基于PLC 和条形码识别的快递分拣控制系统研究与设计

杨千伟

（池州学院机电工程学院 安徽 池州 247000）

0 引言

电子商务以其便利性、品类多、价格等方面的优势取得快速发展，电子商务行业发展迅速带动快递行业市场发展，快递分拣作为快递运输的重要环节，对快递行业有着重要意义。 但是与整个物流业的大环境相比，我国在自动化分拣控制领域的研究和创新还相对较少，很多关键技术和设备仍需要引进或依赖进口，在工程应用方面，我国自动化分拣系统的推广应用还相对较少，仍有一定的市场空白，并且缺乏一套完整的标准和规范体系，给设备制造商和用户带来了一定的困扰和不确定性。 相比较而言，美国、日本及欧洲为代表的发达国家，运用可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）、条码识别技术、计算机联网等技术手段为主，或者以先进的机器视觉技术为核心，联合物联网、智能传感器、计算机等技术手段构建了高度自动化、高效、精准的物流分拣体系，在自动化、智能化、专业化等方面，西方国家的快递分拣控制系统已经处于领先地位。 因此，本文结合国内物流配送中心的自身特点，基于PLC 和条形码识别技术，结合控制系统、扫码仪、红外扫描系统、电动或气动运输带、快递客户端，在控制系统的作用下将不同种类的包裹进行分类处理以物流过程的自动化水平和运行效率，降低物流成本和人力成本，从而帮助企业降低成本、提高效率［1－2］。

1 应用技术理论基础

1.1 PLC

PLC 是一种工业自动化控制系统中广泛应用的计算机技术，通常用于控制工业过程中的机械设备和工艺，以完成生产流程中的自动化操作。 PLC 采用通用的编程语言进行编程，主要由输入输出模块、中央处理器、编程软件、操作面板等组成，具有高度可靠性、稳定性和实时性等特点。 它可以检测输入信号，经过内部算法处理后，输出控制信号，实现对机器人、工厂自动化生产线等设施的精准控制。 在快递分类运输控制系统中PLC 可以检测运输、分类、分拣、装卸等环节中的各种信号，连接输送带、传送机械臂等设备，实现物流运输过程中设备的自动化控制，最后根据设定的分类规则和物流信息，实现对快递商品的自动分类和分拣［3］。

1.2 条形码识别技术

在中国快递行业的识别技术应用中，既有条形码又有二维码，但条形码仍然占据绝对的市场份额，这是因为二维码显示的信息更加复杂，尺寸较大，对印刷贴附的要求也更高，需要更加精准的图像处理技术和扫描设备。 相比较而言，条形码的识别技术成熟度更高、兼容性更好、成本更低，因此在快递领域仍然保持着绝对的市场优势。 条形码识别技术是指通过对扫描设备上的条形码进行扫描和解码，对标签上的信息进行读取和识别的过程。 在条形码识别技术中，主要包括图像处理、解码算法、数据存储和应用等过程。 图像处理是条形码识别技术的关键环节，其主要目的是将条形码所在的图像区域进行定位和分割，以便进行后续的解码处理。 常用的图像处理方法包括滤波、边缘检测、二值化、形态学处理等，可以通过开放源代码计算机视觉库（open source computer vision library，OpenCV）等图像处理库实现。 在快递件进入分拣控制系统前，假设已经使用压贴式打印贴标机对所有进入传送带的快递件进行贴码处理。

在本文设计的智能分拣装置中，条码数字编号中头几位数字表示欧洲商品条码（European article number，EAN）的国家代码，接着是一组厂商代码和商品代码，最后一位数字是校验码，用来检验数字是否正确。 见图1。

图1 EAN－13 条码符号结构图

1.3 智能分拣装置扫描分拣工作原理

数据采集系统主要分成三部分：第一部分是快递件扫描，当包裹检测分类运输带上，图像采集模块完成对包裹上条形码或二维码的扫描，从而获取包裹的信息；第二部分是数据处理，图像分析模块和图像处理模块将会分析包裹信息，对包裹进行分类，向处理模块传达指令并上传到客户端。 第三部分是分拣操作，执行模块将核实商品信息，传达物体实时位置，确定是否撤回或者继续发送［4］。

2 系统总体架构设计

2.1 需求分析

本文设计的快递分类运输控制系统的预期目标如下：

（1）实现全流程自动化控制。 该系统旨在通过自动控制和监测，实现整个快递物流运输过程的全流程自动化控制。 （2）提高生产效率。 通过该系统的自动化控制，进行物流分类和分拣操作，可以缩短操作的时间，提高工作效率。 （3）提高物流准确度。 减少人为因素对快递物流的干扰，降低出错率和提高物流运输稳定性，为企业提供高效、稳定、准确的物流服务。

2.2 可行性分析

本文应用PLC 实现自动输送分拣系统的自动控制，从硬件选择上来看，所需器件包括PLC、传感器、执行器（电机、气缸、电磁阀）、输送设备（输送带、滚筒、传送链等），以及控制面板和相应的电源、连接线缆等辅助设备，以上设备市面上都可以购买且较为常见；从技术可行性上来看，主要为自动分拣设备、传感器、控制系统、数据处理等方面的技术，其稳定性、精度、速度、容量等技术指标均满足要求；系统具备较强的可操作性和可管理性；从经济角度来看，所有软硬件设备稳定性好，准确率高，能满足分拣系统的基本功能，且性价比较高。

2.3 系统分拣流程设计

首先货车卸货后，快递件被放置于传送带上，确保条码朝上，在皮带传送装置上传送，当光电传感器侦测到出料口有物件时，传送皮带停止运行，PLC 控制出料气缸动作，推送物件到皮带传送装置，传送皮带恢复运行。 快递件通过条码扫描仪扫描后，进入加速区域拉开物体间距，然后进入分拣区，机械臂按照扫码信息进行后台分析，控制系统对扫描成功的快递件按照A、B、C、D 四个分区进行第一次分拣，对于无法识别的快递，人工进行再次分拣［5］。图2 为快递分类运输控制系统总体流程设计示意图。

图2 快递分类运输控制系统总体流程设计

2.4 系统分拣技术架构设计

系统技术架构如图3 所示，本文所设计的系统一侧是各个地区快递存放区域，存放区域与传送带之间会有一个滚动式缓坡，每个地区对面会有相应扫描仪和气缸。 快递件在传送带上进行传输，扫描器对快递件进行扫描，根据条形码扫码信息结果，控制系统对气缸和机械臂控制进行工作，按照扫码结果对快递件进行地区分类推送到该区滑槽内，若不是该扫码地区快递件则继续推送直到完成最后剩余的气缸动作，完成所有快件分拣［6］。

图3 自动化生产线分拣技术架构示意图

3 软硬件设计

3.1 硬件设计

本文基于PLC 和条形码识别的快递分拣控制系统在硬件上主要由识别结构、驱动结构和执行结构三部分组成，如图4 所示，以下将对各结构组成进行详细论述［7］。

图4 系统设计结构

（1）识别结构主要由电磁传感器、光电传感器和条形码扫描仪三部分组成。 本系统中主要涉及的传感器是电磁传感器和光电传感器，主要用作检测快递是否到位、气缸位置是否工作等。 详细功能应用如表1 所示。

表1 传感器的类型与功能

识别结构中安装的条形码扫描仪主要用于读取条码所包含信息，利用光学原理，把条形码的内容解码后通过数据线或无线的方式传输到电脑或其他设备。

（2）驱动结构主要由变频器和电机组成。 其中皮带传送装置、机械臂推送装置等都是由变频器控制电动机来对其进行驱动，通过PLC 实现变频器对电机速度和转向的控制。

（3）执行结构主要包括传送单元、扫码单元和分拣单元。 传送单元是自动输送分拣系统中的核心部件之一，包括输送带、滚筒、传送链等输送装置，负责物体的输送；扫码单元主要对快递件条形码信息进行识别，根据条码进行分类；分拣单元的作用是实现对物件的分拣，由PLC 控制对应的气动装置并将其推送到相应区域进行分类，从而保证不同贴码快递通过不同的容器分拣归类。

本文设计的识别与分拣设备均为开关量控制，系统采用西门子S7－200SMART 型PLC 作为核心控制平台，IO 地址分配和说明如表2 所示［6，8］。

表2 IO 地址分配和说明

3.2 软件系统设计

在软件设计部分，通过使用PLC 梯形图编程来实现自动输送分拣系统的控制功能。 在梯形图中，包含各种逻辑元件，如触发器、计时器、计数器等，来实现各种控制功能。 此外，还需要进行组态设计来实现上位机监控功能。通过与PLC 的通信，组态软件可以实时获取PLC 中的数据，显示系统的运行状态和参数。 通过组态界面的设计，可以实现用户对系统的监控、设定和控制，以及对整个自动输送分拣系统的可视化管理。 具体实现时，设计系统支持与不同类型的PLC、智能模块、智能仪表、变频器及数据采集板卡等进行数据连接，支持多种通信接口（如串口、USB 接口、以太网、总线等），以实现各种设备之间的数据通信。 并且，外部设备可作为本系统的外设使用，如PLC、仪表、模块、变频器、板卡等，同时也可以与其他软件程序交换数据，以实现更灵活的应用场景和数据处理需求。 在系统的运行监控界面上，用户可以方便地观察传送带电机的运行状态、传感器状态及气缸动作指示，同时能够通过界面进行流水线的启动和暂停等操作，为用户提供实时、准确的监控和控制功能。

3.3 预期实现效果

预计上线后，本文设计的控制系统可以对1 000 ～1 500 个快递件进行分拣，可以分类的快递件包括纸箱、袋子和信封等，可以分类不同形状、尺寸和类型快递件，分拣设计最高承重50 kg。 软件系统上能够与中转站的企业资源计划（enterprise resource planning，ERP）、制造企业生产过程执行系统（manufacturing execution system，MES）等多种软件系统对接，并可以实时监测分拣线动态。

4 结语

本文以物联网技术为基础，采用PLC 作为控制核心，结合条形码技术和电子传感器技术对快递分拣控制系统进行设计，以期实现快递分拣自动化和智能化，帮助快递企业实现快递物流的自动化控制，提高物流运输过程的自动化水平和运行效率。 相信随着物流行业的快速发展和电商业务的兴起，对于高效、准确的分拣系统的需求日益增加，也为自动化分拣系统的发展提供了良好的市场机会，未来可以在人工智能、机器视觉和机器学习等领域对自动化分拣系统的技术进行进一步创新。