基于機(jī)器視覺和PLC的自動(dòng)倉儲監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王祥傲，何 想，郭建勇，張國棟，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，我國業(yè)已成為全球規(guī)模最大的單一內(nèi)需市場，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)市場和物流產(chǎn)業(yè).電商市場的蓬勃發(fā)展對物流運(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)識別技術(shù)和自動(dòng)倉儲技術(shù)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2].自動(dòng)識別技術(shù)利用機(jī)器視覺快速檢測和識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)識讀、自動(dòng)存儲的重要手段，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].

在物流倉儲管理方面，目前國內(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)倉儲管理系統(tǒng)，很多中小型企業(yè)仍舊采用人工倉儲信息管理的傳統(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)激烈的市場競爭[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)倉儲監(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)化倉儲，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、歷史查詢等功能，對于提高中小型物流企業(yè)的倉儲管理自動(dòng)化水平具有較高的實(shí)用意義.

1 倉儲監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的貨物自動(dòng)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(yè)相機(jī)、環(huán)形光源、一臺堆垛機(jī)和倉儲貨架，圖1為本設(shè)計(jì)的倉儲站點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖.系統(tǒng)啟動(dòng)后，入庫傳送帶將貨物傳送至視覺檢測站點(diǎn)，傳感器1檢測貨物到位后，發(fā)送到位檢測信號至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別條碼信息.圖像處理單元識別完畢后，發(fā)送反饋信號至PLC，PLC接收反饋信號后驅(qū)動(dòng)傳送帶將貨物運(yùn)送至入庫點(diǎn).傳感器2檢測貨物到位后，將檢測結(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)至貨架上的對應(yīng)倉儲點(diǎn)，然后復(fù)位堆垛機(jī)，完成一次入庫操作.

為實(shí)現(xiàn)上述貨物自動(dòng)入庫管理流程，設(shè)計(jì)了由運(yùn)動(dòng)控制單元、視覺檢測單元和遠(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(jī)的協(xié)調(diào)工作，完成貨物的運(yùn)輸和倉儲入庫；視覺檢測單元由海康威視MV-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(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、顯示和歷史查詢等功能.倉儲監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 倉儲監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of warehouse monitoring system

2 倉儲監(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)倉儲監(jiān)控系統(tǒng)的核心，執(zhí)行信息交互、現(xiàn)場控制等核心任務(wù)，需要根據(jù)現(xiàn)場的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)場共有8個(gè)DI、8個(gè)DO，沒有模擬量信號，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 倉儲監(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)出的入庫或出庫操作指令自動(dòng)完成貨物出入庫.入庫模式下，首先啟動(dòng)入庫傳送帶輸送貨物，當(dāng)傳感器1檢測到貨物到達(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、識別后反饋給PLC.PLC接收圖像條碼識別信息后驅(qū)動(dòng)傳送帶輸送貨物進(jìn)入倉儲區(qū)域，當(dāng)傳感器2檢測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.入庫結(jié)束后堆垛機(jī)復(fù)位，同時(shí)入庫傳送帶再次啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)入庫操作.執(zhí)行貨物出庫操作時(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 視覺檢測程序設(shè)計(jì)

視覺檢測單元對傳送帶上運(yùn)輸貨物的外包裝條形碼圖像進(jìn)行抓拍、識別，并采用LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽信息讀取功能.圖5為LabVIEW識別條碼信息的程序流程圖.視覺檢測單元接收到PLC發(fā)送的檢測指令后啟動(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)行定位和識別，識別后的條形碼數(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)部存儲單元，供上位機(jī)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(diào)試結(jié)果如圖6所示，可以看出程序能夠準(zhǔn)確識別圖像不規(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)檢測及存儲的關(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中的識別信號變量和條形碼數(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，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(jiān)控現(xiàn)場設(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、倉儲監(jiān)控畫面、貨物倉儲畫面、實(shí)時(shí)報(bào)表畫面和歷史記錄查詢畫面.掃碼監(jiān)控畫面可以對現(xiàn)場進(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；倉儲監(jiān)控畫面和貨物倉儲畫面可以對系統(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)測試

倉儲監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)測試裝置包括工業(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)控軟件和倉儲裝置3D仿真模型)，調(diào)試環(huán)境如圖8所示.

圖8 倉儲監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)平臺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)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前讀取的條碼信息以及出入庫貨物數(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)的物流倉儲依賴人工方式進(jìn)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(dǎo)致信息統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤，已不能適應(yīng)快速發(fā)展的市場需要.本設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺和PLC的自動(dòng)倉儲監(jiān)控系統(tǒng)將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于物流倉儲，通過工業(yè)相機(jī)和LabVIEW組成的視覺檢測單元能夠?qū)崿F(xiàn)對物料信息的快速識別檢測，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)出入庫操作的遠(yuǎn)程監(jiān)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(yè)自動(dòng)化水平有積極的參考價(jià)值.