摘要：本文介紹基于臺達PLC平臺的自動分揀系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。該系統(tǒng)是針對快遞包裹分類而設計，具有實時、快速分類，監(jiān)控、報警等功能。為實現(xiàn)該功能，提出了一種基于機器視覺、臺達PLC控制技術(shù)、HMI人機界面的分類方法，利用工業(yè)總線技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，并與上層管理系統(tǒng)實現(xiàn)交互。該系統(tǒng)具有較強的靈活性，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)絡拓撲結(jié)構(gòu)，子系統(tǒng)各部分功能，硬件、軟件的實現(xiàn)，對自動分揀系統(tǒng)設計具有較強的參考意義。

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

1引言

隨著社會經(jīng)濟和人民生活水平的提高，在電子商務的帶動下，網(wǎng)絡購物快遞投送成為生活中必不可少的途徑，并且規(guī)模也不斷擴大，如單就淘寶而言，13年“雙11”交易量同比12年增幅高達70%。在如此快的增幅下，快遞總量也呈現(xiàn)井噴式增長。同時，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，公司間競爭能力差。快遞分類所用時間占快遞分類投送總時間較大一部分，使得快遞員單位時間內(nèi)投送快遞受到較限制。這就使得自動分揀技術(shù)成為企業(yè)的唯一選擇。

針對上述問題，本文提出一中全新的自動分類系統(tǒng)，對快遞進行詳細分類，極大的提高了分類效率，節(jié)省了勞動力資源。利用工業(yè)以太網(wǎng)總構(gòu)建整個分類系統(tǒng)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)度。網(wǎng)絡中，在分揀線入口處，利用攝像頭對快遞進行識別處理，提取必要信息，存儲在網(wǎng)絡主機中。各子系統(tǒng)根據(jù)設定參數(shù)和快遞信息進行逐級分類。HMI設置對各個子系統(tǒng)參數(shù)，并監(jiān)控和統(tǒng)計異常情況，達到一定程度，報警并反饋給管理級主機系統(tǒng)。

2工藝流程

整個分揀過程工藝流程如圖1所示。包裹進入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過信息采集環(huán)節(jié)。信息采集環(huán)節(jié)利用高清攝像頭和機器視覺相關(guān)算法[2]，提取包裹的必要信息，如發(fā)送地點(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。在檢測過程中，可能出現(xiàn)由于磨損等原因造成包裹信息無法正常提取等現(xiàn)象，對于這類情況按照異常處理，將他們單獨分類，當積累到一定數(shù)量時，通知工作人員采用人工分揀。分類子系統(tǒng)根據(jù)設定分類信息對包裹進行分類，分類完畢后分別送入下一子系統(tǒng)，進行更為詳細的分類。分類完畢，包裹分別送入不同的倉庫，以備送出。對于PC中提取的包裹信息，可以導入快遞員手機，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)分類的粗細程度，可不予設計。圖中各分類子系統(tǒng)屬于同一級別，不是“父子”關(guān)系。

3網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

圖1中各子系統(tǒng)和PC通過網(wǎng)絡相連。圖2為系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

圖2系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡可分為兩級：管理級、現(xiàn)場級。兩級之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)交互。

3.1管理級

管理級由全程監(jiān)控PC機和服務器組成。

PC機完成整個系統(tǒng)的監(jiān)控，現(xiàn)場級系統(tǒng)設備的調(diào)度和管理?？梢詫π畔?shù)據(jù)進行處理，如打印、統(tǒng)計等。服務器存放各包裹的歷史數(shù)據(jù)，并含有當前操作的包裹的實時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可按一定方式導出，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，及時到指定地點取貨。

3.2現(xiàn)場級

現(xiàn)場級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，指揮臺達PLC按照設定動作進行響應，以實現(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與臺達PLC用485總線完成互連，實現(xiàn)信息交換。

工作人員可設定HMI中分類信息，如分類地點的詳細程度(省、市等)。并與PLC通信，使得PLC根據(jù)這些信息進行相應的響應。

PLC根據(jù)從HMI獲得的信息，控制電機帶動傳送帶運作，實現(xiàn)包裹的分離。臺達PLC，編程簡單，使用靈活，同時穩(wěn)定性也較高，可以很好的控制電機的運行，達到精確推送快遞的目的。若有多個子系統(tǒng)，包裹可有傳送帶送入下一分類子系統(tǒng)，實現(xiàn)“再”分類。

4具體實現(xiàn)

圖3展示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。圖中僅畫出一個子系統(tǒng)。本系統(tǒng)功能強大，經(jīng)濟實惠，能夠準確、高效的對包裹進行分類。

圖3系統(tǒng)框圖

4.1傳感器

傳感器部分完成對包裹信息的采集和處理。攝像頭對包裹進行拍照，并將像素數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器對數(shù)據(jù)進行相關(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，對這些數(shù)據(jù)進行組織，按照一定一定協(xié)議發(fā)送給PC機，PC機則根據(jù)協(xié)議進行解析。

傳感器采用羅技C310網(wǎng)絡高清攝像頭，像素可達300萬，30幀每秒。完全滿足識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720MHz，處理性能最高可達5760MI/s，含專門硬件乘法器，采用流水線結(jié)構(gòu)，并且有豐富的外設接口，可接多路、多種外設，如可連3路攝像頭。

圖像識別可分為以下幾步：

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

(2)版面分析與理解：對快遞單圖像進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)版面的信息和先驗知識初步判斷整個版面基元的信息。對于一般的快遞單來說，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。通過文字識別和數(shù)字識別算法對收件人信息提取。并且對比收件人地址和郵編是否一致。對收件人地址信息進行逐級提取，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。通過PC機和相應HMI，指揮PLC控制電機運轉(zhuǎn)，對該包裹進行處理。

4.2PC及服務器

PC機實現(xiàn)監(jiān)控，服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存。采用普通PC和服務器即可滿足要求。

PC機監(jiān)控可采用北京昆侖通態(tài)自動化軟件公司研發(fā)的基于Windows平臺的組態(tài)軟件MCGS。MCGS用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。通過與其他相關(guān)的硬件設備結(jié)合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設備。

本應用中，數(shù)據(jù)量不大，可采用小型數(shù)據(jù)庫即可，如Access[3]、SQL。Access是微軟把數(shù)據(jù)庫引擎的圖形用戶界面和軟件開發(fā)工具結(jié)合在一起的一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，擁有的報表創(chuàng)建功能能夠處理任何它能夠訪問的數(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，起到設定參數(shù)和監(jiān)控的作用，可以采用臺達或昆侖通態(tài)的HMI人機界面。根據(jù)生產(chǎn)工藝的控制要求進行界面設計，并做好相關(guān)設定，編譯下載到HMI中。

參考界面結(jié)構(gòu)如圖4所示。一級菜單有4個，每個菜單有對應的子菜單。

(1)主菜單下子菜單控制系統(tǒng)的啟動、復位和停止或緊急停止；

(2)信息錄入菜單在系統(tǒng)啟動前完成，需錄入當前子系統(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，錄入電機編號，電機編號應與省份編號一一對應。省份個數(shù)不應超過分類的條目數(shù)；

(3)異常情況下監(jiān)控HMI下各PLC的運行情況，查看PLC有無死機等異常；

(4)監(jiān)控界面監(jiān)控當前分類快遞信息，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)計信息。

圖4HMI畫面結(jié)構(gòu)

利用組態(tài)軟件開發(fā)人機界面，方便快捷有效。如果需求有所變動，則能夠快速開發(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)核心部件采用臺達可編程邏輯控制器(PLC)。臺達PLC以高速、穩(wěn)健、高可靠度應用于許多工業(yè)自動化機械上；除了具有快速執(zhí)行邏輯運算、豐富指令集、多元擴展功能卡及高性價比等特色外，并且支持多種通訊規(guī)范，使工業(yè)自動控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體。圖5為臺達DVP-PM系列PLC。

圖5臺達PLC

臺達PLC很好的支持梯形圖編程語言。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，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。分揀系統(tǒng)子系統(tǒng)中工藝比較簡單，可以利用梯形圖的步進順控指令實現(xiàn)。其特點和優(yōu)勢如下：

(1)分解復雜的控制問題，各個擊破；

(2)各狀態(tài)間不耦合，編程簡單直觀，便于理解；

(3)步進順控指令可以減少程序的掃描周期；

針對本子系統(tǒng)設計簡單的事例狀態(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)獲得的當前快遞的省份地址信息檢測是否匹配當前狀態(tài)。如匹配，則啟動對于電機帶動推桿將快遞推送至對于倉庫或者下一分類子系統(tǒng)入口傳送帶。當推送完畢，則電機反轉(zhuǎn)，帶動推桿歸位，準備下次推送。

圖中僅僅是給一個例子，實際中可根據(jù)具體需求情況設定匹配條件。

4.5電機

執(zhí)行器采用步進電機即可，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)實現(xiàn)包裹省級分類，根據(jù)檢測提取到快遞的“省級”信息時，當快遞在傳送帶上運動到一定的位置時，則控制相應電機推動Mn將快遞推送到存放該省快遞的倉庫或下一分類子系統(tǒng)。如果要求快遞進一步分類，則對于省位置需安置通往該子系統(tǒng)的傳送帶，以實現(xiàn)下一級的分類。

5結(jié)束語

該系統(tǒng)以臺達PLC為核心，結(jié)合機器視覺、電機位置控制技術(shù)，使得整套控制系統(tǒng)具有自動化程度高、運行穩(wěn)定、分揀精度高、以控制和拓展等優(yōu)點。同時，本系統(tǒng)還可以加多路傳感器，實現(xiàn)更加復雜的功能，具有廣闊的前景。

快遞自動分揀系統(tǒng)改變了快遞公司人工分揀的工作方式，實現(xiàn)了自動化，極大地提高了工作效率。未來，隨電子商務的進一步發(fā)展，快遞行業(yè)必然蓬勃發(fā)展，自動分揀技術(shù)也必將顛覆傳統(tǒng)人工分揀技術(shù)。

參考文獻

[1]潘峰.工廠自動化物流控制系統(tǒng)的設計[J].電氣時代，2008(5):9-11.

[2]楊碧玉.基于PLC、視覺系統(tǒng)和機器人的全自動化生產(chǎn)線設計[J].中國知網(wǎng)，2012.

[3]訾秀玲.Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)及應用教程[M].北京：清華大學出版社，2007.

[4]三菱公司.FX2N三菱PLC說明書、三菱PLC使用手冊[Z].

[5]陳立定，吳玉香.電氣控制與可編程控制器[D].廣州：華南理工大學，2001.