首先要特别感谢我的指导老师，他在整个写作过程中给予了我极大的指导和鼓励。从选题的确立、资料的收集到提纲的拟定，每一步都离不开他的悉心指点。他深厚的专业素养和严谨的治学态度让我受益匪浅。对于论文中的各个细节，指导老师也始终认真审阅，并提出了诸多建设性的修改意见，使文章内容更加严谨和完善。
同时，我也要感谢身边的同学和朋友们。每当我在研究中遇到困难或思路受阻时，他们总是积极给予建议和帮助，为我提供了宝贵的参考意见。这种互助的学习氛围极大地推动了论文的顺利完成。[此处为图片1]
此外，家人的理解与支持也是我坚持完成学业的重要动力。无论日常事务多么繁忙，他们在背后始终默默付出，给予我精神上的鼓励和生活上的关怀，使我能够全身心投入到学习和写作之中。
尽管学校阶段的学习已经告一段落，但人生的新征程才刚刚开启。我将以此为起点，继续努力奋斗，追求自己的理想，争取在未来为社会贡献一份力量。我相信，只要持之以恒，梦想终会实现。在此，再次向所有曾经帮助过我的老师、同学和家人表达最深的感激之情。未来的日子里，我会倍加珍惜这段成长经历，不断进取，用实际行动回馈大家的支持与期望。
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