基于PLC 和條形碼識別的快遞分揀控制系統研究與設計

楊千偉

（池州學院機電工程學院 安徽 池州 247000）

0 引言

電子商務以其便利性、品類多、價格等方面的優勢取得快速發展，電子商務行業發展迅速帶動快遞行業市場發展，快遞分揀作為快遞運輸的重要環節，對快遞行業有著重要意義。 但是與整個物流業的大環境相比，我國在自動化分揀控制領域的研究和創新還相對較少，很多關鍵技術和設備仍需要引進或依賴進口，在工程應用方面，我國自動化分揀系統的推廣應用還相對較少，仍有一定的市場空白，并且缺乏一套完整的標準和規范體系，給設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達國家，運用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、條碼識別技術、計算機聯網等技術手段為主，或者以先進的機器視覺技術為核心，聯合物聯網、智能傳感器、計算機等技術手段構建了高度自動化、高效、精準的物流分揀體系，在自動化、智能化、專業化等方面，西方國家的快遞分揀控制系統已經處于領先地位。 因此，本文結合國內物流配送中心的自身特點，基于PLC 和條形碼識別技術，結合控制系統、掃碼儀、紅外掃描系統、電動或氣動運輸帶、快遞客戶端，在控制系統的作用下將不同種類的包裹進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，從而幫助企業降低成本、提高效率［1－2］。

1 應用技術理論基礎

1.1 PLC

PLC 是一種工業自動化控制系統中廣泛應用的計算機技術，通常用于控制工業過程中的機械設備和工藝，以完成生產流程中的自動化操作。 PLC 采用通用的編程語言進行編程，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、穩定性和實時性等特點。 它可以檢測輸入信號，經過內部算法處理后，輸出控制信號，實現對機器人、工廠自動化生產線等設施的精準控制。 在快遞分類運輸控制系統中PLC 可以檢測運輸、分類、分揀、裝卸等環節中的各種信號，連接輸送帶、傳送機械臂等設備，實現物流運輸過程中設備的自動化控制，最后根據設定的分類規則和物流信息，實現對快遞商品的自動分類和分揀［3］。

1.2 條形碼識別技術

在中國快遞行業的識別技術應用中，既有條形碼又有二維碼，但條形碼仍然占據絕對的市場份額，這是因為二維碼顯示的信息更加復雜，尺寸較大，對印刷貼附的要求也更高，需要更加精準的圖像處理技術和掃描設備。 相比較而言，條形碼的識別技術成熟度更高、兼容性更好、成本更低，因此在快遞領域仍然保持著絕對的市場優勢。 條形碼識別技術是指通過對掃描設備上的條形碼進行掃描和解碼，對標簽上的信息進行讀取和識別的過程。 在條形碼識別技術中，主要包括圖像處理、解碼算法、數據存儲和應用等過程。 圖像處理是條形碼識別技術的關鍵環節，其主要目的是將條形碼所在的圖像區域進行定位和分割，以便進行后續的解碼處理。 常用的圖像處理方法包括濾波、邊緣檢測、二值化、形態學處理等，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。 在快遞件進入分揀控制系統前，假設已經使用壓貼式打印貼標機對所有進入傳送帶的快遞件進行貼碼處理。

在本文設計的智能分揀裝置中，條碼數字編號中頭幾位數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，最后一位數字是校驗碼，用來檢驗數字是否正確。 見圖1。

圖1 EAN－13 條碼符號結構圖

1.3 智能分揀裝置掃描分揀工作原理

數據采集系統主要分成三部分：第一部分是快遞件掃描，當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；第二部分是數據處理，圖像分析模塊和圖像處理模塊將會分析包裹信息，對包裹進行分類，向處理模塊傳達指令并上傳到客戶端。 第三部分是分揀操作，執行模塊將核實商品信息，傳達物體實時位置，確定是否撤回或者繼續發送［4］。

2 系統總體架構設計

2.1 需求分析

本文設計的快遞分類運輸控制系統的預期目標如下：

（1）實現全流程自動化控制。 該系統旨在通過自動控制和監測，實現整個快遞物流運輸過程的全流程自動化控制。 （2）提高生產效率。 通過該系統的自動化控制，進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定性，為企業提供高效、穩定、準確的物流服務。

2.2 可行性分析

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

2.3 系統分揀流程設計

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，傳送皮帶恢復運行。 快遞件通過條碼掃描儀掃描后，進入加速區域拉開物體間距，然后進入分揀區，機械臂按照掃碼信息進行后臺分析，控制系統對掃描成功的快遞件按照A、B、C、D 四個分區進行第一次分揀，對于無法識別的快遞，人工進行再次分揀［5］。圖2 為快遞分類運輸控制系統總體流程設計示意圖。

圖2 快遞分類運輸控制系統總體流程設計

2.4 系統分揀技術架構設計

系統技術架構如圖3 所示，本文所設計的系統一側是各個地區快遞存放區域，存放區域與傳送帶之間會有一個滾動式緩坡，每個地區對面會有相應掃描儀和氣缸。 快遞件在傳送帶上進行傳輸，掃描器對快遞件進行掃描，根據條形碼掃碼信息結果，控制系統對氣缸和機械臂控制進行工作，按照掃碼結果對快遞件進行地區分類推送到該區滑槽內，若不是該掃碼地區快遞件則繼續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 自動化生產線分揀技術架構示意圖

3 軟硬件設計

3.1 硬件設計

本文基于PLC 和條形碼識別的快遞分揀控制系統在硬件上主要由識別結構、驅動結構和執行結構三部分組成，如圖4 所示，以下將對各結構組成進行詳細論述［7］。

圖4 系統設計結構

（1）識別結構主要由電磁傳感器、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。 詳細功能應用如表1 所示。

表1 傳感器的類型與功能

識別結構中安裝的條形碼掃描儀主要用于讀取條碼所包含信息，利用光學原理，把條形碼的內容解碼后通過數據線或無線的方式傳輸到電腦或其他設備。

（2）驅動結構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行驅動，通過PLC 實現變頻器對電機速度和轉向的控制。

（3）執行結構主要包括傳送單元、掃碼單元和分揀單元。 傳送單元是自動輸送分揀系統中的核心部件之一，包括輸送帶、滾筒、傳送鏈等輸送裝置，負責物體的輸送；掃碼單元主要對快遞件條形碼信息進行識別，根據條碼進行分類；分揀單元的作用是實現對物件的分揀，由PLC 控制對應的氣動裝置并將其推送到相應區域進行分類，從而保證不同貼碼快遞通過不同的容器分揀歸類。

本文設計的識別與分揀設備均為開關量控制，系統采用西門子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 軟件系統設計

在軟件設計部分，通過使用PLC 梯形圖編程來實現自動輸送分揀系統的控制功能。 在梯形圖中，包含各種邏輯元件，如觸發器、計時器、計數器等，來實現各種控制功能。 此外，還需要進行組態設計來實現上位機監控功能。通過與PLC 的通信，組態軟件可以實時獲取PLC 中的數據，顯示系統的運行狀態和參數。 通過組態界面的設計，可以實現用戶對系統的監控、設定和控制，以及對整個自動輸送分揀系統的可視化管理。 具體實現時，設計系統支持與不同類型的PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器及數據采集板卡等進行數據連接，支持多種通信接口（如串口、USB 接口、以太網、總線等），以實現各種設備之間的數據通信。 并且，外部設備可作為本系統的外設使用，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據，以實現更靈活的應用場景和數據處理需求。 在系統的運行監控界面上，用戶可以方便地觀察傳送帶電機的運行狀態、傳感器狀態及氣缸動作指示，同時能夠通過界面進行流水線的啟動和暫停等操作，為用戶提供實時、準確的監控和控制功能。

3.3 預期實現效果

預計上線后，本文設計的控制系統可以對1 000 ～1 500 個快遞件進行分揀，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，分揀設計最高承重50 kg。 軟件系統上能夠與中轉站的企業資源計劃（enterprise resource planning，ERP）、制造企業生產過程執行系統（manufacturing execution system，MES）等多種軟件系統對接，并可以實時監測分揀線動態。

4 結語

本文以物聯網技術為基礎，采用PLC 作為控制核心，結合條形碼技術和電子傳感器技術對快遞分揀控制系統進行設計，以期實現快遞分揀自動化和智能化，幫助快遞企業實現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。 相信隨著物流行業的快速發展和電商業務的興起，對于高效、準確的分揀系統的需求日益增加，也為自動化分揀系統的發展提供了良好的市場機會，未來可以在人工智能、機器視覺和機器學習等領域對自動化分揀系統的技術進行進一步創新。