劉子彬

廣州港新沙港務(wù)有限公司

1 引言

近年來，在港口、糧庫、糧食加工廠等散糧物流集散中心，已普遍采用連續(xù)卸船機、皮帶機等設(shè)備進行散糧的卸船、入倉、倒倉等作業(yè)，具有較高的作業(yè)效率和自動化水平，但在作業(yè)流程最后的提貨車輛裝車環(huán)節(jié)仍存在人力成本高、易發(fā)生貨運質(zhì)量問題、安全隱患大、作業(yè)效率低等問題。需要研發(fā)一套散糧智能裝車系統(tǒng)，以代替人工操作，消除傳統(tǒng)裝車提貨工藝存在的諸多問題，實現(xiàn)散糧裝車全流程自動化、智能化。

2 設(shè)計思路

2.1 車輛提貨流程

以港口為例，散糧車輛提貨流程為：①車輛進港→②車輛過空磅→③辦理提貨手續(xù)→④車輛提貨點確認→⑤車輛裝貨→⑥車輛過重磅→⑦辦理出港手續(xù)→⑧車輛出港。

近年來，港口已通過研發(fā)車提預(yù)約系統(tǒng)、地磅無人值守系統(tǒng)、業(yè)務(wù)辦單系統(tǒng)等實現(xiàn)了車輛提貨的部分電子化操作，提升了服務(wù)質(zhì)量和作業(yè)效率。但上述流程中車輛進出港、過地磅、提貨點確認等環(huán)節(jié)仍需人工確認車輛信息，車輛裝貨環(huán)節(jié)仍需工人操作落料閘門裝車，制約了車輛提貨全流程的智能化，造成已開發(fā)的各生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)仍需人工錄入車輛確認信息，無法發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能，影響提貨效率、安全和質(zhì)量。

2.2 車輛信息確認智能化

開發(fā)車輛智能識別系統(tǒng)代替?zhèn)}庫員的人工識別，以實現(xiàn)系統(tǒng)自動判斷車輛是否與生產(chǎn)信息相匹配。綜合應(yīng)用RFID識別技術(shù)、視覺識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等構(gòu)建車輛識別系統(tǒng)，RFID識別和車牌視覺識別的數(shù)據(jù)交叉互校，確保車輛識別系統(tǒng)的高可靠性，同時將采集的車輛信息與提貨預(yù)約子系統(tǒng)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)交互，并與電子閘口、無人值守地磅、自動裝車系統(tǒng)等無縫對接。在車輛進出電子閘口、地磅及裝車作業(yè)點時，將檢測到的車輛信息與系統(tǒng)中預(yù)約提貨的車輛信息進行匹配，確認無誤后，閘口、平倉、地磅出入口將自動放行，裝車作業(yè)點將自動進行裝車作業(yè)。同時系統(tǒng)內(nèi)自動生成車輛進出記錄、裝貨量記錄等信息。

2.3 裝車作業(yè)智能化

開發(fā)自動裝車系統(tǒng)代替漏斗操作工人的視覺觀察，準確檢測、判斷、分析車廂的外形尺寸及車廂內(nèi)物料的實時裝載情況。由于提貨車輛外形尺寸千差萬別，且裝載的散裝糧食粉塵大、流動性強，為實現(xiàn)精準檢測的目標，選擇合適的傳感器檢測方案尤為關(guān)鍵。

2.3.1 檢測方案論證

目前較成熟的檢測技術(shù)有機器視覺技術(shù)、激光雷達3D建模技術(shù)、傳統(tǒng)光電超聲傳感器檢測技術(shù)等。

機器視覺技術(shù)是通過機器視覺產(chǎn)品(即光源、鏡頭、相機、采集卡)將被拍攝的目標轉(zhuǎn)換為圖像信號，最后傳送給機器視覺軟件進行圖像分析處理，代替人眼的測量、檢測和判斷。而由于玉米等散裝糧食貨類在裝車過程中存在較多粉塵擴散，機器視覺系統(tǒng)拍攝的圖像受粉塵遮擋影響，無法可靠分析判斷物料在車廂內(nèi)的裝載情況，對攝像頭的性能參數(shù)及系統(tǒng)算法都有極高要求。

激光雷達3D建模技術(shù)是通過雷達發(fā)射激光線束,對目標進行探測，獲取點云數(shù)據(jù)，再通過系統(tǒng)運算處理得到所掃描區(qū)域的三維形態(tài)。激光雷達能夠準確識別出所掃描區(qū)域的具體輪廓、距離，具有分辨率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，但也存在采購成本高，受天氣和工作環(huán)境影響大的缺點，在雨霧、風(fēng)沙等天氣及大粉塵環(huán)境下會受到極大的干擾。在散糧裝車作業(yè)粉塵環(huán)境中，還需對激光雷達獲取的點云數(shù)據(jù)針對性研究降噪算法，消除粉塵噪點后才能獲得車輛裝載的真實情況，研發(fā)成本高、技術(shù)難度大。

傳統(tǒng)的傳感器檢測技術(shù)中，超聲波傳感器對金屬或非金屬物體、固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測，其檢測性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天；紅外傳感器對粉塵環(huán)境適應(yīng)性強，不易被粉塵干擾阻礙產(chǎn)生錯誤信號。

根據(jù)上述分析論證，采用傳統(tǒng)的傳感器檢測技術(shù)更能有效適應(yīng)糧食粉塵作業(yè)環(huán)境，且研發(fā)成本低，可大范圍推廣應(yīng)用于散糧自動裝車系統(tǒng)。

2.3.2 通信方案論證

在傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，傳感器信號都是通過遠程I/O或者擴展I/O，經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后，傳輸?shù)娇刂破?。在這種通信模式下控制器只能單向獲取傳感器測量值，無法獲取傳感器的參數(shù)、診斷以及更多信息。除此之外，操作人員需到現(xiàn)場對傳感器、執(zhí)行器進行檢查、維護、設(shè)定，費時又費力。因此，傳統(tǒng)的信號傳輸方式存在數(shù)據(jù)隔離的弊端。

IO-Link是首個連接工業(yè)網(wǎng)絡(luò)底層傳感器及執(zhí)行器的標準化通信協(xié)議，使底層設(shè)備可以集成到幾乎任何現(xiàn)場總線或者是自動化系統(tǒng)中。IO-Link技術(shù)使控制層能夠訪問傳感器、執(zhí)行器的診斷、過程值、參數(shù)等數(shù)據(jù)信息，解決了控制層和傳感器層的信息隔離，并且傳輸過程是雙向的，控制器可以向傳感器、執(zhí)行器直接進行參數(shù)配置。IO-Link技術(shù)消除了傳統(tǒng)工業(yè)自動化控制的瓶頸，具有抗干擾能力強、簡化布線網(wǎng)絡(luò)、易于維護更換、操作方便、傳感器智能化等優(yōu)勢。

由于港區(qū)裝車作業(yè)點數(shù)量多、分布廣，且要實現(xiàn)自動裝車功能對傳感器智能化控制有極高要求，因此選用IO-Link技術(shù)可以滿足裝車自動化的各項功能要求。

2.3.3 自動裝車系統(tǒng)總體設(shè)計思路

根據(jù)上述檢測方案及通信方案的論證，自動裝車系統(tǒng)設(shè)計思路為應(yīng)用傳感器檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、IO-Link通信技術(shù)等，通過測量光幕、超聲波傳感器等元器件檢測車輛狀態(tài)，判斷車廂實時位置、外形尺寸及散貨裝載情況，并通過IO-Link通信設(shè)備將相關(guān)檢測數(shù)據(jù)傳輸至中控PLC系統(tǒng)進行智能算法分析運算和邏輯判斷，最后根據(jù)運算結(jié)果控制放料閘門、指示燈等執(zhí)行機構(gòu)動作，引導(dǎo)不同尺寸規(guī)格的車輛，進行閘門自動開關(guān)放料等，實現(xiàn)無人自動化裝車。

3 實施方案

3.1 車輛智能識別系統(tǒng)

車輛智能識別系統(tǒng)綜合應(yīng)用RFID技術(shù)和視覺識別技術(shù)，主要設(shè)備包括監(jiān)控攝像頭、RFID讀寫器、RFID天線、紅外檢測器、交通燈、工控機、4G模塊、顯示屏等，通過同時識別車輛攜帶的RFID電子標簽和車牌信息，準確確認車輛信息，并與各生產(chǎn)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互對接，形成車輛提貨信息的閉環(huán)信息數(shù)據(jù)鏈，再無需人工現(xiàn)場確認，實現(xiàn)集智能理貨、裝車聯(lián)控于一體的完整生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)工作流程為：車輛在閘口、裝車點、地磅等停車檢測→觸發(fā)雷達讀取RFID電子標簽，同時進行車牌識別→校驗電子標簽及車牌信息→與生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的提貨車輛信息進行比對，判斷是否為作業(yè)車輛→(是)放行、裝貨、過磅/(否)指示離開。

系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能如下：

(1)與提貨預(yù)約系統(tǒng)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)、無人值守地磅等形成完整的生產(chǎn)管理閉環(huán)數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)車輛提貨全流程的信息化無人化，確保極高的可靠性和安全性。

(2)系統(tǒng)可在各生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動對提貨車輛進行識別監(jiān)控，實現(xiàn)對車輛提貨全流程的自動校驗跟蹤。若系統(tǒng)識別車輛與作業(yè)點信息不匹配，相關(guān)作業(yè)點自動停止工作，同時發(fā)出駛離信號，指示車輛離開；若與作業(yè)點信息匹配，則向車輛發(fā)出通行信號，同時自動啟動電子閘口、無人地磅、自動無人裝車等系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。

(3)系統(tǒng)根據(jù)電子閘口、無人地磅、自動無人裝車點等作業(yè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，自動生成車輛進出記錄、裝卸貨記錄等，代替以往的人工錄入和確認。

3.2 自動裝車系統(tǒng)

3.2.1 傳感器設(shè)置方案

在散糧裝車漏斗出口和入口各安裝1組紅外線測量光幕，在漏斗出料口前后各安裝1個超聲波測距傳感器，在漏斗體底部接近出料口位置安裝1個電容式料位傳感器(見圖1)。

1.入口測量光幕發(fā)射極 2.入口測量光幕接收極 3.出口測量光幕發(fā)射極 4.出口測量光幕接收極 5、6.超聲波測距傳感器 7.電容式料位傳感器 8.指揮信號圖1 各檢測元件安裝示意圖

3.2.2 通信方案

測量光幕等各現(xiàn)場傳感器經(jīng)由IO-Link主站統(tǒng)一進行參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)采集后，通過Profinet總線傳輸至中控PLC系統(tǒng)，中控PLC系統(tǒng)與車輛智能識別等系統(tǒng)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸相關(guān)控制信息(見圖2)。

圖2 系統(tǒng)通信連接

3.2.3 車輛檢測及控制方案

散糧裝車流程為：①核實車輛信息正確后進入漏斗→②車廂位于漏斗出料口下方時停車，漏斗放料裝車→③物料裝至設(shè)定高度時漏斗停止放料→④車輛點動前行繼續(xù)裝載車廂后部空間→⑤車廂全部裝載物料后駛離漏斗。

自動裝車系統(tǒng)通過傳感器檢測及PLC智能算法，實現(xiàn)上述裝車流程各環(huán)節(jié)的無人自動化作業(yè)。

(1)車輛在進入漏斗前由車輛智能識別系統(tǒng)進行信息校驗，若系統(tǒng)核實車輛與漏斗作業(yè)信息匹配，則指揮信號燈點亮綠燈，通知車輛前行進入漏斗，并啟動自動裝車系統(tǒng)；若系統(tǒng)核實車輛與漏斗作業(yè)信息不匹配，則指揮信號燈點亮紅燈，指示車輛離開。

(2)車輛進入漏斗后，自動裝車系統(tǒng)各傳感器開始工作，檢測判斷車廂位置。由于車廂結(jié)構(gòu)具有圍板上邊緣離地高度一致、車廂內(nèi)底板與圍板上邊緣存在統(tǒng)一高度差等共性特點，本系統(tǒng)采用測量光幕檢測換算車廂圍板上邊緣離地高度，采用超聲波傳感器檢測換算車廂底板離地高度。當(dāng)漏斗出入口2套測量光幕檢測數(shù)據(jù)一致、出料口前后2套超聲波傳感器檢測數(shù)據(jù)一致時，同時測量光幕和超聲波傳感器的檢測數(shù)據(jù)，若其差值等于車廂深度，系統(tǒng)判斷車廂到達落料口下方，則控制指揮信號燈點亮紅燈，指示車輛停車，并打開閘門放料裝車(見圖3)。

圖3 車廂位置檢測原理

(3)由出料口前后的2套超聲波測距傳感器檢測換算車廂內(nèi)物料的裝載高度，并與測量光幕檢測的車廂圍板上邊緣高度數(shù)據(jù)進行比對，當(dāng)達到設(shè)定的裝載高度時，系統(tǒng)自動關(guān)閉放料閘門，并控制指揮信號燈點亮黃燈，指示車輛向前移動，以繼續(xù)裝載車廂中后部空間(見圖4)。

圖4 車廂內(nèi)物料檢測原理

當(dāng)傳感器檢測車輛行駛至車廂中后部未裝滿貨物的位置時，系統(tǒng)控制指揮信號燈點亮紅燈，指示車輛停車，并打開閘門繼續(xù)放料裝車。之后自動裝車系統(tǒng)重復(fù)流程③、④，直至車廂按設(shè)定全部裝滿貨物。

(4)系統(tǒng)檢測車輛車廂全部裝滿物料或車廂離開漏斗落料口工作范圍時，立即關(guān)閉閘門，并控制指揮信號燈點亮綠燈，指示車輛駛離漏斗，完成自動裝貨流程。

4 系統(tǒng)優(yōu)點

本項目的研究應(yīng)用具有以下優(yōu)點：

(1)系統(tǒng)適用性強，能適應(yīng)不同尺寸車輛的作業(yè)要求。通過對車輛檢測方案的創(chuàng)新設(shè)計及智能算法，實現(xiàn)對各種提貨車型不同外形尺寸的自適應(yīng)全覆蓋檢測，大大提升了系統(tǒng)的適用性，可應(yīng)用于各種裝車作業(yè)場景。

(2)實現(xiàn)無人自動裝車。裝車作業(yè)過程無需派工人操作漏斗開閉和指揮司機行車，節(jié)約人力成本，保證裝車質(zhì)量穩(wěn)定性，有效提高了作業(yè)效率和安全性。

(3)實現(xiàn)自動識別匹配提貨車輛和裝車流程的功能。系統(tǒng)與預(yù)約提貨系統(tǒng)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)等進行互聯(lián)通信，校驗車輛信息，防止出現(xiàn)發(fā)錯車、裝錯貨等情況。

(4)實現(xiàn)散糧車輛提貨全流程智能化，效率高成本低。提貨車輛從預(yù)約提貨到進港、辦單、過磅、裝車、出港等一系列環(huán)節(jié)，均實現(xiàn)了電子化、信息化、自動化操作，極大減少了人工介入環(huán)節(jié)，基本實現(xiàn)了全流程無人智能化，作業(yè)效率高，運營成本低。

5 結(jié)語

散糧智能裝車系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，可有效解決傳統(tǒng)車輛提貨流程人力成本高、安全隱患大、作業(yè)效率低、存在貨運質(zhì)量隱患等問題，提升了企業(yè)安全水平和服務(wù)質(zhì)量，為建設(shè)智慧型散貨港口提供了可行方案。未來，本系統(tǒng)將聚焦解決裝車動態(tài)計量的技術(shù)攻關(guān)，在已實現(xiàn)自動裝車的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)精準裝車，消除車輛返裝返卸問題。