丁 超，段皓瀛，肖 楊，蘭 天，劉洪培，饒 勝

(成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，成都 611730)

20世紀(jì)60年代，國(guó)外已開(kāi)始了對(duì)貨物自動(dòng)分揀系統(tǒng)的研究，80年代后，國(guó)外的物流分揀系統(tǒng)發(fā)展更加迅猛，許多研究團(tuán)隊(duì)也提出很多有價(jià)值的觀點(diǎn)[1]。特別是德國(guó)西門(mén)子公司，不斷推出各類(lèi)自動(dòng)分揀裝置，在行業(yè)中發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用[2]。

我國(guó)現(xiàn)代貨物的分揀運(yùn)輸起步較晚，對(duì)于自動(dòng)分揀裝置的研究處于尚不成熟階段，貨物分揀技術(shù)尚不成熟，因此目前快遞公司大多還未實(shí)現(xiàn)大小站點(diǎn)的快遞自動(dòng)識(shí)別分揀系統(tǒng)的全覆蓋。但目前我國(guó)已經(jīng)可以自主生產(chǎn)部分快遞自動(dòng)識(shí)別分揀裝置。為了更好地研發(fā)適合中國(guó)國(guó)情的快遞自動(dòng)分揀裝備，本文根據(jù)快遞物流情況，以可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一款便于改裝以便適應(yīng)不同規(guī)模的自動(dòng)識(shí)別分揀系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的分揀。

1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)緣由

目前國(guó)內(nèi)快遞公司的貨物運(yùn)輸方式都是多級(jí)中轉(zhuǎn)站分級(jí)運(yùn)輸，在到達(dá)最小的片區(qū)中轉(zhuǎn)站分揀后再由對(duì)應(yīng)街區(qū)的快遞員配送上門(mén)[3]。其主要原因是：1)為了實(shí)行統(tǒng)一管理快遞的路線。因?yàn)榭爝f貨運(yùn)車(chē)輛的路線一般都是固定的，快遞公司為了全面保證快件的運(yùn)送速度和運(yùn)送成本，有一套比較全面的運(yùn)送路線，這路線中會(huì)經(jīng)過(guò)各級(jí)中轉(zhuǎn)中心?？爝f公司根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)的上下級(jí)進(jìn)行運(yùn)輸，而不是單純的遠(yuǎn)近關(guān)系。2)物流集散中心是現(xiàn)代化物流系統(tǒng)化中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)快遞集散流水作業(yè)，就需要與之對(duì)應(yīng)的基本系統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)。并不是所有的地方都支持12 m貨車(chē)的卸貨和分流。所以在不斷往下級(jí)中轉(zhuǎn)站轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中，中轉(zhuǎn)站所需的基礎(chǔ)設(shè)施也會(huì)降低要求，以減少快遞公司基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本。3)設(shè)立站點(diǎn)的目的是減輕物流運(yùn)輸?shù)膲毫?，?shí)現(xiàn)分流運(yùn)輸[4]。

1.2 設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)應(yīng)該有數(shù)量可以調(diào)整的分級(jí)分揀裝置，以對(duì)應(yīng)相應(yīng)的多個(gè)下級(jí)中轉(zhuǎn)站或者街區(qū)。設(shè)計(jì)便于裝改的二級(jí)分揀系統(tǒng)，在大型分揀中心可以對(duì)應(yīng)眾多的下級(jí)分揀中心和本地街區(qū)，到了下級(jí)分揀中心可拆卸部分二級(jí)傳送帶，通過(guò)一級(jí)二級(jí)系統(tǒng)分傳送帶的數(shù)量靈活調(diào)控，以滿足各級(jí)分揀中心要求。

1.3 流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩級(jí)自動(dòng)分揀程序，主體為執(zhí)行模塊及電控模塊。執(zhí)行模塊主要有傳送帶、傳感器、條碼掃描器、自動(dòng)機(jī)械臂。電控模塊主要是PLC控制程序，其流程構(gòu)架如圖1所示。主體為長(zhǎng)傳送帶，貨車(chē)卸貨由人工將快件送上傳送帶并使其條碼面向上，通過(guò)條碼掃描儀掃描后無(wú)法識(shí)別的部分由人工分揀，成功識(shí)別部分再經(jīng)過(guò)加速區(qū)域使快遞拉開(kāi)距離以保證分揀過(guò)程的安全與準(zhǔn)確、再進(jìn)入一級(jí)分揀區(qū)進(jìn)行分揀，按照A，B，C，D 4個(gè)分區(qū)進(jìn)行第一次分揀，然后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的二級(jí)分揀區(qū)域(例如B1，B2等)，最終由人工裝車(chē)發(fā)往下級(jí)。

圖1 自動(dòng)識(shí)別與分揀系統(tǒng)構(gòu)架圖

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 傳感器

傳感器將非電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以達(dá)到對(duì)電路的某種控制目的或者通過(guò)某種函數(shù)關(guān)系體現(xiàn)出可讀取的數(shù)據(jù)，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成[5]。在快遞自動(dòng)分揀系統(tǒng)中，傳感器的主要目的是在包裹是否送到、分揀結(jié)果是否正確，機(jī)械臂是否到位等各種動(dòng)作提供參考和反饋。在快遞自動(dòng)分揀系統(tǒng)中，需要應(yīng)用質(zhì)量傳感器，光電式傳感器和磁性開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，具體功能如表1所示。

表1 傳感器功能示例

質(zhì)量傳感器將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的傳感器，應(yīng)用在本系統(tǒng)中可以檢測(cè)有無(wú)快遞進(jìn)入傳送帶。本文采用液壓傳送方式，即在受被測(cè)物重力M作用時(shí)，液壓軸的壓力增大，增大程度與M成正比；測(cè)出壓力的增大值，就可判斷有無(wú)快件。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，測(cè)量范圍大，準(zhǔn)確度一般不超過(guò)1/100，完全滿足精度要求。

光電式傳感器通過(guò)利用光電效應(yīng)，依靠被測(cè)物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來(lái)達(dá)到檢測(cè)目的的。光電傳感器[6]由發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路構(gòu)成。發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于發(fā)光二極管、光敏三極管以及半導(dǎo)體光源。光電式傳感器的工作流程如圖2所示。

圖2 光電傳感器運(yùn)行邏輯圖

磁性開(kāi)關(guān)是利用磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制，從而判斷各個(gè)機(jī)械臂是否回到原來(lái)位置。

2.2 條碼掃描儀

條碼掃描儀[7]采用全角度激光掃描器，分辨率為4 800像素。條碼采用形式為code128碼，信息內(nèi)容包括包裹類(lèi)型(日用品、衣物、藥品等)、包裹大小(1～4 kg、5～10 kg等)、包裹去向(目的地城市)等。

條碼掃描儀的光源發(fā)出光線，通過(guò)反射圖像收集條碼信息，再經(jīng)過(guò)編譯器翻譯成包裹信息。在分揀過(guò)程中快件在傳送帶上單件運(yùn)輸，通過(guò)掃描器(位于快遞上方)獲取信息，進(jìn)行分揀。如若未獲得對(duì)應(yīng)信息則分揀進(jìn)入待處理區(qū)，同時(shí)蜂鳴器響起，由工作人員處理。數(shù)據(jù)讀取時(shí)根據(jù)code128碼的特征，首先獲取基礎(chǔ)寬度，得到基礎(chǔ)寬度后，對(duì)圖像水平方向掃描判斷每個(gè)黑條和白空由幾個(gè)基礎(chǔ)寬度構(gòu)成[8]。最終對(duì)照code128碼表，得到該快遞存儲(chǔ)在電腦上的對(duì)應(yīng)信息。

通過(guò)譯碼的編寫(xiě)可以對(duì)快件進(jìn)行編號(hào)，存儲(chǔ)數(shù)字信息，快遞公司通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的地址信息，使得每一件快遞都有專屬“身份證”。

2.3 PLC

本系統(tǒng)PLC[9]采用sm-200系列。每—個(gè)PLC由輸入、CPU、輸出3部分組成。按鈕控制電機(jī)的PLC具體流程如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)邏輯圖

傳達(dá)到CPU的指令必須是CPU可以處理的格式顯示，而CPU接收到的是計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的原始信號(hào)，CPU將處理后的數(shù)據(jù)送到輸出，輸出再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成原始的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PLC的內(nèi)部控制。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合，三極管在二極管發(fā)光的作用下，向內(nèi)部電路輸入電信號(hào)；斷開(kāi)時(shí)三極管由于沒(méi)有二極管的燈光，沒(méi)有導(dǎo)通。這個(gè)過(guò)程就是通過(guò)輸入接口電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化成CPU能夠識(shí)別的指令。

由于PLC的特殊工作原理，對(duì)于它的I/O電路，都是需要專門(mén)單獨(dú)設(shè)計(jì)的，同時(shí)輸入電路要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，以去掉干擾信息。輸出電路還要進(jìn)行功率放大，以達(dá)到帶動(dòng)快遞分揀系統(tǒng)的各個(gè)組件的要求。

根據(jù)具體的操作控制及要求，設(shè)計(jì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程一般是自既定原點(diǎn)從左至右依次進(jìn)行機(jī)械臂在整個(gè)快遞分揀的工作任務(wù)，根據(jù)快遞的傳輸要求抬起機(jī)械臂、左移并下沉機(jī)械臂、抓起快遞、放到下級(jí)傳送帶上，最后回歸原位，往復(fù)執(zhí)行操作進(jìn)行流水線工作。另外如果機(jī)械臂一開(kāi)始沒(méi)有在最開(kāi)始的位置，需要人工手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)原點(diǎn)，此時(shí)需要選擇端點(diǎn)進(jìn)行輸入端的操作，使其回到原來(lái)的位置。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 控制流程圖設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)為高度相似的二級(jí)PLC控制程序，以便于系統(tǒng)的輸入、修改和調(diào)整。具體PLC控制系統(tǒng)流程概念圖，如圖4所示。

圖4 一級(jí)控制系統(tǒng)及二級(jí)控制系統(tǒng)流程

從圖4可知，開(kāi)啟總開(kāi)關(guān)為系統(tǒng)供電，重力傳感器檢測(cè)到有快遞上傳送帶，發(fā)射信號(hào)激活條碼掃描儀。條碼掃描儀依次對(duì)傳送帶上的快遞的條碼進(jìn)行圖像掃描，反饋到計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別。機(jī)械臂接受計(jì)算機(jī)信號(hào)將快遞移動(dòng)至對(duì)應(yīng)分區(qū)傳送帶。二級(jí)系統(tǒng)檢測(cè)到有快遞上傳送帶，二級(jí)系統(tǒng)啟動(dòng)通過(guò)光電傳感器確定快遞具體位置，快遞到達(dá)指定位置后機(jī)械臂將快遞自動(dòng)移動(dòng)至最終分區(qū)傳送帶。傳送帶繼續(xù)運(yùn)行，由工作人員裝車(chē)并發(fā)往下線物流中心或者對(duì)應(yīng)街區(qū)派件員。

由于機(jī)械臂工作速率不足的緣故，條碼掃描后應(yīng)有一充分加速區(qū)域，拉開(kāi)快遞間距，以免發(fā)生錯(cuò)漏。一級(jí)系統(tǒng)主傳送帶及二級(jí)系統(tǒng)副傳送帶按垂直分布以節(jié)約空間[10]。

3.2 I/O分配表

I/O接口技術(shù)應(yīng)用在快遞鏈PLC中，可以實(shí)現(xiàn)PLC與PLC、PLC與其他智能設(shè)備之間的通信[11]。相比于PLC通信擴(kuò)展模板，PLC與少量的I/O端子直接相連，再利用PLC的豐富軟元件及一些功能指令來(lái)直接編寫(xiě)通信聯(lián)絡(luò)程序，實(shí)現(xiàn)PLC之間數(shù)據(jù)與聯(lián)絡(luò)信號(hào)的通信傳輸控制，這樣就會(huì)使通信傳輸控制方式的接線變得簡(jiǎn)單，不需要標(biāo)準(zhǔn)通信接口，節(jié)省了通信硬件，抗干擾能力也比一般通信強(qiáng)。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)I/O接口如表2和表3所示。

表2 一級(jí)系統(tǒng)I/O分配表

表3 二級(jí)系統(tǒng)I/O分配表

4 系統(tǒng)試運(yùn)行

4.1 PLC調(diào)試

PLC調(diào)試分為程序輸入調(diào)試和硬件調(diào)試。程序輸入調(diào)試就是將一級(jí)二級(jí)系統(tǒng)分別逐條輸入到PLC系統(tǒng)里并仔細(xì)檢查，加載到仿真之中試運(yùn)行無(wú)誤后通過(guò)通信模塊進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試運(yùn)行。而硬件調(diào)試則是將系統(tǒng)的各個(gè)傳感器、總電開(kāi)關(guān)、條碼掃描儀連接到對(duì)應(yīng)輸入之中，各個(gè)機(jī)械臂連接到指定輸出之中。打開(kāi)開(kāi)關(guān)進(jìn)行試運(yùn)行，輸入對(duì)應(yīng)模塊亮起。反復(fù)測(cè)試無(wú)誤。

4.2 整體分揀系統(tǒng)安裝

該系統(tǒng)首先安放勻速長(zhǎng)傳送帶并裝載重力傳感器(尾部留出余量，以便于伸長(zhǎng)到貨車(chē)車(chē)廂內(nèi)，減少人工工作量)，然后裝載條碼掃描儀，高度控制在60～80 cm，再連接一段勻加速傳送帶，拉開(kāi)物件距離，將各級(jí)傳送帶以垂直空間分布安置在對(duì)應(yīng)位置，并使得20個(gè)機(jī)械臂裝載在對(duì)應(yīng)位置，同時(shí)仔細(xì)校對(duì)機(jī)械臂相對(duì)于傳送帶的位置，安裝光電傳感器及磁性傳感器，檢查整個(gè)系統(tǒng)各部分連接情況并檢查電路安全情況，確定安全無(wú)誤。

4.3 實(shí)驗(yàn)情況

根據(jù)本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建調(diào)試好整體系統(tǒng)后，隨機(jī)抽取一定數(shù)量的快遞，進(jìn)行自動(dòng)試運(yùn)行后無(wú)誤。為了對(duì)系統(tǒng)的分揀速率及分揀正確率進(jìn)行評(píng)估；同時(shí)對(duì)快遞體積對(duì)分揀正確率的影響。本文選取了體積V≤1 dm3，1 dm31 000 dm3的超大型快遞默認(rèn)人工分揀)形狀不相同并具有相應(yīng)質(zhì)量的快遞各160個(gè)；并貼上對(duì)應(yīng)A1區(qū)到D4區(qū)這16個(gè)區(qū)的條碼；每個(gè)區(qū)各10個(gè)不同體積的快遞。隨機(jī)打亂順序后進(jìn)行試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表4及表5所示。

表4 A及B區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表5 C區(qū)及D區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

計(jì)算可得總準(zhǔn)確率為97.03%，耗費(fèi)時(shí)長(zhǎng)為297 s，經(jīng)計(jì)算每h可掃描7 758件快遞。通過(guò)對(duì)準(zhǔn)確率的研究我們可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在對(duì)體積正常的快遞有著很高的準(zhǔn)確率而對(duì)于過(guò)小或者體積過(guò)大的快遞進(jìn)行分揀時(shí)的準(zhǔn)確率有明顯下降。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和觀察發(fā)現(xiàn)，機(jī)械臂在對(duì)于體積過(guò)大或體積過(guò)小的快遞夾取過(guò)程中容易出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象?？偟膩?lái)說(shuō)本系統(tǒng)有較高的準(zhǔn)確率和較快的分揀效率。而且該系統(tǒng)有良好的改裝適應(yīng)性，稍加調(diào)整就可以用于不同規(guī)模的物流集散中心。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在sm-200plc控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用機(jī)械臂對(duì)快遞進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與分揀，且僅以A1到D4分區(qū)為例，系統(tǒng)仍然具有良好的開(kāi)發(fā)拓展性，不論是對(duì)地區(qū)分劃的修改，還是對(duì)機(jī)械臂更進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)與利用都還有著更加深遠(yuǎn)的研究?jī)r(jià)值。