楊千偉

（池州學(xué)院機電工程學(xué)院 安徽 池州 247000）

0 引言

電子商務(wù)以其便利性、品類多、價格等方面的優(yōu)勢取得快速發(fā)展，電子商務(wù)行業(yè)發(fā)展迅速帶動快遞行業(yè)市場發(fā)展，快遞分揀作為快遞運輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，對快遞行業(yè)有著重要意義。 但是與整個物流業(yè)的大環(huán)境相比，我國在自動化分揀控制領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新還相對較少，很多關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備仍需要引進(jìn)或依賴進(jìn)口，在工程應(yīng)用方面，我國自動化分揀系統(tǒng)的推廣應(yīng)用還相對較少，仍有一定的市場空白，并且缺乏一套完整的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，給設(shè)備制造商和用戶帶來了一定的困擾和不確定性。 相比較而言，美國、日本及歐洲為代表的發(fā)達(dá)國家，運用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、條碼識別技術(shù)、計算機聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段為主，或者以先進(jìn)的機器視覺技術(shù)為核心，聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、計算機等技術(shù)手段構(gòu)建了高度自動化、高效、精準(zhǔn)的物流分揀體系，在自動化、智能化、專業(yè)化等方面，西方國家的快遞分揀控制系統(tǒng)已經(jīng)處于領(lǐng)先地位。 因此，本文結(jié)合國內(nèi)物流配送中心的自身特點，基于PLC 和條形碼識別技術(shù)，結(jié)合控制系統(tǒng)、掃碼儀、紅外掃描系統(tǒng)、電動或氣動運輸帶、快遞客戶端，在控制系統(tǒng)的作用下將不同種類的包裹進(jìn)行分類處理以物流過程的自動化水平和運行效率，降低物流成本和人力成本，從而幫助企業(yè)降低成本、提高效率［1－2］。

1 應(yīng)用技術(shù)理論基礎(chǔ)

1.1 PLC

PLC 是一種工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的計算機技術(shù)，通常用于控制工業(yè)過程中的機械設(shè)備和工藝，以完成生產(chǎn)流程中的自動化操作。 PLC 采用通用的編程語言進(jìn)行編程，主要由輸入輸出模塊、中央處理器、編程軟件、操作面板等組成，具有高度可靠性、穩(wěn)定性和實時性等特點。 它可以檢測輸入信號，經(jīng)過內(nèi)部算法處理后，輸出控制信號，實現(xiàn)對機器人、工廠自動化生產(chǎn)線等設(shè)施的精準(zhǔn)控制。 在快遞分類運輸控制系統(tǒng)中PLC 可以檢測運輸、分類、分揀、裝卸等環(huán)節(jié)中的各種信號，連接輸送帶、傳送機械臂等設(shè)備，實現(xiàn)物流運輸過程中設(shè)備的自動化控制，最后根據(jù)設(shè)定的分類規(guī)則和物流信息，實現(xiàn)對快遞商品的自動分類和分揀［3］。

1.2 條形碼識別技術(shù)

在中國快遞行業(yè)的識別技術(shù)應(yīng)用中，既有條形碼又有二維碼，但條形碼仍然占據(jù)絕對的市場份額，這是因為二維碼顯示的信息更加復(fù)雜，尺寸較大，對印刷貼附的要求也更高，需要更加精準(zhǔn)的圖像處理技術(shù)和掃描設(shè)備。 相比較而言，條形碼的識別技術(shù)成熟度更高、兼容性更好、成本更低，因此在快遞領(lǐng)域仍然保持著絕對的市場優(yōu)勢。 條形碼識別技術(shù)是指通過對掃描設(shè)備上的條形碼進(jìn)行掃描和解碼，對標(biāo)簽上的信息進(jìn)行讀取和識別的過程。 在條形碼識別技術(shù)中，主要包括圖像處理、解碼算法、數(shù)據(jù)存儲和應(yīng)用等過程。 圖像處理是條形碼識別技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要目的是將條形碼所在的圖像區(qū)域進(jìn)行定位和分割，以便進(jìn)行后續(xù)的解碼處理。 常用的圖像處理方法包括濾波、邊緣檢測、二值化、形態(tài)學(xué)處理等，可以通過開放源代碼計算機視覺庫（open source computer vision library，OpenCV）等圖像處理庫實現(xiàn)。 在快遞件進(jìn)入分揀控制系統(tǒng)前，假設(shè)已經(jīng)使用壓貼式打印貼標(biāo)機對所有進(jìn)入傳送帶的快遞件進(jìn)行貼碼處理。

在本文設(shè)計的智能分揀裝置中，條碼數(shù)字編號中頭幾位數(shù)字表示歐洲商品條碼（European article number，EAN）的國家代碼，接著是一組廠商代碼和商品代碼，最后一位數(shù)字是校驗碼，用來檢驗數(shù)字是否正確。 見圖1。

圖1 EAN－13 條碼符號結(jié)構(gòu)圖

1.3 智能分揀裝置掃描分揀工作原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分成三部分：第一部分是快遞件掃描，當(dāng)包裹檢測分類運輸帶上，圖像采集模塊完成對包裹上條形碼或二維碼的掃描，從而獲取包裹的信息；第二部分是數(shù)據(jù)處理，圖像分析模塊和圖像處理模塊將會分析包裹信息，對包裹進(jìn)行分類，向處理模塊傳達(dá)指令并上傳到客戶端。 第三部分是分揀操作，執(zhí)行模塊將核實商品信息，傳達(dá)物體實時位置，確定是否撤回或者繼續(xù)發(fā)送［4］。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

2.1 需求分析

本文設(shè)計的快遞分類運輸控制系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)如下：

（1）實現(xiàn)全流程自動化控制。 該系統(tǒng)旨在通過自動控制和監(jiān)測，實現(xiàn)整個快遞物流運輸過程的全流程自動化控制。 （2）提高生產(chǎn)效率。 通過該系統(tǒng)的自動化控制，進(jìn)行物流分類和分揀操作，可以縮短操作的時間，提高工作效率。 （3）提高物流準(zhǔn)確度。 減少人為因素對快遞物流的干擾，降低出錯率和提高物流運輸穩(wěn)定性，為企業(yè)提供高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的物流服務(wù)。

2.2 可行性分析

本文應(yīng)用PLC 實現(xiàn)自動輸送分揀系統(tǒng)的自動控制，從硬件選擇上來看，所需器件包括PLC、傳感器、執(zhí)行器（電機、氣缸、電磁閥）、輸送設(shè)備（輸送帶、滾筒、傳送鏈等），以及控制面板和相應(yīng)的電源、連接線纜等輔助設(shè)備，以上設(shè)備市面上都可以購買且較為常見；從技術(shù)可行性上來看，主要為自動分揀設(shè)備、傳感器、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理等方面的技術(shù)，其穩(wěn)定性、精度、速度、容量等技術(shù)指標(biāo)均滿足要求；系統(tǒng)具備較強的可操作性和可管理性；從經(jīng)濟(jì)角度來看，所有軟硬件設(shè)備穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確率高，能滿足分揀系統(tǒng)的基本功能，且性價比較高。

2.3 系統(tǒng)分揀流程設(shè)計

首先貨車卸貨后，快遞件被放置于傳送帶上，確保條碼朝上，在皮帶傳送裝置上傳送，當(dāng)光電傳感器偵測到出料口有物件時，傳送皮帶停止運行，PLC 控制出料氣缸動作，推送物件到皮帶傳送裝置，傳送皮帶恢復(fù)運行。 快遞件通過條碼掃描儀掃描后，進(jìn)入加速區(qū)域拉開物體間距，然后進(jìn)入分揀區(qū)，機械臂按照掃碼信息進(jìn)行后臺分析，控制系統(tǒng)對掃描成功的快遞件按照A、B、C、D 四個分區(qū)進(jìn)行第一次分揀，對于無法識別的快遞，人工進(jìn)行再次分揀［5］。圖2 為快遞分類運輸控制系統(tǒng)總體流程設(shè)計示意圖。

圖2 快遞分類運輸控制系統(tǒng)總體流程設(shè)計

2.4 系統(tǒng)分揀技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖3 所示，本文所設(shè)計的系統(tǒng)一側(cè)是各個地區(qū)快遞存放區(qū)域，存放區(qū)域與傳送帶之間會有一個滾動式緩坡，每個地區(qū)對面會有相應(yīng)掃描儀和氣缸。 快遞件在傳送帶上進(jìn)行傳輸，掃描器對快遞件進(jìn)行掃描，根據(jù)條形碼掃碼信息結(jié)果，控制系統(tǒng)對氣缸和機械臂控制進(jìn)行工作，按照掃碼結(jié)果對快遞件進(jìn)行地區(qū)分類推送到該區(qū)滑槽內(nèi)，若不是該掃碼地區(qū)快遞件則繼續(xù)推送直到完成最后剩余的氣缸動作，完成所有快件分揀［6］。

圖3 自動化生產(chǎn)線分揀技術(shù)架構(gòu)示意圖

3 軟硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

本文基于PLC 和條形碼識別的快遞分揀控制系統(tǒng)在硬件上主要由識別結(jié)構(gòu)、驅(qū)動結(jié)構(gòu)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)三部分組成，如圖4 所示，以下將對各結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行詳細(xì)論述［7］。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

（1）識別結(jié)構(gòu)主要由電磁傳感器、光電傳感器和條形碼掃描儀三部分組成。 本系統(tǒng)中主要涉及的傳感器是電磁傳感器和光電傳感器，主要用作檢測快遞是否到位、氣缸位置是否工作等。 詳細(xì)功能應(yīng)用如表1 所示。

表1 傳感器的類型與功能

識別結(jié)構(gòu)中安裝的條形碼掃描儀主要用于讀取條碼所包含信息，利用光學(xué)原理，把條形碼的內(nèi)容解碼后通過數(shù)據(jù)線或無線的方式傳輸?shù)诫娔X或其他設(shè)備。

（2）驅(qū)動結(jié)構(gòu)主要由變頻器和電機組成。 其中皮帶傳送裝置、機械臂推送裝置等都是由變頻器控制電動機來對其進(jìn)行驅(qū)動，通過PLC 實現(xiàn)變頻器對電機速度和轉(zhuǎn)向的控制。

（3）執(zhí)行結(jié)構(gòu)主要包括傳送單元、掃碼單元和分揀單元。 傳送單元是自動輸送分揀系統(tǒng)中的核心部件之一，包括輸送帶、滾筒、傳送鏈等輸送裝置，負(fù)責(zé)物體的輸送；掃碼單元主要對快遞件條形碼信息進(jìn)行識別，根據(jù)條碼進(jìn)行分類；分揀單元的作用是實現(xiàn)對物件的分揀，由PLC 控制對應(yīng)的氣動裝置并將其推送到相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行分類，從而保證不同貼碼快遞通過不同的容器分揀歸類。

本文設(shè)計的識別與分揀設(shè)備均為開關(guān)量控制，系統(tǒng)采用西門子S7－200SMART 型PLC 作為核心控制平臺，IO 地址分配和說明如表2 所示［6，8］。

表2 IO 地址分配和說明

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

在軟件設(shè)計部分，通過使用PLC 梯形圖編程來實現(xiàn)自動輸送分揀系統(tǒng)的控制功能。 在梯形圖中，包含各種邏輯元件，如觸發(fā)器、計時器、計數(shù)器等，來實現(xiàn)各種控制功能。 此外，還需要進(jìn)行組態(tài)設(shè)計來實現(xiàn)上位機監(jiān)控功能。通過與PLC 的通信，組態(tài)軟件可以實時獲取PLC 中的數(shù)據(jù)，顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)和參數(shù)。 通過組態(tài)界面的設(shè)計，可以實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的監(jiān)控、設(shè)定和控制，以及對整個自動輸送分揀系統(tǒng)的可視化管理。 具體實現(xiàn)時，設(shè)計系統(tǒng)支持與不同類型的PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器及數(shù)據(jù)采集板卡等進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，支持多種通信接口（如串口、USB 接口、以太網(wǎng)、總線等），以實現(xiàn)各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。 并且，外部設(shè)備可作為本系統(tǒng)的外設(shè)使用，如PLC、儀表、模塊、變頻器、板卡等，同時也可以與其他軟件程序交換數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)更靈活的應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)處理需求。 在系統(tǒng)的運行監(jiān)控界面上，用戶可以方便地觀察傳送帶電機的運行狀態(tài)、傳感器狀態(tài)及氣缸動作指示，同時能夠通過界面進(jìn)行流水線的啟動和暫停等操作，為用戶提供實時、準(zhǔn)確的監(jiān)控和控制功能。

3.3 預(yù)期實現(xiàn)效果

預(yù)計上線后，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)可以對1 000 ～1 500 個快遞件進(jìn)行分揀，可以分類的快遞件包括紙箱、袋子和信封等，可以分類不同形狀、尺寸和類型快遞件，分揀設(shè)計最高承重50 kg。 軟件系統(tǒng)上能夠與中轉(zhuǎn)站的企業(yè)資源計劃（enterprise resource planning，ERP）、制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，MES）等多種軟件系統(tǒng)對接，并可以實時監(jiān)測分揀線動態(tài)。

4 結(jié)語

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用PLC 作為控制核心，結(jié)合條形碼技術(shù)和電子傳感器技術(shù)對快遞分揀控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，以期實現(xiàn)快遞分揀自動化和智能化，幫助快遞企業(yè)實現(xiàn)快遞物流的自動化控制，提高物流運輸過程的自動化水平和運行效率。 相信隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展和電商業(yè)務(wù)的興起，對于高效、準(zhǔn)確的分揀系統(tǒng)的需求日益增加，也為自動化分揀系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的市場機會，未來可以在人工智能、機器視覺和機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域?qū)ψ詣踊謷到y(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步創(chuàng)新。