基于視覺(jué)與PLC的面向物流末端的智能分揀系統(tǒng)*

吳淑梅，張志超，趙劍偉，袁宏杰

（石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050010）

0 引言

隨著電子商務(wù)的發(fā)展，人們的消費(fèi)習(xí)慣產(chǎn)生了巨大的變化，物流服務(wù)需求也隨之逐漸增加，每年的快遞數(shù)量增速超過(guò)100 億件，2020 年快遞業(yè)務(wù)量達(dá)到830 億件。市場(chǎng)需求與競(jìng)爭(zhēng)的逐步激烈促使物流行業(yè)迫切提高分揀效率，進(jìn)而推動(dòng)物流自動(dòng)化水平的不斷提升，隨之自動(dòng)分揀系統(tǒng)代替了人工分揀方式，在物流分揀作業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。自動(dòng)分揀系統(tǒng)目前已成為物流配送中心或流通中心必備設(shè)施之一。

自動(dòng)分揀系統(tǒng)具有能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率極低，分揀作業(yè)基本實(shí)現(xiàn)無(wú)人化等優(yōu)點(diǎn)，但是目前應(yīng)用的自動(dòng)化分揀系統(tǒng)因投資大、占地廣等因素限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，全流程自動(dòng)分揀并未實(shí)現(xiàn)，在快遞末端環(huán)節(jié)仍以人工分揀為主，影響時(shí)效性。本文主要從技術(shù)與應(yīng)用兩個(gè)維度出發(fā)，設(shè)計(jì)一款布局靈活、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、分揀效率高的智能分揀設(shè)備，解決物流末端產(chǎn)業(yè)發(fā)展落后，尤其是路段以及縣域分揀中心，其分揀能力與分揀壓力嚴(yán)重不符合，沒(méi)有適用設(shè)備的痛點(diǎn)，解決物流最后環(huán)節(jié)的分揀時(shí)效性問(wèn)題。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。工作過(guò)程：包裹在供包臺(tái)處上包，放置滾筒輸送線上前進(jìn)，經(jīng)過(guò)置頂高速攝像機(jī)視覺(jué)檢測(cè)區(qū)時(shí)，攝像機(jī)采集條形碼信息，并將信息傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)并傳給新一代寄遞信息系統(tǒng)匹配道段信息，將匹配信息存入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，如果匹配成功，將所得到的位置信息傳遞給控制器PLC，控制器根據(jù)反饋信息控制預(yù)先設(shè)定的道段格口雙軸變頻電機(jī)和檢測(cè)框，當(dāng)檢測(cè)框中的傳感器檢測(cè)到包裹進(jìn)入時(shí)，雙軸變頻電機(jī)根據(jù)控制器的信號(hào)進(jìn)行正向運(yùn)轉(zhuǎn)、反向運(yùn)轉(zhuǎn)或不運(yùn)轉(zhuǎn)，控制拂手撥叉進(jìn)行分揀。當(dāng)雙軸變頻電機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)張緊輪、下主動(dòng)輪、上主動(dòng)輪、下同步輪、上同步輪、下從動(dòng)輪、上從動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)拂手連桿向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)出電動(dòng)輥筒表面的同時(shí)開(kāi)始水平移動(dòng)，從而將包裹推向機(jī)架的一側(cè)；反之，雙軸變頻電機(jī)根據(jù)控制器的信號(hào)進(jìn)行反向運(yùn)轉(zhuǎn)，拂手連桿將包裹推向機(jī)架的另一側(cè)；當(dāng)雙軸變頻電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，即不需要拂手連桿動(dòng)作時(shí)，包裹在電動(dòng)輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下，落入機(jī)架的前方位置，這就實(shí)現(xiàn)了包裹向3 個(gè)不同方向的分揀。分揀完畢后，撥叉位于滾筒下方等待下一次控制信息。分揀機(jī)可以為多臺(tái)并聯(lián)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)拂手連桿對(duì)包裹的分揀，達(dá)到將包裹進(jìn)行多個(gè)方向分揀的目的。

圖1 拂手式分揀機(jī)工作原理

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能分揀系統(tǒng)主要由信息系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)兩個(gè)部分組成，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)主要包含視覺(jué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)信息、新一代寄遞平臺(tái)信息互通3 個(gè)部分。視覺(jué)系統(tǒng)具有圖像采集、圖像處理和圖像傳輸功能，選用?？礛D 系列高速攝像機(jī)并配置鏡頭、光源、光源控制器、視覺(jué)控制器進(jìn)行圖像采集。圖像處理部分應(yīng)用海康配套機(jī)器視覺(jué)算法包，快速靈活準(zhǔn)確獲取包裹條碼數(shù)據(jù)。包裹條碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)上傳給新一代寄遞信息平臺(tái)，平臺(tái)具有信息反饋功能，獲取包裹具體地址信息用于分揀系統(tǒng)的分揀作業(yè)。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

圖3 所示為分揀控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)控制器采用西門子S7-1200 PLC 控制器，是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡(jiǎn)單邏輯控制、高級(jí)邏輯控制、HMI 和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)?？刂破鲗?shí)現(xiàn)了模塊化和緊湊型設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)最高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信的通信接口以及一整套強(qiáng)大的集成技術(shù)功能，成為完整、全面的自動(dòng)化解決方案的重要組成部分。PLC控制器通過(guò)與主控計(jì)算機(jī)通信獲取包裹信息，紅外對(duì)射光幕為控制器輸入獲取包裹位置信息，變頻器、滾筒電機(jī)、警示燈等作為輸出執(zhí)行部件，按照PLC控制指令動(dòng)作。

圖3 分揀控制系統(tǒng)

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件分為控制檢測(cè)部分、電氣部分和機(jī)械執(zhí)行部分。

（1） 控制檢測(cè)部分硬件主要由上位機(jī)、視覺(jué)系統(tǒng)、光電檢測(cè)和PLC 組成，控制器PLC 與變頻器和上位機(jī)之間有著密切的聯(lián)系，控制器作為整體系統(tǒng)的控制核心，對(duì)整體自動(dòng)分揀系統(tǒng)進(jìn)行控制，變頻器則主要是對(duì)減速電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)控，上位機(jī)則是實(shí)現(xiàn)人與整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互，通過(guò)上位機(jī)，可以人為的對(duì)分揀方案和分揀信息等進(jìn)行人為的設(shè)定。同時(shí)上位機(jī)也可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控整體自動(dòng)分揀系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖4 所示為分揀硬件機(jī)構(gòu)。

圖4 分揀硬件結(jié)構(gòu)

（2） 電氣部分主要是485 通信模塊、電氣開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)電源、電磁傳感器、變頻器等電氣元件組成，是智能分揀系統(tǒng)的重要組成部分。圖5 所示為分揀控制部分電氣接線圖。

圖5 部分控制接線

（3） 機(jī)械執(zhí)行部分主要由驅(qū)動(dòng)傳送的動(dòng)力滾筒、控制電機(jī)的變頻器等構(gòu)成。其中變頻器控制電機(jī)帶動(dòng)的是拂手撥叉，是分揀系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使分揀效率提升的關(guān)鍵所在。

圖6 所示為拂手撥叉結(jié)構(gòu)，當(dāng)雙軸變頻電機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)張緊輪、下主動(dòng)輪、上主動(dòng)輪、下同步輪、上同步輪、下從動(dòng)輪、上從動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)拂手連桿向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)出電動(dòng)輥筒表面的同時(shí)開(kāi)始水平移動(dòng)，從而將包裹推向機(jī)架的一側(cè)；反之，雙軸變頻電機(jī)根據(jù)控制器的信號(hào)進(jìn)行反向運(yùn)轉(zhuǎn)，拂手連桿將包裹推向機(jī)架的另一側(cè)；當(dāng)雙軸變頻電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，即不需要拂手連桿動(dòng)作時(shí)，包裹在電動(dòng)輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下，落入機(jī)架的前方位置。

圖6 拂手撥叉結(jié)構(gòu)

4 軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含條碼信息處理和智能分揀控制。

（1）條碼信息處理

包裹條碼信息識(shí)別流程如圖7所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比研究，本部分的視覺(jué)系統(tǒng)選用?？狄曈X(jué)設(shè)備，該設(shè)備提供視覺(jué)設(shè)備參數(shù)設(shè)置和虛擬串口。用java 編寫程序軟件自動(dòng)讀取虛擬串口信息，并存儲(chǔ)在SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中。開(kāi)發(fā)的java程序軟件將信息與新一代寄遞平臺(tái)（郵件信息中心）對(duì)接，獲取物理地址信息，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便控制系統(tǒng)讀取調(diào)用。

圖7 包裹信息識(shí)別流程

具體程序操作如下：腦啟動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)加載落格后臺(tái)程序，雙擊啟動(dòng)掃碼識(shí)別程序（落格程序2），如圖8 所示；程序啟動(dòng)后，進(jìn)入頁(yè)面，輸入工號(hào)、密碼、班次登錄郵件分揀，如圖9 所示；點(diǎn)擊菜單分揀機(jī)，郵件分揀進(jìn)入掃碼頁(yè)面如圖10 所示；操作完畢后，即可打開(kāi)控制線鑰匙開(kāi)關(guān)，設(shè)備啟動(dòng)上電后，紅燈停止閃爍后，綠燈1s 閃爍時(shí)可按下啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)分揀輸送。程序除去分揀信息預(yù)處理功能外還具備查詢統(tǒng)計(jì)、落格統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)維護(hù)功能，方便作業(yè)。

圖8 程序圖標(biāo)

圖9 分揀軟件界面

圖10 操作界面

（2）智能分揀控制系統(tǒng)

該部分主要由接口與參數(shù)配置和PLC 程序編寫兩大部分組成。接口配置是在PLC 配置目錄下，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC 與PLC、PLC 與上位機(jī)通信。設(shè)置變頻器、電動(dòng)滾筒相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。在博圖環(huán)境下編寫PLC 分揀控制程序，具體分揀控制流程如圖11所示。

圖11 分揀控制流程

4 分揀系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證及結(jié)果分析

智能拂手式分揀機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作調(diào)試完畢后在欒城郵政公司分揀車間作業(yè)運(yùn)行。目前欒城共有投遞道段23個(gè)，由于現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備只有5 段分揀機(jī)（有11 個(gè)格口），目前只分揀郵件量相對(duì)較多城區(qū)之外的鄉(xiāng)郵郵件，城區(qū)郵件進(jìn)入收容格口，人工分揀。

設(shè)備操作簡(jiǎn)單，基本不用專門培訓(xùn)既能上手操作，自動(dòng)化程度較高，可操作性較好。實(shí)際郵件分揀效率在3 600 件∕h 左右。郵件的識(shí)別率基本在93%以上。未識(shí)別郵件進(jìn)入收容格口，人工分揀。設(shè)備運(yùn)行反饋良好，得到企業(yè)的一致認(rèn)可。

智能分揀系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

（1）一少：占地少。每一段分揀機(jī)長(zhǎng)只有0.764 m、寬0.718 m。僅一塊兒瓷磚的大小。非常適合縣域、區(qū)域部署使用。

（2）二高：效率及可靠性高。一人操作，每小時(shí)可分揀4 000 件以上；箱體、軟包、薄壁等郵件都能順利分揀；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易損件少，設(shè)備可靠性極高。

（3）三低：低功耗、低成本、低噪聲。以20格口分揀為例，系統(tǒng)功耗2 kW 左右；設(shè)備投資低，可大面積部署使用；設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲極低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文中的智能拂手式分揀系統(tǒng)是為解決基于現(xiàn)有的分揀設(shè)備現(xiàn)狀——占地大、價(jià)格昂貴、維護(hù)費(fèi)用高、縣或區(qū)域及小型快遞企業(yè)無(wú)法承擔(dān)昂貴的分揀設(shè)備成本、無(wú)適宜的分揀設(shè)備可用等問(wèn)題。模塊化機(jī)構(gòu)在保證節(jié)省空間、靈活布置的同時(shí)，也保證了分揀效率; 拂手結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，反應(yīng)迅速、易控制、實(shí)現(xiàn)雙側(cè)分揀節(jié)省空間;整個(gè)結(jié)構(gòu)以普通的帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)，原理簡(jiǎn)單，成本較低。整個(gè)系統(tǒng)各部分的速度設(shè)計(jì)合理，使得各部分協(xié)調(diào)運(yùn)行且不會(huì)發(fā)生碰撞，因而可以做到各部分協(xié)調(diào)配合的高速工作。整套裝置設(shè)計(jì)新穎，部署應(yīng)用至今得到企業(yè)認(rèn)可好評(píng)，多家企業(yè)均迫切需求部署研發(fā)分揀設(shè)備。拂手式分揀機(jī)因需而生，前景廣闊。