摘要：本文介紹基于臺(tái)達(dá)PLC平臺(tái)的自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)是針對(duì)快遞包裹分類而設(shè)計(jì)，具有實(shí)時(shí)、快速分類，監(jiān)控、報(bào)警等功能。為實(shí)現(xiàn)該功能，提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)、臺(tái)達(dá)PLC控制技術(shù)、HMI人機(jī)界面的分類方法，利用工業(yè)總線技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并與上層管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性，易于拓展，可滿足快遞包裹分揀生產(chǎn)線的需求。文章中，介紹了系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，子系統(tǒng)各部分功能，硬件、軟件的實(shí)現(xiàn)，對(duì)自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的參考意義。

關(guān)鍵詞：PLC,機(jī)器視覺(jué),HMI,工業(yè)以太網(wǎng)

1引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活水平的提高，在電子商務(wù)的帶動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物快遞投送成為生活中必不可少的途徑，并且規(guī)模也不斷擴(kuò)大，如單就淘寶而言，13年“雙11”交易量同比12年增幅高達(dá)70%。在如此快的增幅下，快遞總量也呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)。同時(shí)，在客戶快速要求下，帶給快遞公司工作人員巨大壓力。如果有一種快速快遞分類系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工分類，不僅能夠提高快遞分類投送效率，也能減輕工作人員壓力[1]。

傳統(tǒng)的快遞分揀系統(tǒng)，一直采用人工分揀的方法，致使分類效率低，公司間競(jìng)爭(zhēng)能力差?？爝f分類所用時(shí)間占快遞分類投送總時(shí)間較大一部分，使得快遞員單位時(shí)間內(nèi)投送快遞受到較限制。這就使得自動(dòng)分揀技術(shù)成為企業(yè)的唯一選擇。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一中全新的自動(dòng)分類系統(tǒng)，對(duì)快遞進(jìn)行詳細(xì)分類，極大的提高了分類效率，節(jié)省了勞動(dòng)力資源。利用工業(yè)以太網(wǎng)總構(gòu)建整個(gè)分類系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)中，在分揀線入口處，利用攝像頭對(duì)快遞進(jìn)行識(shí)別處理，提取必要信息，存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)主機(jī)中。各子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定參數(shù)和快遞信息進(jìn)行逐級(jí)分類。HMI設(shè)置對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)參數(shù)，并監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)異常情況，達(dá)到一定程度，報(bào)警并反饋給管理級(jí)主機(jī)系統(tǒng)。

2工藝流程

整個(gè)分揀過(guò)程工藝流程如圖1所示。包裹進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過(guò)信息采集環(huán)節(jié)。信息采集環(huán)節(jié)利用高清攝像頭和機(jī)器視覺(jué)相關(guān)算法[2]，提取包裹的必要信息，如發(fā)送地點(diǎn)(省、市等)、接收人信息(姓名、電話等)。這些信息采集完畢，可輸送給全程監(jiān)控PC和各分類子系統(tǒng)的HMI。便于下一環(huán)節(jié)處理。在檢測(cè)過(guò)程中，可能出現(xiàn)由于磨損等原因造成包裹信息無(wú)法正常提取等現(xiàn)象，對(duì)于這類情況按照異常處理，將他們單獨(dú)分類，當(dāng)積累到一定數(shù)量時(shí)，通知工作人員采用人工分揀。分類子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定分類信息對(duì)包裹進(jìn)行分類，分類完畢后分別送入下一子系統(tǒng)，進(jìn)行更為詳細(xì)的分類。分類完畢，包裹分別送入不同的倉(cāng)庫(kù)，以備送出。對(duì)于PC中提取的包裹信息，可以導(dǎo)入快遞員手機(jī)，聯(lián)合短信群發(fā)軟件，可以集體給客戶發(fā)送快遞相關(guān)信息，節(jié)省快遞員投送時(shí)間，提高效率。

圖1工藝流程

圖1中小虛線框內(nèi)子系統(tǒng)，根據(jù)分類的粗細(xì)程度，可不予設(shè)計(jì)。圖中各分類子系統(tǒng)屬于同一級(jí)別，不是“父子”關(guān)系。

3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1中各子系統(tǒng)和PC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連。圖2為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為兩級(jí)：管理級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。兩級(jí)之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交互。

3.1管理級(jí)

管理級(jí)由全程監(jiān)控PC機(jī)和服務(wù)器組成。

PC機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)設(shè)備的調(diào)度和管理?？梢詫?duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如打印、統(tǒng)計(jì)等。服務(wù)器存放各包裹的歷史數(shù)據(jù)，并含有當(dāng)前操作的包裹的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可按一定方式導(dǎo)出，作為二次使用，如收件人信息數(shù)據(jù)可用于短信群發(fā)給客戶，及時(shí)到指定地點(diǎn)取貨。

3.2現(xiàn)場(chǎng)級(jí)

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要由各分類子系統(tǒng)構(gòu)成。子系統(tǒng)用于包裹的分類。HMI提供分類的必要信息，指揮臺(tái)達(dá)PLC按照設(shè)定動(dòng)作進(jìn)行響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)必要的操作。此外，HMI還可以起到子系統(tǒng)監(jiān)控的作用。HMI與臺(tái)達(dá)PLC用485總線完成互連，實(shí)現(xiàn)信息交換。

工作人員可設(shè)定HMI中分類信息，如分類地點(diǎn)的詳細(xì)程度(省、市等)。并與PLC通信，使得PLC根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。

PLC根據(jù)從HMI獲得的信息，控制電機(jī)帶動(dòng)傳送帶運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)包裹的分離。臺(tái)達(dá)PLC，編程簡(jiǎn)單，使用靈活，同時(shí)穩(wěn)定性也較高，可以很好的控制電機(jī)的運(yùn)行，達(dá)到精確推送快遞的目的。若有多個(gè)子系統(tǒng)，包裹可有傳送帶送入下一分類子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“再”分類。

4具體實(shí)現(xiàn)

圖3展示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。圖中僅畫出一個(gè)子系統(tǒng)。本系統(tǒng)功能強(qiáng)大，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，能夠準(zhǔn)確、高效的對(duì)包裹進(jìn)行分類。

圖3系統(tǒng)框圖

4.1傳感器

傳感器部分完成對(duì)包裹信息的采集和處理。攝像頭對(duì)包裹進(jìn)行拍照，并將像素?cái)?shù)據(jù)傳送給處理器。處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，提取必要信息，如派送省、市、客戶姓名、聯(lián)系方式等。然后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，按照一定一定協(xié)議發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)則根據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析。

傳感器采用羅技C310網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭，像素可達(dá)300萬(wàn)，30幀每秒。完全滿足識(shí)別處理包裹表面文字信息。圖像處理采用TI公司的TMS320DM642芯片。該芯片主頻可達(dá)720MHz，處理性能最高可達(dá)5760MI/s，含專門硬件乘法器，采用流水線結(jié)構(gòu)，并且有豐富的外設(shè)接口，可接多路、多種外設(shè)，如可連3路攝像頭。

圖像識(shí)別可分為以下幾步：

(1)圖像預(yù)處理：原始圖像可能含有較多噪聲，如傾斜或噪聲點(diǎn)等，必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理。主要內(nèi)容包括對(duì)圖像平滑、除去噪聲和傾斜矯正等；

(2)版面分析與理解：對(duì)快遞單圖像進(jìn)行版面分割和版面理解，根據(jù)圖像特征分割版面的一些基元，并根據(jù)版面的信息和先驗(yàn)知識(shí)初步判斷整個(gè)版面基元的信息。對(duì)于一般的快遞單來(lái)說(shuō)，一般有編碼塊、收信人信息塊、寄信人信息塊、郵政編碼等；

(3)后處理：經(jīng)過(guò)前面的版面分析和理解，提取收件人的信息和郵政編碼。通過(guò)文字識(shí)別和數(shù)字識(shí)別算法對(duì)收件人信息提取。并且對(duì)比收件人地址和郵編是否一致。對(duì)收件人地址信息進(jìn)行逐級(jí)提取，由大到小。

如需提取其他信息可添加相關(guān)算法即可。信息提取組織完畢，則傳送給PC機(jī)。通過(guò)PC機(jī)和相應(yīng)HMI，指揮PLC控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)該包裹進(jìn)行處理。

4.2PC及服務(wù)器

PC機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存。采用普通PC和服務(wù)器即可滿足要求。

PC機(jī)監(jiān)控可采用北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件公司研發(fā)的基于Windows平臺(tái)的組態(tài)軟件MCGS。MCGS用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。通過(guò)與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便的開(kāi)發(fā)各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。

本應(yīng)用中，數(shù)據(jù)量不大，可采用小型數(shù)據(jù)庫(kù)即可，如Access[3]、SQL。Access是微軟把數(shù)據(jù)庫(kù)引擎的圖形用戶界面和軟件開(kāi)發(fā)工具結(jié)合在一起的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，擁有的報(bào)表創(chuàng)建功能能夠處理任何它能夠訪問(wèn)的數(shù)據(jù)源，提供功能參數(shù)化的查詢，方便的滿足需求。

4.3HMI

子系統(tǒng)中有HMI，起到設(shè)定參數(shù)和監(jiān)控的作用，可以采用臺(tái)達(dá)或昆侖通態(tài)的HMI人機(jī)界面。根據(jù)生產(chǎn)工藝的控制要求進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，并做好相關(guān)設(shè)定，編譯下載到HMI中。

參考界面結(jié)構(gòu)如圖4所示。一級(jí)菜單有4個(gè)，每個(gè)菜單有對(duì)應(yīng)的子菜單。

(1)主菜單下子菜單控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、復(fù)位和停止或緊急停止；

(2)信息錄入菜單在系統(tǒng)啟動(dòng)前完成，需錄入當(dāng)前子系統(tǒng)分類的信息，如按省份分類，則需按一定次序錄入各省份。然后，錄入電機(jī)編號(hào)，電機(jī)編號(hào)應(yīng)與省份編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。省份個(gè)數(shù)不應(yīng)超過(guò)分類的條目數(shù)；

(3)異常情況下監(jiān)控HMI下各PLC的運(yùn)行情況，查看PLC有無(wú)死機(jī)等異常；

(4)監(jiān)控界面監(jiān)控當(dāng)前分類快遞信息，并且可以查看已分類快遞歷史信息，并顯示一些基本的統(tǒng)計(jì)信息。

圖4HMI畫面結(jié)構(gòu)

利用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)人機(jī)界面，方便快捷有效。如果需求有所變動(dòng)，則能夠快速開(kāi)發(fā)出相關(guān)畫面，用于系統(tǒng)中，提高效率。

4.4可編程控制器

子系統(tǒng)核心部件采用臺(tái)達(dá)可編程邏輯控制器(PLC)。臺(tái)達(dá)PLC以高速、穩(wěn)健、高可靠度應(yīng)用于許多工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械上；除了具有快速執(zhí)行邏輯運(yùn)算、豐富指令集、多元擴(kuò)展功能卡及高性價(jià)比等特色外，并且支持多種通訊規(guī)范，使工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體。圖5為臺(tái)達(dá)DVP-PM系列PLC。

圖5臺(tái)達(dá)PLC

臺(tái)達(dá)PLC很好的支持梯形圖編程語(yǔ)言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制。分揀系統(tǒng)子系統(tǒng)中工藝比較簡(jiǎn)單，可以利用梯形圖的步進(jìn)順控指令實(shí)現(xiàn)。其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)如下：

(1)分解復(fù)雜的控制問(wèn)題，各個(gè)擊破；

(2)各狀態(tài)間不耦合，編程簡(jiǎn)單直觀，便于理解；

(3)步進(jìn)順控指令可以減少程序的掃描周期；

針對(duì)本子系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的事例狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示[4]。

圖6子系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

系統(tǒng)上電初始化后，根據(jù)獲得的當(dāng)前快遞的省份地址信息檢測(cè)是否匹配當(dāng)前狀態(tài)。如匹配，則啟動(dòng)對(duì)于電機(jī)帶動(dòng)推桿將快遞推送至對(duì)于倉(cāng)庫(kù)或者下一分類子系統(tǒng)入口傳送帶。當(dāng)推送完畢，則電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)推桿歸位，準(zhǔn)備下次推送。

圖中僅僅是給一個(gè)例子，實(shí)際中可根據(jù)具體需求情況設(shè)定匹配條件。

4.5電機(jī)

執(zhí)行器采用步進(jìn)電機(jī)即可，受PLC[5]的直接控制。推送包裹示意圖如圖7所示。

圖7推送示意圖

圖中子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包裹省級(jí)分類，根據(jù)檢測(cè)提取到快遞的“省級(jí)”信息時(shí)，當(dāng)快遞在傳送帶上運(yùn)動(dòng)到一定的位置時(shí)，則控制相應(yīng)電機(jī)推動(dòng)Mn將快遞推送到存放該省快遞的倉(cāng)庫(kù)或下一分類子系統(tǒng)。如果要求快遞進(jìn)一步分類，則對(duì)于省位置需安置通往該子系統(tǒng)的傳送帶，以實(shí)現(xiàn)下一級(jí)的分類。

5結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以臺(tái)達(dá)PLC為核心，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)、電機(jī)位置控制技術(shù)，使得整套控制系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、分揀精度高、以控制和拓展等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，本系統(tǒng)還可以加多路傳感器，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，具有廣闊的前景。

快遞自動(dòng)分揀系統(tǒng)改變了快遞公司人工分揀的工作方式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大地提高了工作效率。未來(lái)，隨電子商務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展，快遞行業(yè)必然蓬勃發(fā)展，自動(dòng)分揀技術(shù)也必將顛覆傳統(tǒng)人工分揀技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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