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邮政邮件分拣机设计
邮政邮件分拣机设计
ABSTRACT
Inthispaper,IintroducetheuseofPLCcontroltechnologytoachieveE-mailsortingsystem.Analyzesthemailprocessingtherealizationofautomationmethodandprocess,todesignmailautomationequipmenthascertainreferencevalue.UsePLCinternaldirectiverealizemailprocessingtechnology,thehardwareoftheadditionalinvestmentwithoutcanobviouslyimprovetheE-mailsortingefficiency.WithChina'seconomicdevelopmentandsocialprogress.Mailindustryreceiveunparalleleddevelopment.Postalcommunicationnetworktechnologycontentincreasesunceasingly,technicalequipmentlevelalsoisrisingceaselessly.Mailprocessinghasrealizedmechanization,andtowardautomationinthatdirection.Amongthem,usethemachineautomaticallysortthemailisanimportanttopic.
Keywords:
letters,barcodesortersystem,sortingmachine,opticalcharacterrecognition,postoffice,programmablelogiccontroller.
摘要：
迄今为止，邮局每小时手工分拣1200件信件是非常辛苦的，不仅是劳动密集型工作而且也非常耗时。
本文着眼于设计一种基于传送带输送和信件分拣规则的邮政系统使用的邮件分拣机（简称LSM），以便用来取代人工分拣信件的传统模式。
这个机器的设计要使得邮政信件分拣非常实用和有效，而且要使错误分拣进箱率达到最小化从而提高正确分拣信件的数量到每小时30000件。
其中可编程逻辑控制器（简称PLC）被装置到传感器和驱动器之间，并且通过控制内存中的程序指令使得编程灵活有效。
光学字符识别技术（简称OCR）和条码分拣系统（简称BCS）被应用于识别和分辨手工书写、机器印刷和打印的地址和条形码。
区域性编码和预定性地址格式被用于增强邮政光学字符识别系统的兼容性。
本文力图设计一种用于加纳地区邮局的邮件分拣机来强化邮件分拣以及递送的效果和效率。
关键词：
信件、条码识别系统、分拣机、光学字符识别、邮政局、可编程逻辑控制器。
简介：
古代通讯的渠道有：
击鼓、放烟雾、吹号角、吹喇叭和派遣信使，鸽子以及鸡毛信。
大多数情况下，这些方式的传送速度极慢，而且受客观因素和人为因素影响，有可以不能准确传达信息发送者的意图，不能准确到过收件人手里，影响办事效率。
现代科技飞速发展的今天，信息传递有了各种各样的快捷渠道，包括电话、手机、信件、互联网的电子邮件、电视、广播、广告牌、杂志、期刊等等。
这些通讯媒体能够更加快捷和可靠地传递各种讯息，而信件是一种最为古老的媒体通讯，有着不可取代的重要地位。
自从有些东西只能通过邮政被适当和有效地进行中转和传递，信件就再也不能被淘汰和废弃了。
到了21世纪，有些国家和地区的邮政信件仍然是用手工分拣。
手工分拣的时候，邮政工作人员站在又大又长的工作台前，信件的地址栏都摆放朝着一个方向，然后被分拣成队列进入到不同的地区和城市的信件分放区域。
然后把邮件打包起来派送到相关的区域和地区的邮局作进一步分拣和派送。
在当地的分拣局，职员们把邮件放在分拣格架里，大约每小时能够分拣1200件。
这种模式很耗费和拖延时间，客户会因为延迟收到信件而耽误很多事情，甚至造成重大经济损失。
还有些信件在分拣的时候就丢失了，而且耗费大量人工和工资。
换而言之，这种模式完全不能够保证准时递送。
那时的模式虽不算落后之极，但肯定有改进的必要，设计更好的分拣程序，提高信件分拣机构效率，节省人工。
邮政公司发展及现状
信件是相隔较远，一定时段不能见面的人们相互交流情感与思想的工具。
亘古以来，自有了文字，书信也就应运而生，古代寄书信叫邮绎，世界各国的人们相互之间利用书信来沟通的。
书信在人类的交流与沟通的历史上占有重要地位。
在手机，电话与电脑这些简单快捷的交流工具遍布全球的今天，仍有一部分人情愿使用书信来互通信息。
当在电话或电邮不能详谈的情况下，人们更愿意通过邮局寄信件（文字，图片，以及数据资料）。
中国邮政成立几十年来，2007年中国邮政集团挂牌，从单一的信件电话电报服务，发展到多种综合性服务，该公司开始在商贸、就业、支持政府机构和国家税收等领域就显得非常重要。
由于按时递送商业信件相对简单，于是很多新的公司也开始投资来运作这些业务。
作为对国际化邮件递送和特别高效地递送合同与商业信件的补充，特快专递（简称EMS）出现了。
他们的任务就是提供快捷、高效、可靠、安全的通信和金融服务以及向国内外客户提供有竞争性费率的产品。
邮政公司的邮件分拣现状：
当下的邮件分拣，信件被围在开放式大桌子的上面由邮政系统的职员们进行手工分拣。
人工分拣比较标准的分拣数量是每分钟20件。
按这样计算，每小时分拣大约1200件邮件。
信件箱整合为隔架或者隔区。
每个隔区或隔架容纳100个信件箱来做简单的隔离。
隔离是一种术语，用来描述把信件分拣到隔架或隔区里而不需要考虑最终的信件箱。
这种模式同样也被称为初级分拣或重置整理。
另外，为了防止重复使用邮票的邮票盖销机，也因为邮票价格变动太快，目前已经不再使用了。
因为盖销机被设定或者编码为标准的价格标注模式，而价格的变化则不能被员工所操作，也因为极少有人愿意做那样的工作。
因此，邮票盖销工作就主要由人工完成。
邮件盖销涉及到往信件上打上一个标记，其中包含邮局名称、国家、地区、年、月、日等信息，表明该信件已经被盖销了。
图一：
邮票盖销
图二：
邮票售票机
传统的邮票售票机，它用于当邮局关门的时候。
钱放进机器以后，邮票就会出来。
这种机器已经不再使用了，因为它只能操作于投入固定金额的硬币而对纸币一点也不敏感。
结果，这些机器就变得毫无用处。
因此，邮票就只能在工作时间里被购买和销售。
自动售票机PLC简单原理：
PLC是以CPU为核心,综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置,是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。
PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的,可以简单地表述为在系统程序的管理下,通过运行应用程序完成用户任务。
但是PLC也有它自己的特点,PLC在确定了工作任务,装入了专用程序后成为一种专用机,它采用循环扫描工作方式,系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。
图三：
邮件在邮局的活动循环
信件的流程：
一封信在送达收信人之前的处理过程被捕捉到信件的流程中（图4）。
信件在寄信人所在地被以外发邮件的形式拿走，然后以收入信件的形式送到收信人所在地。
信件上贴有购买的正确金额的邮票后，就有资格通过邮件工作流程。
寄信人把贴好邮票的信件放进邮筒里，这些邮件随后被送到邮政局的印戳桌上进行盖销，然后开始执行分拣工作派发到各个城镇的区域箱。
接下来，信件被放入贴上标签的袋子里，然后放进邮车。
当邮车到达目的地，信件就从袋中取出来放到桌上。
初级分拣完成后就被重置到隔架里。
第二次分拣就开始登记信件到信箱。
因此，一封信的流程始于邮筒而终于信箱。
图四：
人工分拣循环和信件递送
图五：
邮局分拣间
本文的目标首先是为区域性邮政局设计一种信件分拣机来促进信件正确分拣的数量提升并且改善信件有效及时递送。
其次，提供一种供公众监督评选的原型设计。
这个设计应用了光符识别器（OCR）来读取和编码手工书写和机器印刷或者打印的地址制成条形码。
高速条码分拣机读取条形码信息并且关联到可编程逻辑控制器上（PLC）来关联打开正确的分拣闸口。
比较起每小时手工拣选1200件信件，这个设备每小时就能完成分拣超过30000的信件数量。
研究区域：
研究区域中国，是一个物产和资源丰富的亚洲发展中国家，面积九百六十万平方公里，人口十四亿，最近二十年经济上突飞猛进，通讯事业日新月异。
拿2015年一月到十一月来说，邮政函件业务累计完成42.4亿件。
包裹业务累计完成3919.5万件；报纸业务累计完成171.9亿份。
可见中国的信件分流量如此之巨大，需要一系列高效信件分拣机来分件完成才能适应当前通讯速度。
研究定义：
信件分拣机（LSM）是一种能够将信件分拣进箱或者其他装载容器的设备。
简单地说：
在信封背面印上答题卡式的格子，格子对应不同的数字，按照发信地和收信地的邮编涂黑相应的格子。
邮箱里安装读取器（类似答题卡辨识机器），将信按要求投入邮箱。
读取器辨识信封背面的信息，自动按地址分类。
这样就可以实现邮件分拣工作的自动化，大大减少邮局处理邮件的工作量和时间。
系统开发条件
邮件分拣机必须满足以下所述条件：
1.必须是220V-240V,50Hz电源供电，有持续操作能力，须能通过电脑可编程逻辑控制器,必须实现每小时30000件分拣量。
2.必须能检测邮票，拒绝和驳回非有效邮件，传送和排列信件，收集和分拣信件入箱，和对分拣邮件进行计数。
3.必须读取和对地址在基于控制程序而进行的分拣组合以及加载到设备内存中执行分拣指令，同时也要满足硬件和电脑软件编码。
4.有基于OCR的可视识别系统，以及BCS条形码系统和反向光电传感器的邮票检测器。
5.传感器通过PLC与相应的执行器联动。
6.必须是一体化或半一体化装置。
机器部件和配置：
邮件分拣机是包含了机械、电气、电子、光学、传感、软件和电动机械驱动的实体整合。
同时也包括，传送皮带，托辊、皮带轮，和轴组合的机械部件，控制变压器，电机和电气部件开关。
同时也有可编程逻辑控制器（PLC）和电子计数器，光符识别器和条形码分拣系统。
有光电传感器和接近开关。
电子驱动部分有电动机和气动线性执行器。
机械部分
邮件分拣机的机械部分由传送带，托辊，皮带轮，轴和直线机械装置组成。
选择传送带
传送带是包括了机械和重力操作带或滚轮，在邮政汽车与交付平台之间，或者在邮局内一个地方转移到另一个地方，用来传送邮件的机械。
潮式输送机是邮件传送系统的一部分，控制着潮涌并让所有的邮件依次保持匀量输送。
不论如何，邮件分拣机就是一个包含了决定每个邮件卸下的地方的输送记忆的信件运输设备。
为既定任务选择传送带的时候，要考虑很多重要因素，从经济上要考虑成槽性皮带轮直径和平面，支架、抗冲击性，外壳等等。
选择托辊
知道了皮带宽度和速度，就应该考虑以下方面内容：
服务类型（也就是操作环境），传送机整体预期寿命，每天操作时间，物资特性，物资重量，物资类型；皮带速度（高、中、低）；托辊类型、通过性、传输性、平行带、回流带、缓冲托辊。
最后，实际托辊负载按下列公式进行计算：
（IL）=（Wb+Wm）Si
Wb=Beltweight,kg/m皮带重量，
Wm=Materialweightkg/m物资重量
Si=Idlersspacing,m托辊间隙
选择皮带轮
皮带轮的选择需要考虑以下参数：
例如：
滞后轮，重量、滞后焊接钢皮带轮、旋转端凸面皮带轮、滑动滞后皮带轮、滞后翼轮等等。
轴的选择
选择圆轴应根据负载保护来计算轴的直径。
那么，组合了转矩和弯曲度的驱动皮带轮圆轴直径的计算公式为：
Kt=扭矩保险系数
D=轴的直径,m
Pt=轴材质允许的剪应力,Pa
Kb=弯曲保险系数
Mb=挠矩,kgm
Mt=扭矩,kgm
非传动皮带轮圆轴直径公式为：
Pb：
是圆轴材料允许应力的两倍（Pt），Pa
功率（P）,作为传送带驱动所需值，按下列公式：
Te是皮带的有效张力，N
常数4.2是基于3%松弛的因数，Si是托辊间隙，m
有效皮带张力是皮带由于外力作用而拉伸的总量，比如：
传送带部件的摩擦阻力，驱动和设计运力操作下的各个部件。
摩擦阻力是当物资连续不断地从槽口或被人工放到传送带上，被传送的物资在重力载荷作用下升高或者降低时产生的。
选择驱动要素
c电机的选择、驱动的选择、设备类别的选择等参数及相关知识，以及直流驱动特性和交流驱动特性等信息，都能帮助我们了解和选择适当的驱动设备。
电机的选择
影响选择传送带电机的参数有：
启动特性、电源类型和电压、扭矩速率变化、可逆性、工作周期、启动扭矩、整机功率、工况环境、特殊用途条件（比如：
传送带是否倾斜等）。
电机的选择需要考虑以下内容：
i启动扭矩
意思是在速度为0的时候所需的扭矩。
为了系统自启动，电机必须产生足以克服摩擦力和任何载荷的扭矩。
串联配置提供了低速下直流电机的最佳的扭矩。
电机的加速和迅速加载的公式为：
a=角加速度/S2
Tmotor=电机扭矩
Tload=负载扭矩
J=电机惯性极矩和负载
确认恰当的启动容量（载荷）：
启动加速期间，锁定转子扭矩必须约两倍于需要提升物资的扭矩和克服总体配置的供电不足。
对于全速运行功率需求扭矩，电机的扭矩曲线不能降到锁定转子扭矩线以下。
电机的额定功率需要至少等同于传送带的功率除以所有驱动部件的效率。
ii最大速度
扭矩速度曲线上的0载荷点决定了电机能达到的最大速度。
这也是无扭矩速度。
当电机加载时，就达不到最大无载荷速度了。
载荷被驱动在一个匀速交流同步电机或者直流并激电动机并保持有效的负载扭矩。
电机扭矩和负载扭矩的差异决定于系统加速度，当电机扭矩等于负载扭矩的时候，系统就达到了一个稳定操作的均匀速度状态。
iii工作周期
c工作周期是一个电机运行时关于总体运行时间的比值。
它与电机所需的功率成正比。
这样，比较低的工作周期，就应该选一个相应低功率的电机。
只要能运转在操作比率水平之上，但仍然需要足够的性能在重复开关周期内避免过热。
Iv负载功率
负载功率是选定电机非常重要的参数。
当已知负载功率需求，就能够基于工作周期来正确选择电机了。
V负载惯性
为达到快速动态响应，就需要有低速电机转子和负载惯性。
当负载惯性增大，那么高加速度只能靠调大电机功率来产生比负载所需扭矩大得多的扭矩。
印刷电路转子盘式电机具有低转子惯性可以满足极好的快速响应。
Vi位置和速度控制
在增量运动和离散位置条件下，步进电机是不错的选择，步进电机能够容易地旋转和保持在离散位置正常工作。
它能通过控制步进率来实现大范围变速旋转。
步进电机能在不需要传感器反馈的开环式控制条件下操作。
但是，如果步进电机驱动太快或者负载扭矩太大，步进电机可能会打滑并且不再执行所需的步进指令。
因此，一个反馈传感器比如一个编码器就需要包含在步进电机里，来检测是否电机达到了所需的动态。
对于一些精确定位或者速度配置的复杂的动态需求，（如，要达到指定的程序化动态的自动设备）也许会用到伺服电机。
伺服电机由可编程控制器驱动，处理传感器输入信号和生成放大的电压和电流到电机来实现指定的动态配置。
Vii扭矩-速度曲线
如果负载有明确的扭矩和速度关系（被称作负载特性），就应该选用有近似扭矩和速度特性的电机。
通常情况下，负载运行在低速和大扭矩情况下。
由于电机运转在高速和低扭矩条件下，就需要一个减速传动机构，可以是一个变速箱或者皮带传动机构来匹配电机的输出到所需的载荷范围。
使用这种机构的时候，电机上负载的有效惯性的变化按以下公式：
Jeff是有效惯性极矩。
运转速度可以通过调整电机的供电电压来调整，同时也反过来改变电机的扭矩-速度特性。
Viii可逆性
有些电机根据电路控制和其结构，具有不可逆性，因此选择电机的时候，必须要留意应用旋转为两个方向。
ix尺寸和重量
电机可以很大，也可以很重，或者小或者轻，因此要考虑空间和应用限制。
x特殊要求
可能需要一个大架子来保持电机隔离安全并且保持正常寿命，如果环境温度在40摄氏度以上，就需要一个大架子和相应较高的位置来促进散热。
在特定的工作环境下，则应该考虑使用特殊用途电机。
比如：
全封闭式电机，防爆电机和防滴漏电机。
电力驱动选择
不管是单个还是群组，也不管是用交流或者直流选择一个应用的驱动都被称为是专业性的。
单个驱动是紧凑并且可靠的，但是对于一个单元的传动需求来说就显得效率低下。
但是，如果整个系统都依靠一个电机来驱动，就显得不那么可靠了。
多级皮带轮和皮带会使得整个系统占用更多空间，也不安全，噪音也更大，效率也更低。
群体驱动利用多个电机来驱动设备的机械部分。
直流驱动利用较好的基于半导体闸流管整流器来将交流电输出为直流电。
这是为可调速运转的直流电机而设计的。
速度调节是通过升高或者降低由整流器输出给电机的电压来实现的。
速度控制通过变化晶体闸流管的点火角来实现。
另外，人们通常供应最低价的中介物和大功率应用。
交流驱动利用固态的可调式变频器来调节频率和电压以实现变速而不用传统的固定速度的交流电机。
这是通过控制器的脉冲宽度调节来输出信号给电机实现的。
电压和频率在电机的任何速度下，都维持恒定，同样也维持扭矩恒定。
这是众所周知的每赫兹电压率。
交流和直流驱动实际上都提供了广泛的速度范围和高速调整能力。
气动线性执行器
气动系统利用压缩空气来作为工作介质，执行器则是气缸。
压缩机提供压缩空气，通常近似于70-150psi磅/平方英寸（482kPa-1.03MPa）,比起液压系统来，力量要低得多。
空气被压缩后，利用处理装置将额外的水分和热量从空气中排除了。
压缩机不能对应提供高容量的压缩空气；因此，大容量的压缩空气被装进储气罐。
储气罐装置了压敏开关，当压缩空气的压力开始降低到设定指标以下，就激活压缩机工作。
调节阀和执行器则将废气空气排出到大气中。
气压系统是一个开放式系统，会持续处理新鲜空气。
因此，回流线网络就被排出在该系统之外。
双气缸或者单气缸对于设定好起点和终点的设备来说，就能提供理想的低能量直线运动。
由于空气的可压缩性，对于变动载荷而言，气动系统并非特别应用于两端点之间所需的精确运动。
基础设施可以用高压储气罐来替换。
储气罐有着类似的功能，有电池和电路系统，来驱动轻型活动的启动系统。
c这些应用中，储气罐的容量限制了系统的工作能力和范围。
图六：
气动系统组件
液压和气压气缸用来产生有特定最大行程的直线运动。
气缸可以是单动式或双动式。
气缸为载货或末级控制的直线运动产生强大的力量。
单动式气缸允许流体进入气缸的一端。
活塞利用重力或者弹簧回复到初始位置。
双动式气缸允许流体进入到气缸的两端，通过产生的力量来将活塞推回到初始位置。
气缸的选择决定于以下方面：
推动载荷的力量，系统应用所需速度（液压和气压），工作流体压力，流速，阀门尺寸和超大要素。
气压缸比液压缸力量为小，但气压缸速度比液压缸快。
气压缸的速度取决于能够对载荷加速的力量和能被排到推动活塞前段的气体量。
气缸弯头内的可调式阀门，是调节气动缸体速度的方法。
气缸产生的推力F,计算公式如下：
F=AP
其中P是工作压力，A是横截面积
工作压力的选定关系到气缸尺寸和价格还需考虑到泄露和气泵的价格等操作因素。
更高的工作压力则需要更小的气缸和更小的流量来达到特定的力量和速度电路和电气系统部件。
邮件分拣机的电路和电气系统部件主要组成由可编程逻辑控制器（PLC），光符识别器（OCR），条码分拣机（BCS），气动直线执行机构和光电感应器。
可编程逻辑控制器（PLC）
可编程逻辑控制器（PLC）是加装在传感器和执行器之间通过内存中的程序控制来达到灵活程控的主要设备。
PLC是数字电子操作装置。
它利用执行内部储存的具有特定功能的指令的可编程内存，并且通过数字或者模拟输入和输出的方式诸如逻辑，排序，计时，计数和运算来控制进程或者各种机器设备（格鲁尔1989）。
PLC被用于控制诸如传送系统，食品加工机械，汽车装配线等等设备。
PLC软件就是控制程序是由储存在内存中的各种指令组成的。
PLC可以按照输出和输入以及内存容量来考虑是用小型，
中型或者大型。
程序经由编程设备连接到PLC的程序端口，编程设备可以是私人电脑，也可以是微型编程器。
PLC的程序可以由梯形逻辑，布尔型或者Grafcet程序语言来编写。
梯形逻辑图程序使用简单，执行方便，它提供了在IEC1131环境下使用的强大的编程工具（布莱恩1997）。
所有的PLC梯形逻辑图都使用两种基本型指令集：
触发和感应。
触发是用更多或者更少地模拟输入字段的设备的开关条件指令，从而实现监控。
输出或执行设备的功能决定于感应指令集，跟触发不同的是，感应监控PLC控制程序并且告知设备输出栏，是否变动状态。
PLC的扫描是三步式监控输入的过程，执行PLC控制程序，并且更具需要变化输出状态。
扫描时间是大致界定的，当可编程控制器用时间来询问输入设备，执行应用程序并提供更新过的执行信号给输出设备。
扫描时间范围从0.1毫秒/1K（1024）逻辑字符到超过50毫秒/1K逻辑字符。
用来持续记录所有信息，它使用了一个被称为“寻址”的系统。
地址是一个标签或者数字，指向一条编入PLC内存的确定信息。
图七：
PLC方块图
图7是通用PLC方块图的说明，包含了电源，输入/输出模块，中央处理器，内存和可拆式程控设备。
输入被定义为真实信号，向控制器输入真实的过程变量的时间状态。
输出则是执行器现场设备。
输入和输出可以是数字式或者模拟式信号。
可拆卸式程控设备本质上不算是PLC的部分。
但是，在程序开发，启动，控制和维修时，它提供了界面和联络给PLC的识别和使用者所期望的效果。
编程可以是离线或者在线的，并且在每个扫描被编码和被插入到内存的时候执行指令。
图八：
典型PLC梯状逻辑图
PLC的选择，要考虑到I/O的容量，类型/控制的复杂程度，内存类型和大小，软件容量，编程的容易性和灵活性，扫描时间，操作条件，包装需求（防尘，防水，耐用及连接方式），物理和环境特性（温度，湿度，灰尘等级，腐蚀，震动，电磁干扰/射频干扰和可用的物理空间），复杂程度和成本，系统诊断，控制器可靠性，供应商支撑，PLC设备的标准化和上述所有过程的知识了解和掌握。
自动识别技术
对于邮件分拣的自动识别涉及到光符识别，条形编码和随后的分拣。
光符识别术语是用来描述所有关于使用光源和探测器来释读包含条形码，光学符号和更常见的人类可读字符自动识别的数据输入模式。
邮政光符识别用来读取手工书写和打印的地址。
光符识别器（OCR）扫描信件大小的邮件地址并将信息转换为邮政数字编码技术（POSTNET）条形码。
OCR随后打印递送点条形码在下方正确的位置，被称为邮件条码清除区。
邮政的OCR依靠内部数据库资料核实地址信息。
确定地址后，OCR必须能够清晰地查看所有要素。
因此，一个完整的地址和良好的打印质量就显色非常重要。
OCR随后以条码为基础做出邮件的初始分拣。
从这一点起，就可以利用高速条码分拣机（BCSs）通过读取和释读条形码来进行邮件分拣。
这些
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