基于IO-Link技術的散糧智能裝車系統

劉子彬

廣州港新沙港務有限公司

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，已普遍采用連續卸船機、皮帶機等設備進行散糧的卸船、入倉、倒倉等作業，具有較高的作業效率和自動化水平，但在作業流程最后的提貨車輛裝車環節仍存在人力成本高、易發生貨運質量問題、安全隱患大、作業效率低等問題。需要研發一套散糧智能裝車系統，以代替人工操作，消除傳統裝車提貨工藝存在的諸多問題，實現散糧裝車全流程自動化、智能化。

2 設計思路

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→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→⑧車輛出港。

近年來，港口已通過研發車提預約系統、地磅無人值守系統、業務辦單系統等實現了車輛提貨的部分電子化操作，提升了服務質量和作業效率。但上述流程中車輛進出港、過地磅、提貨點確認等環節仍需人工確認車輛信息，車輛裝貨環節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，造成已開發的各生產業務系統仍需人工錄入車輛確認信息，無法發揮系統的最大效能，影響提貨效率、安全和質量。

2.2 車輛信息確認智能化

開發車輛智能識別系統代替倉庫員的人工識別，以實現系統自動判斷車輛是否與生產信息相匹配。綜合應用RFID識別技術、視覺識別技術、網絡通訊技術等構建車輛識別系統，RFID識別和車牌視覺識別的數據交叉互校，確保車輛識別系統的高可靠性，同時將采集的車輛信息與提貨預約子系統、生產業務系統等進行數據交互，并與電子閘口、無人值守地磅、自動裝車系統等無縫對接。在車輛進出電子閘口、地磅及裝車作業點時，將檢測到的車輛信息與系統中預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，裝車作業點將自動進行裝車作業。同時系統內自動生成車輛進出記錄、裝貨量記錄等信息。

2.3 裝車作業智能化

開發自動裝車系統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，為實現精準檢測的目標，選擇合適的傳感器檢測方案尤為關鍵。

2.3.1 檢測方案論證

目前較成熟的檢測技術有機器視覺技術、激光雷達3D建模技術、傳統光電超聲傳感器檢測技術等。

機器視覺技術是通過機器視覺產品(即光源、鏡頭、相機、采集卡)將被拍攝的目標轉換為圖像信號，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的裝載情況，對攝像頭的性能參數及系統算法都有極高要求。

激光雷達3D建模技術是通過雷達發射激光線束,對目標進行探測，獲取點云數據，再通過系統運算處理得到所掃描區域的三維形態。激光雷達能夠準確識別出所掃描區域的具體輪廓、距離，具有分辨率高、體積小、質量輕等優點，但也存在采購成本高，受天氣和工作環境影響大的缺點，在雨霧、風沙等天氣及大粉塵環境下會受到極大的干擾。在散糧裝車作業粉塵環境中，還需對激光雷達獲取的點云數據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，研發成本高、技術難度大。

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

根據上述分析論證，采用傳統的傳感器檢測技術更能有效適應糧食粉塵作業環境，且研發成本低，可大范圍推廣應用于散糧自動裝車系統。

2.3.2 通信方案論證

在傳統的工業自動化控制系統中，傳感器信號都是通過遠程I/O或者擴展I/O，經過轉換之后，傳輸到控制器。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、診斷以及更多信息。除此之外，操作人員需到現場對傳感器、執行器進行檢查、維護、設定，費時又費力。因此，傳統的信號傳輸方式存在數據隔離的弊端。

IO-Link是首個連接工業網絡底層傳感器及執行器的標準化通信協議，使底層設備可以集成到幾乎任何現場總線或者是自動化系統中。IO-Link技術使控制層能夠訪問傳感器、執行器的診斷、過程值、參數等數據信息，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、執行器直接進行參數配置。IO-Link技術消除了傳統工業自動化控制的瓶頸，具有抗干擾能力強、簡化布線網絡、易于維護更換、操作方便、傳感器智能化等優勢。

由于港區裝車作業點數量多、分布廣，且要實現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 自動裝車系統總體設計思路

根據上述檢測方案及通信方案的論證，自動裝車系統設計思路為應用傳感器檢測技術、自動控制技術、物聯網技術、IO-Link通信技術等，通過測量光幕、超聲波傳感器等元器件檢測車輛狀態，判斷車廂實時位置、外形尺寸及散貨裝載情況，并通過IO-Link通信設備將相關檢測數據傳輸至中控PLC系統進行智能算法分析運算和邏輯判斷，最后根據運算結果控制放料閘門、指示燈等執行機構動作，引導不同尺寸規格的車輛，進行閘門自動開關放料等，實現無人自動化裝車。

3 實施方案

3.1 車輛智能識別系統

車輛智能識別系統綜合應用RFID技術和視覺識別技術，主要設備包括監控攝像頭、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，并與各生產業務管理系統進行數據交互對接，形成車輛提貨信息的閉環信息數據鏈，再無需人工現場確認，實現集智能理貨、裝車聯控于一體的完整生產管理系統。

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

系統主要實現功能如下：

(1)與提貨預約系統、生產業務系統、無人值守地磅等形成完整的生產管理閉環數據鏈，實現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)系統可在各生產環節自動對提貨車輛進行識別監控，實現對車輛提貨全流程的自動校驗跟蹤。若系統識別車輛與作業點信息不匹配，相關作業點自動停止工作，同時發出駛離信號，指示車輛離開；若與作業點信息匹配，則向車輛發出通行信號，同時自動啟動電子閘口、無人地磅、自動無人裝車等系統進入工作狀態。

(3)系統根據電子閘口、無人地磅、自動無人裝車點等作業環節的數據，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

3.2.1 傳感器設置方案

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.入口測量光幕發射極 2.入口測量光幕接收極 3.出口測量光幕發射極 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

測量光幕等各現場傳感器經由IO-Link主站統一進行參數設置及數據采集后，通過Profinet總線傳輸至中控PLC系統，中控PLC系統與車輛智能識別等系統通過TCP/IP網絡協議傳輸相關控制信息(見圖2)。

圖2 系統通信連接

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物料裝至設定高度時漏斗停止放料→④車輛點動前行繼續裝載車廂后部空間→⑤車廂全部裝載物料后駛離漏斗。

自動裝車系統通過傳感器檢測及PLC智能算法，實現上述裝車流程各環節的無人自動化作業。

(1)車輛在進入漏斗前由車輛智能識別系統進行信息校驗，若系統核實車輛與漏斗作業信息匹配，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；若系統核實車輛與漏斗作業信息不匹配，則指揮信號燈點亮紅燈，指示車輛離開。

(2)車輛進入漏斗后，自動裝車系統各傳感器開始工作，檢測判斷車廂位置。由于車廂結構具有圍板上邊緣離地高度一致、車廂內底板與圍板上邊緣存在統一高度差等共性特點，本系統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。當漏斗出入口2套測量光幕檢測數據一致、出料口前后2套超聲波傳感器檢測數據一致時，同時測量光幕和超聲波傳感器的檢測數據，若其差值等于車廂深度，系統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據進行比對，當達到設定的裝載高度時，系統自動關閉放料閘門，并控制指揮信號燈點亮黃燈，指示車輛向前移動，以繼續裝載車廂中后部空間(見圖4)。

圖4 車廂內物料檢測原理

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

(4)系統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 系統優點

本項目的研究應用具有以下優點：

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

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

(3)實現自動識別匹配提貨車輛和裝車流程的功能。系統與預約提貨系統、生產業務系統等進行互聯通信，校驗車輛信息，防止出現發錯車、裝錯貨等情況。

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

5 結語

散糧智能裝車系統的研發應用，可有效解決傳統車輛提貨流程人力成本高、安全隱患大、作業效率低、存在貨運質量隱患等問題，提升了企業安全水平和服務質量，為建設智慧型散貨港口提供了可行方案。未來，本系統將聚焦解決裝車動態計量的技術攻關，在已實現自動裝車的基礎上，進一步實現精準裝車，消除車輛返裝返卸問題。