基于機器視覺和PLC的自動倉儲監控系統設計

王祥傲，何 想，郭建勇，張國棟，徐 昊

(滁州學院機械與電氣工程學院，安徽滁州 239000)

0 引言

改革開放以來，國民經濟持續高速發展顯著提高了人民的生活水平，我國業已成為全球規模最大的單一內需市場，而互聯網、智能手機和移動支付技術的普及正在改變人們的消費習慣，并催生了龐大的電子商務市場和物流產業.電商市場的蓬勃發展對物流運輸效率的要求越來越高，推動了物流行業的快速發展與不斷進步，物流自動化中自動識別技術和自動倉儲技術是該領域的研究熱點[1-2].自動識別技術利用機器視覺快速檢測和識別商品外包裝上的條碼信息并與計算機或控制器實現信息交互，是信息數據自動識讀、自動存儲的重要手段，其在物流管理工作中的合理應用，可以有效提高物流效率.其中，條形碼成本低、識別速度快，是物流行業使用最普遍的信息載體[3].

在物流倉儲管理方面，目前國內除了少數資金雄厚的大型企業具有自動化程度高的自動倉儲管理系統，很多中小型企業仍舊采用人工倉儲信息管理的傳統方式.這種方式不僅勞動強度高，物流信息追溯困難，而且會因人為因素造成信息誤處理，導致整體效率偏低，已不能適應激烈的市場競爭[4-5].為進一步提高物流效率、減少人為誤操作、降低人工成本，設計了以PLC為控制器、由工業相機、LabVIEW圖像處理軟件、組態王和以太網交換機構成的貨物自動倉儲監控系統，能夠快速準確地采集貨物外包裝上的條碼信息然后進行自動化倉儲，并且實現遠程監控和條碼信息的實時顯示和存儲、歷史查詢等功能，對于提高中小型物流企業的倉儲管理自動化水平具有較高的實用意義.

1 倉儲監控系統的結構

本設計的貨物自動倉儲站的主要硬件組成包括：三級傳送帶、三只紅外檢測傳感器、一臺海康威視工業相機、環形光源、一臺堆垛機和倉儲貨架，圖1為本設計的倉儲站點結構示意圖.系統啟動后，入庫傳送帶將貨物傳送至視覺檢測站點，傳感器1檢測貨物到位后，發送到位檢測信號至PLC，PLC隨即觸發工業相機采集貨物外包裝上的條形碼圖像并傳輸給圖像處理單元以識別條碼信息.圖像處理單元識別完畢后，發送反饋信號至PLC，PLC接收反饋信號后驅動傳送帶將貨物運送至入庫點.傳感器2檢測貨物到位后，將檢測結果發送給PLC，由PLC驅動堆垛機運行，將貨物搬運至貨架上的對應倉儲點，然后復位堆垛機，完成一次入庫操作.

為實現上述貨物自動入庫管理流程，設計了由運動控制單元、視覺檢測單元和遠程監控單元和以太網交換機組成的監控系統.運動控制單元以PLC為核心，結合貨物檢測傳感器的檢測信號和圖像處理單元的反饋信號，控制物料傳送帶和堆垛機的協調工作，完成貨物的運輸和倉儲入庫；視覺檢測單元由海康威視MV-CA060工業相機、環形光源和LabVIEW編輯的圖像處理軟件組成，接收PLC的觸發信號完成貨物外包裝條形碼圖像采集與識別，并采用OPC通信方式將貨物信息檢測結果發送給PLC；遠程監控單元運行由組態王編輯的上位機監控軟件，經交換機與PLC信息交互，實現遠程監控及貨物信息存儲、顯示和歷史查詢等功能.倉儲監控系統結構如圖2所示.

圖2 倉儲監控系統結構圖Fig.2 Structure diagram of warehouse monitoring system

2 倉儲監控系統硬件設計

硬件設計主要包括控制器選型和端子接線圖設計.PLC是自動倉儲監控系統的核心，執行信息交互、現場控制等核心任務，需要根據現場的IO設備數量和系統功能合理選擇.經統計，現場共有8個DI、8個DO，沒有模擬量信號，考慮到控制器需要連接交換機，因此選用西門子S7-1200系列中的CPU1214C型號的PLC.該型PLC具有集成度高、可擴展性強的優點，其本體集成了以太網通信接口，并有14個DI、10個DO端子，無需擴展即可滿足系統設計要求，且可以通過擴展相應模塊滿足今后的功能擴展需求.PLC端子接線圖如圖3所示，手自動切換開關用于系統的手動/自動運行模式的切換.

圖3 PLC端子接線圖Fig.3 PLC terminal wiring diagram

3 倉儲監控系統軟件設計

3.1 PLC控制程序設計

圖4 PLC控制程序流程圖Fig.4 PLC control program flow chart

PLC啟動時首先完成一次初始化，復位各內部標志位寄存器，然后根據用戶發出的入庫或出庫操作指令自動完成貨物出入庫.入庫模式下，首先啟動入庫傳送帶輸送貨物，當傳感器1檢測到貨物到達視覺站點時，停止傳送帶并觸發相機以采集貨物外包裝箱上的條形碼圖像，采集的圖像經視覺檢測、識別后反饋給PLC.PLC接收圖像條碼識別信息后驅動傳送帶輸送貨物進入倉儲區域，當傳感器2檢測到位后停止傳送并啟動堆垛機，完成物料搬運并入庫.入庫結束后堆垛機復位，同時入庫傳送帶再次啟動，實現循環入庫操作.執行貨物出庫操作時，首先啟動堆垛機，按指定順序移動定位、取貨并放置于出庫傳送帶.PLC控制程序流程如圖4所示.控制程序具有手自動運行功能，其中手動模式用于系統投運前的調試和運行中的故障排查，通過現場或上位機的啟動按鈕控制系統做單步運行；自動運行為常態運行模式.

3.2 視覺檢測程序設計

視覺檢測單元對傳送帶上運輸貨物的外包裝條形碼圖像進行抓拍、識別，并采用LabVIEW軟件編程實現標簽信息讀取功能.圖5為LabVIEW識別條碼信息的程序流程圖.視覺檢測單元接收到PLC發送的檢測指令后啟動工業相機進行圖像采集，相機采集的圖像傳送至LabVIEW進行定位和識別，識別后的條形碼數據轉換為十進制數后因數值過大需拆分為兩部分，然后分別傳送至PLC內部存儲單元，供上位機讀取和保存.

圖5 圖像識別程序流程圖Fig.5 Flow chart of image recognition program

圖像中的條形碼信息識別調試結果如圖6所示，可以看出程序能夠準確識別圖像不規則狀態下的條形碼信息.

PLC與LabVIEW之間的數據通信是上位機實現貨物信息實時檢測及存儲的關鍵.本設計利用NI OPC Servers軟件建立OPC站點實現PLC與LabVIEW之間的數據交互[6-7].利用OPC服務器建立PLC中的識別信號變量和條形碼數據變量，再通過LabVIEW建立I/O服務器導入OPC站點中的變量，在LabVIEW程序中調用相關變量后，可以分別在PLC和LabVIEW中實現讀寫操作，完成條碼信息的讀取.

3.3 上位機監控軟件設計

上位機監控軟件由組態王6.55編輯，采用以太網通信方式實現與PLC的通信.首先在組態王中新建一個名為“PLC1200”的設備，選擇“TCP”通信方式，設備地址設置為“192.168.0.2:0”,“192.168.0.2”為PLC實際使用的IP地址，“0”為CPU模塊的默認槽號，如圖7所示.

圖6 條形碼識別效果Fig.6 Bar code recognition effect圖7 通信連接Fig.7 Communication connection

為了監控現場設備的狀態，在組態王的數據詞典中建立I/O變量表，以讀寫PLC的相關變量值.最后設計監控畫面，包括掃碼監控畫面、倉儲監控畫面、貨物倉儲畫面、實時報表畫面和歷史記錄查詢畫面.掃碼監控畫面可以對現場進行手自動切換、遠程控制、實時顯示當前讀取的條形碼信息或切換至其他監控畫面；倉儲監控畫面和貨物倉儲畫面可以對系統的整體運作情況進行監控；實時報表畫面和歷史記錄查詢畫面分別是對貨物的條形碼信息進行實時顯示和查詢站點工作歷史數據.

4 試驗測試

倉儲監控系統的試驗測試裝置包括工業相機、環形光源、光源控制器、交換機、S7-1200 PLC和三臺PC機(分別運行LabVIEW圖像處理軟件、上位機監控軟件和倉儲裝置3D仿真模型)，調試環境如圖8所示.

圖8 倉儲監控系統試驗平臺Fig.8 Storage monitoring system test platform

圖9為系統運行時上位機監控畫面效果，通過監控畫面可以實時監視現場設備運行狀態、當前讀取的條碼信息以及出入庫貨物數量，也可以遠程控制系統的啟停和復位.

通過主監控畫面中的畫面切換按鈕可以切換至其他畫面.圖10為實時報表畫面的運行效果.實測結果表明，上位機監控軟件可以實時顯示貨物外包裝條形碼中包含的全部物流信息.

圖9 主監控畫面運行效果Fig.9 Operation effect of main monitoring screen圖10 實時報表畫面Fig.10 Real time report screen

5 總結

傳統的物流倉儲依賴人工方式進行物料的出入庫操作，效率低下、溯源困難且容易因人為因素導致信息統計錯誤，已不能適應快速發展的市場需要.本設計的基于機器視覺和PLC的自動倉儲監控系統將機器視覺技術應用于物流倉儲，通過工業相機和LabVIEW組成的視覺檢測單元能夠實現對物料信息的快速識別檢測，克服了人為因素導致的信息統計錯誤；利用OPC通信方式實現視覺檢測單元與PLC之間的數據交互，保證了通信的實時性與準確性；通過上位機監控軟件實現出入庫操作的遠程監控和物料信息的存儲、歷史查詢，對于提高倉儲效率、提升倉儲作業自動化水平有積極的參考價值.