王祥傲，何 想，郭建勇，張國(guó)棟，徐 昊

(滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽滁州 239000)

0 引言

改革開放以來，國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展顯著提高了人民的生活水平，我國(guó)業(yè)已成為全球規(guī)模最大的單一內(nèi)需市場(chǎng)，而互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)和移動(dòng)支付技術(shù)的普及正在改變?nèi)藗兊南M(fèi)習(xí)慣，并催生了龐大的電子商務(wù)市場(chǎng)和物流產(chǎn)業(yè).電商市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展對(duì)物流運(yùn)輸效率的要求越來越高，推動(dòng)了物流行業(yè)的快速發(fā)展與不斷進(jìn)步，物流自動(dòng)化中自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2].自動(dòng)識(shí)別技術(shù)利用機(jī)器視覺快速檢測(cè)和識(shí)別商品外包裝上的條碼信息并與計(jì)算機(jī)或控制器實(shí)現(xiàn)信息交互，是信息數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)讀、自動(dòng)存儲(chǔ)的重要手段，其在物流管理工作中的合理應(yīng)用，可以有效提高物流效率.其中，條形碼成本低、識(shí)別速度快，是物流行業(yè)使用最普遍的信息載體[3].

在物流倉(cāng)儲(chǔ)管理方面，目前國(guó)內(nèi)除了少數(shù)資金雄厚的大型企業(yè)具有自動(dòng)化程度高的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)，很多中小型企業(yè)仍舊采用人工倉(cāng)儲(chǔ)信息管理的傳統(tǒng)方式.這種方式不僅勞動(dòng)強(qiáng)度高，物流信息追溯困難，而且會(huì)因人為因素造成信息誤處理，導(dǎo)致整體效率偏低，已不能適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)[4-5].為進(jìn)一步提高物流效率、減少人為誤操作、降低人工成本，設(shè)計(jì)了以PLC為控制器、由工業(yè)相機(jī)、LabVIEW圖像處理軟件、組態(tài)王和以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成的貨物自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠快速準(zhǔn)確地采集貨物外包裝上的條碼信息然后進(jìn)行自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和條碼信息的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)、歷史查詢等功能，對(duì)于提高中小型物流企業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)管理自動(dòng)化水平具有較高的實(shí)用意義.

1 倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的貨物自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)站的主要硬件組成包括：三級(jí)傳送帶、三只紅外檢測(cè)傳感器、一臺(tái)海康威視工業(yè)相機(jī)、環(huán)形光源、一臺(tái)堆垛機(jī)和倉(cāng)儲(chǔ)貨架，圖1為本設(shè)計(jì)的倉(cāng)儲(chǔ)站點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖.系統(tǒng)啟動(dòng)后，入庫(kù)傳送帶將貨物傳送至視覺檢測(cè)站點(diǎn)，傳感器1檢測(cè)貨物到位后，發(fā)送到位檢測(cè)信號(hào)至PLC，PLC隨即觸發(fā)工業(yè)相機(jī)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(shí)別條碼信息.圖像處理單元識(shí)別完畢后，發(fā)送反饋信號(hào)至PLC，PLC接收反饋信號(hào)后驅(qū)動(dòng)傳送帶將貨物運(yùn)送至入庫(kù)點(diǎn).傳感器2檢測(cè)貨物到位后，將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給PLC，由PLC驅(qū)動(dòng)堆垛機(jī)運(yùn)行，將貨物搬運(yùn)至貨架上的對(duì)應(yīng)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)，然后復(fù)位堆垛機(jī)，完成一次入庫(kù)操作.

為實(shí)現(xiàn)上述貨物自動(dòng)入庫(kù)管理流程，設(shè)計(jì)了由運(yùn)動(dòng)控制單元、視覺檢測(cè)單元和遠(yuǎn)程監(jiān)控單元和以太網(wǎng)交換機(jī)組成的監(jiān)控系統(tǒng).運(yùn)動(dòng)控制單元以PLC為核心，結(jié)合貨物檢測(cè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)和圖像處理單元的反饋信號(hào)，控制物料傳送帶和堆垛機(jī)的協(xié)調(diào)工作，完成貨物的運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)入庫(kù)；視覺檢測(cè)單元由?？低昅V-CA060工業(yè)相機(jī)、環(huán)形光源和LabVIEW編輯的圖像處理軟件組成，接收PLC的觸發(fā)信號(hào)完成貨物外包裝條形碼圖像采集與識(shí)別，并采用OPC通信方式將貨物信息檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給PLC；遠(yuǎn)程監(jiān)控單元運(yùn)行由組態(tài)王編輯的上位機(jī)監(jiān)控軟件，經(jīng)交換機(jī)與PLC信息交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及貨物信息存儲(chǔ)、顯示和歷史查詢等功能.倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of warehouse monitoring system

2 倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括控制器選型和端子接線圖設(shè)計(jì).PLC是自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，執(zhí)行信息交互、現(xiàn)場(chǎng)控制等核心任務(wù)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的IO設(shè)備數(shù)量和系統(tǒng)功能合理選擇.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)共有8個(gè)DI、8個(gè)DO，沒有模擬量信號(hào)，考慮到控制器需要連接交換機(jī)，因此選用西門子S7-1200系列中的CPU1214C型號(hào)的PLC.該型PLC具有集成度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其本體集成了以太網(wǎng)通信接口，并有14個(gè)DI、10個(gè)DO端子，無需擴(kuò)展即可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，且可以通過擴(kuò)展相應(yīng)模塊滿足今后的功能擴(kuò)展需求.PLC端子接線圖如圖3所示，手自動(dòng)切換開關(guān)用于系統(tǒng)的手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行模式的切換.

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

3 倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

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

PLC啟動(dòng)時(shí)首先完成一次初始化，復(fù)位各內(nèi)部標(biāo)志位寄存器，然后根據(jù)用戶發(fā)出的入庫(kù)或出庫(kù)操作指令自動(dòng)完成貨物出入庫(kù).入庫(kù)模式下，首先啟動(dòng)入庫(kù)傳送帶輸送貨物，當(dāng)傳感器1檢測(cè)到貨物到達(dá)視覺站點(diǎn)時(shí)，停止傳送帶并觸發(fā)相機(jī)以采集貨物外包裝箱上的條形碼圖像，采集的圖像經(jīng)視覺檢測(cè)、識(shí)別后反饋給PLC.PLC接收?qǐng)D像條碼識(shí)別信息后驅(qū)動(dòng)傳送帶輸送貨物進(jìn)入倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域，當(dāng)傳感器2檢測(cè)到位后停止傳送并啟動(dòng)堆垛機(jī)，完成物料搬運(yùn)并入庫(kù).入庫(kù)結(jié)束后堆垛機(jī)復(fù)位，同時(shí)入庫(kù)傳送帶再次啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)入庫(kù)操作.執(zhí)行貨物出庫(kù)操作時(shí)，首先啟動(dòng)堆垛機(jī)，按指定順序移動(dòng)定位、取貨并放置于出庫(kù)傳送帶.PLC控制程序流程如圖4所示.控制程序具有手自動(dòng)運(yùn)行功能，其中手動(dòng)模式用于系統(tǒng)投運(yùn)前的調(diào)試和運(yùn)行中的故障排查，通過現(xiàn)場(chǎng)或上位機(jī)的啟動(dòng)按鈕控制系統(tǒng)做單步運(yùn)行；自動(dòng)運(yùn)行為常態(tài)運(yùn)行模式.

3.2 視覺檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

視覺檢測(cè)單元對(duì)傳送帶上運(yùn)輸貨物的外包裝條形碼圖像進(jìn)行抓拍、識(shí)別，并采用LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽信息讀取功能.圖5為L(zhǎng)abVIEW識(shí)別條碼信息的程序流程圖.視覺檢測(cè)單元接收到PLC發(fā)送的檢測(cè)指令后啟動(dòng)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，相機(jī)采集的圖像傳送至LabVIEW進(jìn)行定位和識(shí)別，識(shí)別后的條形碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)后因數(shù)值過大需拆分為兩部分，然后分別傳送至PLC內(nèi)部存儲(chǔ)單元，供上位機(jī)讀取和保存.

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

圖像中的條形碼信息識(shí)別調(diào)試結(jié)果如圖6所示，可以看出程序能夠準(zhǔn)確識(shí)別圖像不規(guī)則狀態(tài)下的條形碼信息.

PLC與LabVIEW之間的數(shù)據(jù)通信是上位機(jī)實(shí)現(xiàn)貨物信息實(shí)時(shí)檢測(cè)及存儲(chǔ)的關(guān)鍵.本設(shè)計(jì)利用NI OPC Servers軟件建立OPC站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)PLC與LabVIEW之間的數(shù)據(jù)交互[6-7].利用OPC服務(wù)器建立PLC中的識(shí)別信號(hào)變量和條形碼數(shù)據(jù)變量，再通過LabVIEW建立I/O服務(wù)器導(dǎo)入OPC站點(diǎn)中的變量，在LabVIEW程序中調(diào)用相關(guān)變量后，可以分別在PLC和LabVIEW中實(shí)現(xiàn)讀寫操作，完成條碼信息的讀取.

3.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件由組態(tài)王6.55編輯，采用以太網(wǎng)通信方式實(shí)現(xiàn)與PLC的通信.首先在組態(tài)王中新建一個(gè)名為“PLC1200”的設(shè)備，選擇“TCP”通信方式，設(shè)備地址設(shè)置為“192.168.0.2:0”,“192.168.0.2”為PLC實(shí)際使用的IP地址，“0”為CPU模塊的默認(rèn)槽號(hào)，如圖7所示.

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

為了監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)，在組態(tài)王的數(shù)據(jù)詞典中建立I/O變量表，以讀寫PLC的相關(guān)變量值.最后設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面，包括掃碼監(jiān)控畫面、倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控畫面、貨物倉(cāng)儲(chǔ)畫面、實(shí)時(shí)報(bào)表畫面和歷史記錄查詢畫面.掃碼監(jiān)控畫面可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手自動(dòng)切換、遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前讀取的條形碼信息或切換至其他監(jiān)控畫面；倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控畫面和貨物倉(cāng)儲(chǔ)畫面可以對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)作情況進(jìn)行監(jiān)控；實(shí)時(shí)報(bào)表畫面和歷史記錄查詢畫面分別是對(duì)貨物的條形碼信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和查詢站點(diǎn)工作歷史數(shù)據(jù).

4 試驗(yàn)測(cè)試

倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試裝置包括工業(yè)相機(jī)、環(huán)形光源、光源控制器、交換機(jī)、S7-1200 PLC和三臺(tái)PC機(jī)(分別運(yùn)行LabVIEW圖像處理軟件、上位機(jī)監(jiān)控軟件和倉(cāng)儲(chǔ)裝置3D仿真模型)，調(diào)試環(huán)境如圖8所示.

圖8 倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Storage monitoring system test platform

圖9為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)上位機(jī)監(jiān)控畫面效果，通過監(jiān)控畫面可以實(shí)時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前讀取的條碼信息以及出入庫(kù)貨物數(shù)量，也可以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的啟停和復(fù)位.

通過主監(jiān)控畫面中的畫面切換按鈕可以切換至其他畫面.圖10為實(shí)時(shí)報(bào)表畫面的運(yùn)行效果.實(shí)測(cè)結(jié)果表明，上位機(jī)監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)顯示貨物外包裝條形碼中包含的全部物流信息.

圖9 主監(jiān)控畫面運(yùn)行效果Fig.9 Operation effect of main monitoring screen圖10 實(shí)時(shí)報(bào)表畫面Fig.10 Real time report screen

5 總結(jié)

傳統(tǒng)的物流倉(cāng)儲(chǔ)依賴人工方式進(jìn)行物料的出入庫(kù)操作，效率低下、溯源困難且容易因人為因素導(dǎo)致信息統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤，已不能適應(yīng)快速發(fā)展的市場(chǎng)需要.本設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺和PLC的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于物流倉(cāng)儲(chǔ)，通過工業(yè)相機(jī)和LabVIEW組成的視覺檢測(cè)單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物料信息的快速識(shí)別檢測(cè)，克服了人為因素導(dǎo)致的信息統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤；利用OPC通信方式實(shí)現(xiàn)視覺檢測(cè)單元與PLC之間的數(shù)據(jù)交互，保證了通信的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性；通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)操作的遠(yuǎn)程監(jiān)控和物料信息的存儲(chǔ)、歷史查詢，對(duì)于提高倉(cāng)儲(chǔ)效率、提升倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)自動(dòng)化水平有積極的參考價(jià)值.