基于IO-Link技术的散粮智能装车系统

刘子彬

广州港新沙港务有限公司

近年来，在港口、粮库、粮食加工厂等散粮物流集散中心，已普遍采用连续卸船机、皮带机等设备进行散粮的卸船、入仓、倒仓等作业，具有较高的作业效率和自动化水平，但在作业流程最后的提货车辆装车环节仍存在人力成本高、易发生货运质量问题、安全隐患大、作业效率低等问题。需要研发一套散粮智能装车系统，以代替人工操作，消除传统装车提货工艺存在的诸多问题，实现散粮装车全流程自动化、智能化。

2.1 车辆提货流程

以港口为例，散粮车辆提货流程为：①车辆进港→②车辆过空磅→③办理提货手续→④车辆提货点确认→⑤车辆装货→⑥车辆过重磅→⑦办理出港手续→⑧车辆出港。

近年来，港口已通过研发车提预约系统、地磅无人值守系统、业务办单系统等实现了车辆提货的部分电子化操作，提升了服务质量和作业效率。但上述流程中车辆进出港、过地磅、提货点确认等环节仍需人工确认车辆信息，车辆装货环节仍需工人操作落料闸门装车，制约了车辆提货全流程的智能化，造成已开发的各生产业务系统仍需人工录入车辆确认信息，无法发挥系统的最大效能，影响提货效率、安全和质量。

2.2 车辆信息确认智能化

开发车辆智能识别系统代替仓库员的人工识别，以实现系统自动判断车辆是否与生产信息相匹配。综合应用RFID识别技术、视觉识别技术、网络通讯技术等构建车辆识别系统，RFID识别和车牌视觉识别的数据交叉互校，确保车辆识别系统的高可靠性，同时将采集的车辆信息与提货预约子系统、生产业务系统等进行数据交互，并与电子闸口、无人值守地磅、自动装车系统等无缝对接。在车辆进出电子闸口、地磅及装车作业点时，将检测到的车辆信息与系统中预约提货的车辆信息进行匹配，确认无误后，闸口、平仓、地磅出入口将自动放行，装车作业点将自动进行装车作业。同时系统内自动生成车辆进出记录、装货量记录等信息。

2.3 装车作业智能化

开发自动装车系统代替漏斗操作工人的视觉观察，准确检测、判断、分析车厢的外形尺寸及车厢内物料的实时装载情况。由于提货车辆外形尺寸千差万别，且装载的散装粮食粉尘大、流动性强，为实现精准检测的目标，选择合适的传感器检测方案尤为关键。

2.3.1 检测方案论证

目前较成熟的检测技术有机器视觉技术、激光雷达3D建模技术、传统光电超声传感器检测技术等。

机器视觉技术是通过机器视觉产品(即光源、镜头、相机、采集卡)将被拍摄的目标转换为图像信号，最后传送给机器视觉软件进行图像分析处理，代替人眼的测量、检测和判断。而由于玉米等散装粮食货类在装车过程中存在较多粉尘扩散，机器视觉系统拍摄的图像受粉尘遮挡影响，无法可靠分析判断物料在车厢内的装载情况，对摄像头的性能参数及系统算法都有极高要求。

激光雷达3D建模技术是通过雷达发射激光线束,对目标进行探测，获取点云数据，再通过系统运算处理得到所扫描区域的三维形态。激光雷达能够准确识别出所扫描区域的具体轮廓、距离，具有分辨率高、体积小、质量轻等优点，但也存在采购成本高，受天气和工作环境影响大的缺点，在雨雾、风沙等天气及大粉尘环境下会受到极大的干扰。在散粮装车作业粉尘环境中，还需对激光雷达获取的点云数据针对性研究降噪算法，消除粉尘噪点后才能获得车辆装载的真实情况，研发成本高、技术难度大。

传统的传感器检测技术中，超声波传感器对金属或非金属物体、固体、液体、粉状物质均能检测，其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天；
红外传感器对粉尘环境适应性强，不易被粉尘干扰阻碍产生错误信号。

根据上述分析论证，采用传统的传感器检测技术更能有效适应粮食粉尘作业环境，且研发成本低，可大范围推广应用于散粮自动装车系统。

2.3.2 通信方案论证

在传统的工业自动化控制系统中，传感器信号都是通过远程I/O或者扩展I/O，经过转换之后，传输到控制器。在这种通信模式下控制器只能单向获取传感器测量值，无法获取传感器的参数、诊断以及更多信息。除此之外，操作人员需到现场对传感器、执行器进行检查、维护、设定，费时又费力。因此，传统的信号传输方式存在数据隔离的弊端。

IO-Link是首个连接工业网络底层传感器及执行器的标准化通信协议，使底层设备可以集成到几乎任何现场总线或者是自动化系统中。IO-Link技术使控制层能够访问传感器、执行器的诊断、过程值、参数等数据信息，解决了控制层和传感器层的信息隔离，并且传输过程是双向的，控制器可以向传感器、执行器直接进行参数配置。IO-Link技术消除了传统工业自动化控制的瓶颈，具有抗干扰能力强、简化布线网络、易于维护更换、操作方便、传感器智能化等优势。

由于港区装车作业点数量多、分布广，且要实现自动装车功能对传感器智能化控制有极高要求，因此选用IO-Link技术可以满足装车自动化的各项功能要求。

2.3.3 自动装车系统总体设计思路

根据上述检测方案及通信方案的论证，自动装车系统设计思路为应用传感器检测技术、自动控制技术、物联网技术、IO-Link通信技术等，通过测量光幕、超声波传感器等元器件检测车辆状态，判断车厢实时位置、外形尺寸及散货装载情况，并通过IO-Link通信设备将相关检测数据传输至中控PLC系统进行智能算法分析运算和逻辑判断，最后根据运算结果控制放料闸门、指示灯等执行机构动作，引导不同尺寸规格的车辆，进行闸门自动开关放料等，实现无人自动化装车。

3.1 车辆智能识别系统

车辆智能识别系统综合应用RFID技术和视觉识别技术，主要设备包括监控摄像头、RFID读写器、RFID天线、红外检测器、交通灯、工控机、4G模块、显示屏等，通过同时识别车辆携带的RFID电子标签和车牌信息，准确确认车辆信息，并与各生产业务管理系统进行数据交互对接，形成车辆提货信息的闭环信息数据链，再无需人工现场确认，实现集智能理货、装车联控于一体的完整生产管理系统。

系统工作流程为：车辆在闸口、装车点、地磅等停车检测→触发雷达读取RFID电子标签，同时进行车牌识别→校验电子标签及车牌信息→与生产业务系统中的提货车辆信息进行比对，判断是否为作业车辆→(是)放行、装货、过磅/(否)指示离开。

系统主要实现功能如下：

(1)与提货预约系统、生产业务系统、无人值守地磅等形成完整的生产管理闭环数据链，实现车辆提货全流程的信息化无人化，确保极高的可靠性和安全性。

(2)系统可在各生产环节自动对提货车辆进行识别监控，实现对车辆提货全流程的自动校验跟踪。若系统识别车辆与作业点信息不匹配，相关作业点自动停止工作，同时发出驶离信号，指示车辆离开；
若与作业点信息匹配，则向车辆发出通行信号，同时自动启动电子闸口、无人地磅、自动无人装车等系统进入工作状态。

(3)系统根据电子闸口、无人地磅、自动无人装车点等作业环节的数据，自动生成车辆进出记录、装卸货记录等，代替以往的人工录入和确认。

3.2 自动装车系统

3.2.1 传感器设置方案

在散粮装车漏斗出口和入口各安装1组红外线测量光幕，在漏斗出料口前后各安装1个超声波测距传感器，在漏斗体底部接近出料口位置安装1个电容式料位传感器(见图1)。

1.入口测量光幕发射极 2.入口测量光幕接收极 3.出口测量光幕发射极 4.出口测量光幕接收极 5、6.超声波测距传感器 7.电容式料位传感器 8.指挥信号图1 各检测元件安装示意图

3.2.2 通信方案

测量光幕等各现场传感器经由IO-Link主站统一进行参数设置及数据采集后，通过Profinet总线传输至中控PLC系统，中控PLC系统与车辆智能识别等系统通过TCP/IP网络协议传输相关控制信息(见图2)。

图2 系统通信连接

3.2.3 车辆检测及控制方案

散粮装车流程为：①核实车辆信息正确后进入漏斗→②车厢位于漏斗出料口下方时停车，漏斗放料装车→③物料装至设定高度时漏斗停止放料→④车辆点动前行继续装载车厢后部空间→⑤车厢全部装载物料后驶离漏斗。

自动装车系统通过传感器检测及PLC智能算法，实现上述装车流程各环节的无人自动化作业。

(1)车辆在进入漏斗前由车辆智能识别系统进行信息校验，若系统核实车辆与漏斗作业信息匹配，则指挥信号灯点亮绿灯，通知车辆前行进入漏斗，并启动自动装车系统；
若系统核实车辆与漏斗作业信息不匹配，则指挥信号灯点亮红灯，指示车辆离开。

(2)车辆进入漏斗后，自动装车系统各传感器开始工作，检测判断车厢位置。由于车厢结构具有围板上边缘离地高度一致、车厢内底板与围板上边缘存在统一高度差等共性特点，本系统采用测量光幕检测换算车厢围板上边缘离地高度，采用超声波传感器检测换算车厢底板离地高度。当漏斗出入口2套测量光幕检测数据一致、出料口前后2套超声波传感器检测数据一致时，同时测量光幕和超声波传感器的检测数据，若其差值等于车厢深度，系统判断车厢到达落料口下方，则控制指挥信号灯点亮红灯，指示车辆停车，并打开闸门放料装车(见图3)。

图3 车厢位置检测原理

(3)由出料口前后的2套超声波测距传感器检测换算车厢内物料的装载高度，并与测量光幕检测的车厢围板上边缘高度数据进行比对，当达到设定的装载高度时，系统自动关闭放料闸门，并控制指挥信号灯点亮黄灯，指示车辆向前移动，以继续装载车厢中后部空间(见图4)。

图4 车厢内物料检测原理

当传感器检测车辆行驶至车厢中后部未装满货物的位置时，系统控制指挥信号灯点亮红灯，指示车辆停车，并打开闸门继续放料装车。之后自动装车系统重复流程③、④，直至车厢按设定全部装满货物。

(4)系统检测车辆车厢全部装满物料或车厢离开漏斗落料口工作范围时，立即关闭闸门，并控制指挥信号灯点亮绿灯，指示车辆驶离漏斗，完成自动装货流程。

本项目的研究应用具有以下优点：

(1)系统适用性强，能适应不同尺寸车辆的作业要求。通过对车辆检测方案的创新设计及智能算法，实现对各种提货车型不同外形尺寸的自适应全覆盖检测，大大提升了系统的适用性，可应用于各种装车作业场景。

(2)实现无人自动装车。装车作业过程无需派工人操作漏斗开闭和指挥司机行车，节约人力成本，保证装车质量稳定性，有效提高了作业效率和安全性。

(3)实现自动识别匹配提货车辆和装车流程的功能。系统与预约提货系统、生产业务系统等进行互联通信，校验车辆信息，防止出现发错车、装错货等情况。

(4)实现散粮车辆提货全流程智能化，效率高成本低。提货车辆从预约提货到进港、办单、过磅、装车、出港等一系列环节，均实现了电子化、信息化、自动化操作，极大减少了人工介入环节，基本实现了全流程无人智能化，作业效率高，运营成本低。

散粮智能装车系统的研发应用，可有效解决传统车辆提货流程人力成本高、安全隐患大、作业效率低、存在货运质量隐患等问题，提升了企业安全水平和服务质量，为建设智慧型散货港口提供了可行方案。未来，本系统将聚焦解决装车动态计量的技术攻关，在已实现自动装车的基础上，进一步实现精准装车，消除车辆返装返卸问题。

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