基于IO-Link技術(shù)的散糧智能裝車系統(tǒng)

劉子彬

廣州港新沙港務(wù)有限公司

1 引言

近年來(lái)，在港口、糧庫(kù)、糧食加工廠等散糧物流集散中心，已普遍采用連續(xù)卸船機(jī)、皮帶機(jī)等設(shè)備進(jìn)行散糧的卸船、入倉(cāng)、倒倉(cāng)等作業(yè)，具有較高的作業(yè)效率和自動(dòng)化水平，但在作業(yè)流程最后的提貨車輛裝車環(huán)節(jié)仍存在人力成本高、易發(fā)生貨運(yùn)質(zhì)量問(wèn)題、安全隱患大、作業(yè)效率低等問(wèn)題。需要研發(fā)一套散糧智能裝車系統(tǒng)，以代替人工操作，消除傳統(tǒng)裝車提貨工藝存在的諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)散糧裝車全流程自動(dòng)化、智能化。

2 設(shè)計(jì)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(jìn)港→②車輛過(guò)空磅→③辦理提貨手續(xù)→④車輛提貨點(diǎn)確認(rèn)→⑤車輛裝貨→⑥車輛過(guò)重磅→⑦辦理出港手續(xù)→⑧車輛出港。

近年來(lái)，港口已通過(guò)研發(fā)車提預(yù)約系統(tǒng)、地磅無(wú)人值守系統(tǒng)、業(yè)務(wù)辦單系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)了車輛提貨的部分電子化操作，提升了服務(wù)質(zhì)量和作業(yè)效率。但上述流程中車輛進(jìn)出港、過(guò)地磅、提貨點(diǎn)確認(rèn)等環(huán)節(jié)仍需人工確認(rèn)車輛信息，車輛裝貨環(huán)節(jié)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(kāi)發(fā)的各生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)仍需人工錄入車輛確認(rèn)信息，無(wú)法發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能，影響提貨效率、安全和質(zhì)量。

2.2 車輛信息確認(rèn)智能化

開(kāi)發(fā)車輛智能識(shí)別系統(tǒng)代替?zhèn)}庫(kù)員的人工識(shí)別，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)判斷車輛是否與生產(chǎn)信息相匹配。綜合應(yīng)用RFID識(shí)別技術(shù)、視覺(jué)識(shí)別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等構(gòu)建車輛識(shí)別系統(tǒng)，RFID識(shí)別和車牌視覺(jué)識(shí)別的數(shù)據(jù)交叉互校，確保車輛識(shí)別系統(tǒng)的高可靠性，同時(shí)將采集的車輛信息與提貨預(yù)約子系統(tǒng)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并與電子閘口、無(wú)人值守地磅、自動(dòng)裝車系統(tǒng)等無(wú)縫對(duì)接。在車輛進(jìn)出電子閘口、地磅及裝車作業(yè)點(diǎn)時(shí)，將檢測(cè)到的車輛信息與系統(tǒng)中預(yù)約提貨的車輛信息進(jìn)行匹配，確認(rèn)無(wú)誤后，閘口、平倉(cāng)、地磅出入口將自動(dòng)放行，裝車作業(yè)點(diǎn)將自動(dòng)進(jìn)行裝車作業(yè)。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)生成車輛進(jìn)出記錄、裝貨量記錄等信息。

2.3 裝車作業(yè)智能化

開(kāi)發(fā)自動(dòng)裝車系統(tǒng)代替漏斗操作工人的視覺(jué)觀察，準(zhǔn)確檢測(cè)、判斷、分析車廂的外形尺寸及車廂內(nèi)物料的實(shí)時(shí)裝載情況。由于提貨車輛外形尺寸千差萬(wàn)別，且裝載的散裝糧食粉塵大、流動(dòng)性強(qiáng)，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測(cè)的目標(biāo)，選擇合適的傳感器檢測(cè)方案尤為關(guān)鍵。

2.3.1 檢測(cè)方案論證

目前較成熟的檢測(cè)技術(shù)有機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、激光雷達(dá)3D建模技術(shù)、傳統(tǒng)光電超聲傳感器檢測(cè)技術(shù)等。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品(即光源、鏡頭、相機(jī)、采集卡)將被拍攝的目標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)，最后傳送給機(jī)器視覺(jué)軟件進(jìn)行圖像分析處理，代替人眼的測(cè)量、檢測(cè)和判斷。而由于玉米等散裝糧食貨類在裝車過(guò)程中存在較多粉塵擴(kuò)散，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)拍攝的圖像受粉塵遮擋影響，無(wú)法可靠分析判斷物料在車廂內(nèi)的裝載情況，對(duì)攝像頭的性能參數(shù)及系統(tǒng)算法都有極高要求。

激光雷達(dá)3D建模技術(shù)是通過(guò)雷達(dá)發(fā)射激光線束,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)算處理得到所掃描區(qū)域的三維形態(tài)。激光雷達(dá)能夠準(zhǔn)確識(shí)別出所掃描區(qū)域的具體輪廓、距離，具有分辨率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，但也存在采購(gòu)成本高，受天氣和工作環(huán)境影響大的缺點(diǎn)，在雨霧、風(fēng)沙等天氣及大粉塵環(huán)境下會(huì)受到極大的干擾。在散糧裝車作業(yè)粉塵環(huán)境中，還需對(duì)激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)針對(duì)性研究降噪算法，消除粉塵噪點(diǎn)后才能獲得車輛裝載的真實(shí)情況，研發(fā)成本高、技術(shù)難度大。

傳統(tǒng)的傳感器檢測(cè)技術(shù)中，超聲波傳感器對(duì)金屬或非金屬物體、固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測(cè)，其檢測(cè)性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天；紅外傳感器對(duì)粉塵環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不易被粉塵干擾阻礙產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

根據(jù)上述分析論證，采用傳統(tǒng)的傳感器檢測(cè)技術(shù)更能有效適應(yīng)糧食粉塵作業(yè)環(huán)境，且研發(fā)成本低，可大范圍推廣應(yīng)用于散糧自動(dòng)裝車系統(tǒng)。

2.3.2 通信方案論證

在傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，傳感器信號(hào)都是通過(guò)遠(yuǎn)程I/O或者擴(kuò)展I/O，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換之后，傳輸?shù)娇刂破?。在這種通信模式下控制器只能單向獲取傳感器測(cè)量值，無(wú)法獲取傳感器的參數(shù)、診斷以及更多信息。除此之外，操作人員需到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傳感器、執(zhí)行器進(jìn)行檢查、維護(hù)、設(shè)定，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。因此，傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式存在數(shù)據(jù)隔離的弊端。

IO-Link是首個(gè)連接工業(yè)網(wǎng)絡(luò)底層傳感器及執(zhí)行器的標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，使底層設(shè)備可以集成到幾乎任何現(xiàn)場(chǎng)總線或者是自動(dòng)化系統(tǒng)中。IO-Link技術(shù)使控制層能夠訪問(wèn)傳感器、執(zhí)行器的診斷、過(guò)程值、參數(shù)等數(shù)據(jù)信息，解決了控制層和傳感器層的信息隔離，并且傳輸過(guò)程是雙向的，控制器可以向傳感器、執(zhí)行器直接進(jìn)行參數(shù)配置。IO-Link技術(shù)消除了傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化控制的瓶頸，具有抗干擾能力強(qiáng)、簡(jiǎn)化布線網(wǎng)絡(luò)、易于維護(hù)更換、操作方便、傳感器智能化等優(yōu)勢(shì)。

由于港區(qū)裝車作業(yè)點(diǎn)數(shù)量多、分布廣，且要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝車功能對(duì)傳感器智能化控制有極高要求，因此選用IO-Link技術(shù)可以滿足裝車自動(dòng)化的各項(xiàng)功能要求。

2.3.3 自動(dòng)裝車系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上述檢測(cè)方案及通信方案的論證，自動(dòng)裝車系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為應(yīng)用傳感器檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、IO-Link通信技術(shù)等，通過(guò)測(cè)量光幕、超聲波傳感器等元器件檢測(cè)車輛狀態(tài)，判斷車廂實(shí)時(shí)位置、外形尺寸及散貨裝載情況，并通過(guò)IO-Link通信設(shè)備將相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至中控PLC系統(tǒng)進(jìn)行智能算法分析運(yùn)算和邏輯判斷，最后根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制放料閘門、指示燈等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，引導(dǎo)不同尺寸規(guī)格的車輛，進(jìn)行閘門自動(dòng)開(kāi)關(guān)放料等，實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化裝車。

3 實(shí)施方案

3.1 車輛智能識(shí)別系統(tǒng)

車輛智能識(shí)別系統(tǒng)綜合應(yīng)用RFID技術(shù)和視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，主要設(shè)備包括監(jiān)控?cái)z像頭、RFID讀寫器、RFID天線、紅外檢測(cè)器、交通燈、工控機(jī)、4G模塊、顯示屏等，通過(guò)同時(shí)識(shí)別車輛攜帶的RFID電子標(biāo)簽和車牌信息，準(zhǔn)確確認(rèn)車輛信息，并與各生產(chǎn)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互對(duì)接，形成車輛提貨信息的閉環(huán)信息數(shù)據(jù)鏈，再無(wú)需人工現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)集智能理貨、裝車聯(lián)控于一體的完整生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)工作流程為：車輛在閘口、裝車點(diǎn)、地磅等停車檢測(cè)→觸發(fā)雷達(dá)讀取RFID電子標(biāo)簽，同時(shí)進(jìn)行車牌識(shí)別→校驗(yàn)電子標(biāo)簽及車牌信息→與生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的提貨車輛信息進(jìn)行比對(duì)，判斷是否為作業(yè)車輛→(是)放行、裝貨、過(guò)磅/(否)指示離開(kāi)。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

(1)與提貨預(yù)約系統(tǒng)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)、無(wú)人值守地磅等形成完整的生產(chǎn)管理閉環(huán)數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)車輛提貨全流程的信息化無(wú)人化，確保極高的可靠性和安全性。

(2)系統(tǒng)可在各生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)對(duì)提貨車輛進(jìn)行識(shí)別監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛提貨全流程的自動(dòng)校驗(yàn)跟蹤。若系統(tǒng)識(shí)別車輛與作業(yè)點(diǎn)信息不匹配，相關(guān)作業(yè)點(diǎn)自動(dòng)停止工作，同時(shí)發(fā)出駛離信號(hào)，指示車輛離開(kāi)；若與作業(yè)點(diǎn)信息匹配，則向車輛發(fā)出通行信號(hào)，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)電子閘口、無(wú)人地磅、自動(dòng)無(wú)人裝車等系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。

(3)系統(tǒng)根據(jù)電子閘口、無(wú)人地磅、自動(dòng)無(wú)人裝車點(diǎn)等作業(yè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成車輛進(jìn)出記錄、裝卸貨記錄等，代替以往的人工錄入和確認(rèn)。

3.2 自動(dòng)裝車系統(tǒng)

3.2.1 傳感器設(shè)置方案

在散糧裝車漏斗出口和入口各安裝1組紅外線測(cè)量光幕，在漏斗出料口前后各安裝1個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，在漏斗體底部接近出料口位置安裝1個(gè)電容式料位傳感器(見(jiàn)圖1)。

1.入口測(cè)量光幕發(fā)射極 2.入口測(cè)量光幕接收極 3.出口測(cè)量光幕發(fā)射極 4.出口測(cè)量光幕接收極 5、6.超聲波測(cè)距傳感器 7.電容式料位傳感器 8.指揮信號(hào)圖1 各檢測(cè)元件安裝示意圖

3.2.2 通信方案

測(cè)量光幕等各現(xiàn)場(chǎng)傳感器經(jīng)由IO-Link主站統(tǒng)一進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)Profinet總線傳輸至中控PLC系統(tǒng)，中控PLC系統(tǒng)與車輛智能識(shí)別等系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸相關(guān)控制信息(見(jiàn)圖2)。

圖2 系統(tǒng)通信連接

3.2.3 車輛檢測(cè)及控制方案

散糧裝車流程為：①核實(shí)車輛信息正確后進(jìn)入漏斗→②車廂位于漏斗出料口下方時(shí)停車，漏斗放料裝車→③物料裝至設(shè)定高度時(shí)漏斗停止放料→④車輛點(diǎn)動(dòng)前行繼續(xù)裝載車廂后部空間→⑤車廂全部裝載物料后駛離漏斗。

自動(dòng)裝車系統(tǒng)通過(guò)傳感器檢測(cè)及PLC智能算法，實(shí)現(xiàn)上述裝車流程各環(huán)節(jié)的無(wú)人自動(dòng)化作業(yè)。

(1)車輛在進(jìn)入漏斗前由車輛智能識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行信息校驗(yàn)，若系統(tǒng)核實(shí)車輛與漏斗作業(yè)信息匹配，則指揮信號(hào)燈點(diǎn)亮綠燈，通知車輛前行進(jìn)入漏斗，并啟動(dòng)自動(dòng)裝車系統(tǒng)；若系統(tǒng)核實(shí)車輛與漏斗作業(yè)信息不匹配，則指揮信號(hào)燈點(diǎn)亮紅燈，指示車輛離開(kāi)。

(2)車輛進(jìn)入漏斗后，自動(dòng)裝車系統(tǒng)各傳感器開(kāi)始工作，檢測(cè)判斷車廂位置。由于車廂結(jié)構(gòu)具有圍板上邊緣離地高度一致、車廂內(nèi)底板與圍板上邊緣存在統(tǒng)一高度差等共性特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用測(cè)量光幕檢測(cè)換算車廂圍板上邊緣離地高度，采用超聲波傳感器檢測(cè)換算車廂底板離地高度。當(dāng)漏斗出入口2套測(cè)量光幕檢測(cè)數(shù)據(jù)一致、出料口前后2套超聲波傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)一致時(shí)，同時(shí)測(cè)量光幕和超聲波傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，若其差值等于車廂深度，系統(tǒng)判斷車廂到達(dá)落料口下方，則控制指揮信號(hào)燈點(diǎn)亮紅燈，指示車輛停車，并打開(kāi)閘門放料裝車(見(jiàn)圖3)。

圖3 車廂位置檢測(cè)原理

(3)由出料口前后的2套超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)換算車廂內(nèi)物料的裝載高度，并與測(cè)量光幕檢測(cè)的車廂圍板上邊緣高度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的裝載高度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉放料閘門，并控制指揮信號(hào)燈點(diǎn)亮黃燈，指示車輛向前移動(dòng)，以繼續(xù)裝載車廂中后部空間(見(jiàn)圖4)。

圖4 車廂內(nèi)物料檢測(cè)原理

當(dāng)傳感器檢測(cè)車輛行駛至車廂中后部未裝滿貨物的位置時(shí)，系統(tǒng)控制指揮信號(hào)燈點(diǎn)亮紅燈，指示車輛停車，并打開(kāi)閘門繼續(xù)放料裝車。之后自動(dòng)裝車系統(tǒng)重復(fù)流程③、④，直至車廂按設(shè)定全部裝滿貨物。

(4)系統(tǒng)檢測(cè)車輛車廂全部裝滿物料或車廂離開(kāi)漏斗落料口工作范圍時(shí)，立即關(guān)閉閘門，并控制指揮信號(hào)燈點(diǎn)亮綠燈，指示車輛駛離漏斗，完成自動(dòng)裝貨流程。

4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

本項(xiàng)目的研究應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)適用性強(qiáng)，能適應(yīng)不同尺寸車輛的作業(yè)要求。通過(guò)對(duì)車輛檢測(cè)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種提貨車型不同外形尺寸的自適應(yīng)全覆蓋檢測(cè)，大大提升了系統(tǒng)的適用性，可應(yīng)用于各種裝車作業(yè)場(chǎng)景。

(2)實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)裝車。裝車作業(yè)過(guò)程無(wú)需派工人操作漏斗開(kāi)閉和指揮司機(jī)行車，節(jié)約人力成本，保證裝車質(zhì)量穩(wěn)定性，有效提高了作業(yè)效率和安全性。

(3)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別匹配提貨車輛和裝車流程的功能。系統(tǒng)與預(yù)約提貨系統(tǒng)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)等進(jìn)行互聯(lián)通信，校驗(yàn)車輛信息，防止出現(xiàn)發(fā)錯(cuò)車、裝錯(cuò)貨等情況。

(4)實(shí)現(xiàn)散糧車輛提貨全流程智能化，效率高成本低。提貨車輛從預(yù)約提貨到進(jìn)港、辦單、過(guò)磅、裝車、出港等一系列環(huán)節(jié)，均實(shí)現(xiàn)了電子化、信息化、自動(dòng)化操作，極大減少了人工介入環(huán)節(jié)，基本實(shí)現(xiàn)了全流程無(wú)人智能化，作業(yè)效率高，運(yùn)營(yíng)成本低。

5 結(jié)語(yǔ)

散糧智能裝車系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，可有效解決傳統(tǒng)車輛提貨流程人力成本高、安全隱患大、作業(yè)效率低、存在貨運(yùn)質(zhì)量隱患等問(wèn)題，提升了企業(yè)安全水平和服務(wù)質(zhì)量，為建設(shè)智慧型散貨港口提供了可行方案。未來(lái)，本系統(tǒng)將聚焦解決裝車動(dòng)態(tài)計(jì)量的技術(shù)攻關(guān)，在已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝車的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)裝車，消除車輛返裝返卸問(wèn)題。