基于視覺與PLC的面向物流末端的智能分揀系統*

吳淑梅，張志超，趙劍偉，袁宏杰

（石家莊郵電職業技術學院，石家莊 050010）

0 引言

隨著電子商務的發展，人們的消費習慣產生了巨大的變化，物流服務需求也隨之逐漸增加，每年的快遞數量增速超過100 億件，2020 年快遞業務量達到830 億件。市場需求與競爭的逐步激烈促使物流行業迫切提高分揀效率，進而推動物流自動化水平的不斷提升，隨之自動分揀系統代替了人工分揀方式，在物流分揀作業中應用越來越廣泛。自動分揀系統目前已成為物流配送中心或流通中心必備設施之一。

自動分揀系統具有能連續、大批量地分揀貨物，分揀誤差率極低，分揀作業基本實現無人化等優點，但是目前應用的自動化分揀系統因投資大、占地廣等因素限制了其應用領域，全流程自動分揀并未實現，在快遞末端環節仍以人工分揀為主，影響時效性。本文主要從技術與應用兩個維度出發，設計一款布局靈活、結構優化、分揀效率高的智能分揀設備，解決物流末端產業發展落后，尤其是路段以及縣域分揀中心，其分揀能力與分揀壓力嚴重不符合，沒有適用設備的痛點，解決物流最后環節的分揀時效性問題。

1 系統原理設計

系統工作原理如圖1 所示。工作過程：包裹在供包臺處上包，放置滾筒輸送線上前進，經過置頂高速攝像機視覺檢測區時，攝像機采集條形碼信息，并將信息傳遞給計算機，計算機將信息存入數據庫并傳給新一代寄遞信息系統匹配道段信息，將匹配信息存入計算機數據庫，如果匹配成功，將所得到的位置信息傳遞給控制器PLC，控制器根據反饋信息控制預先設定的道段格口雙軸變頻電機和檢測框，當檢測框中的傳感器檢測到包裹進入時，雙軸變頻電機根據控制器的信號進行正向運轉、反向運轉或不運轉，控制拂手撥叉進行分揀。當雙軸變頻電機正向運轉時，帶動驅動輪轉動，從而帶動張緊輪、下主動輪、上主動輪、下同步輪、上同步輪、下從動輪、上從動輪運轉，帶動拂手連桿向上運動，運動出電動輥筒表面的同時開始水平移動，從而將包裹推向機架的一側；反之，雙軸變頻電機根據控制器的信號進行反向運轉，拂手連桿將包裹推向機架的另一側；當雙軸變頻電機不運轉，即不需要拂手連桿動作時，包裹在電動輥筒轉動的帶動下，落入機架的前方位置，這就實現了包裹向3 個不同方向的分揀。分揀完畢后，撥叉位于滾筒下方等待下一次控制信息。分揀機可以為多臺并聯時，可以實現多個拂手連桿對包裹的分揀，達到將包裹進行多個方向分揀的目的。

圖1 拂手式分揀機工作原理

2 系統方案設計

智能分揀系統主要由信息系統和PLC 控制系統兩個部分組成，其系統的設計方案如圖2 所示。

圖2 系統設計方案

2.1 信息系統

信息系統主要包含視覺系統、數據庫信息、新一代寄遞平臺信息互通3 個部分。視覺系統具有圖像采集、圖像處理和圖像傳輸功能，選用海康MD 系列高速攝像機并配置鏡頭、光源、光源控制器、視覺控制器進行圖像采集。圖像處理部分應用海康配套機器視覺算法包，快速靈活準確獲取包裹條碼數據。包裹條碼數據存儲到主控計算機的數據庫內，并通過計算機上傳給新一代寄遞信息平臺，平臺具有信息反饋功能，獲取包裹具體地址信息用于分揀系統的分揀作業。

2.2 PLC控制系統

圖3 所示為分揀控制系統，PLC 控制系統控制器采用西門子S7-1200 PLC 控制器，是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI 和網絡通信等任務。控制器實現了模塊化和緊湊型設計，功能強大、可擴展性強、靈活度高的設計，可實現最高標準工業通信的通信接口以及一整套強大的集成技術功能，成為完整、全面的自動化解決方案的重要組成部分。PLC控制器通過與主控計算機通信獲取包裹信息，紅外對射光幕為控制器輸入獲取包裹位置信息，變頻器、滾筒電機、警示燈等作為輸出執行部件，按照PLC控制指令動作。

圖3 分揀控制系統

3 硬件設計

系統硬件分為控制檢測部分、電氣部分和機械執行部分。

（1） 控制檢測部分硬件主要由上位機、視覺系統、光電檢測和PLC 組成，控制器PLC 與變頻器和上位機之間有著密切的聯系，控制器作為整體系統的控制核心，對整體自動分揀系統進行控制，變頻器則主要是對減速電機的速度進行調控，上位機則是實現人與整個自動控制系統的人機交互，通過上位機，可以人為的對分揀方案和分揀信息等進行人為的設定。同時上位機也可以實時的監控整體自動分揀系統的運行狀態。圖4 所示為分揀硬件機構。

圖4 分揀硬件結構

（2） 電氣部分主要是485 通信模塊、電氣開關、開關電源、電磁傳感器、變頻器等電氣元件組成，是智能分揀系統的重要組成部分。圖5 所示為分揀控制部分電氣接線圖。

圖5 部分控制接線

（3） 機械執行部分主要由驅動傳送的動力滾筒、控制電機的變頻器等構成。其中變頻器控制電機帶動的是拂手撥叉，是分揀系統創新設計，使分揀效率提升的關鍵所在。

圖6 所示為拂手撥叉結構，當雙軸變頻電機正向運轉時，帶動驅動輪轉動，從而帶動張緊輪、下主動輪、上主動輪、下同步輪、上同步輪、下從動輪、上從動輪運轉，帶動拂手連桿向上運動，運動出電動輥筒表面的同時開始水平移動，從而將包裹推向機架的一側；反之，雙軸變頻電機根據控制器的信號進行反向運轉，拂手連桿將包裹推向機架的另一側；當雙軸變頻電機不運轉，即不需要拂手連桿動作時，包裹在電動輥筒轉動的帶動下，落入機架的前方位置。

圖6 拂手撥叉結構

4 軟件設計

此系統的軟件設計主要包含條碼信息處理和智能分揀控制。

（1）條碼信息處理

包裹條碼信息識別流程如圖7所示。經過對比研究，本部分的視覺系統選用海康視覺設備，該設備提供視覺設備參數設置和虛擬串口。用java 編寫程序軟件自動讀取虛擬串口信息，并存儲在SQL 數據庫中。開發的java程序軟件將信息與新一代寄遞平臺（郵件信息中心）對接，獲取物理地址信息，存儲在數據庫中，以便控制系統讀取調用。

圖7 包裹信息識別流程

具體程序操作如下：腦啟動后，系統自動加載落格后臺程序，雙擊啟動掃碼識別程序（落格程序2），如圖8 所示；程序啟動后，進入頁面，輸入工號、密碼、班次登錄郵件分揀，如圖9 所示；點擊菜單分揀機，郵件分揀進入掃碼頁面如圖10 所示；操作完畢后，即可打開控制線鑰匙開關，設備啟動上電后，紅燈停止閃爍后，綠燈1s 閃爍時可按下啟動按鈕啟動分揀輸送。程序除去分揀信息預處理功能外還具備查詢統計、落格統計和數據維護功能，方便作業。

圖8 程序圖標

圖9 分揀軟件界面

圖10 操作界面

（2）智能分揀控制系統

該部分主要由接口與參數配置和PLC 程序編寫兩大部分組成。接口配置是在PLC 配置目錄下，設置相關參數，實現PLC 與PLC、PLC 與上位機通信。設置變頻器、電動滾筒相關運行參數。在博圖環境下編寫PLC 分揀控制程序，具體分揀控制流程如圖11所示。

圖11 分揀控制流程

4 分揀系統應用驗證及結果分析

智能拂手式分揀機系統設計制作調試完畢后在欒城郵政公司分揀車間作業運行。目前欒城共有投遞道段23個，由于現有試驗設備只有5 段分揀機（有11 個格口），目前只分揀郵件量相對較多城區之外的鄉郵郵件，城區郵件進入收容格口，人工分揀。

設備操作簡單，基本不用專門培訓既能上手操作，自動化程度較高，可操作性較好。實際郵件分揀效率在3 600 件∕h 左右。郵件的識別率基本在93%以上。未識別郵件進入收容格口，人工分揀。設備運行反饋良好，得到企業的一致認可。

智能分揀系統具有如下特點。

（1）一少：占地少。每一段分揀機長只有0.764 m、寬0.718 m。僅一塊兒瓷磚的大小。非常適合縣域、區域部署使用。

（2）二高：效率及可靠性高。一人操作，每小時可分揀4 000 件以上；箱體、軟包、薄壁等郵件都能順利分揀；設備結構簡潔，易損件少，設備可靠性極高。

（3）三低：低功耗、低成本、低噪聲。以20格口分揀為例，系統功耗2 kW 左右；設備投資低，可大面積部署使用；設備運行平穩，噪聲極低。

5 結束語

本文中的智能拂手式分揀系統是為解決基于現有的分揀設備現狀——占地大、價格昂貴、維護費用高、縣或區域及小型快遞企業無法承擔昂貴的分揀設備成本、無適宜的分揀設備可用等問題。模塊化機構在保證節省空間、靈活布置的同時，也保證了分揀效率; 拂手結構創新設計，反應迅速、易控制、實現雙側分揀節省空間;整個結構以普通的帶傳動設計，原理簡單，成本較低。整個系統各部分的速度設計合理，使得各部分協調運行且不會發生碰撞，因而可以做到各部分協調配合的高速工作。整套裝置設計新穎，部署應用至今得到企業認可好評，多家企業均迫切需求部署研發分揀設備。拂手式分揀機因需而生，前景廣闊。