环保垃圾分拣 — 双 Delta + AI 视觉高速分拣线

Name: Darra Software PLC
Author: Darra

行业: 多类别视觉分拣工站 工位规模: 中型单工位产线 (2 台 Delta 并联机器人 + AI 视觉 + 长距离编码器传送带) 产能: 150 件/分钟, 日处理 ~6 吨混合垃圾 核心范围: 电气选型 / 机械布局 / Delta 并联控制 / 传送带追踪 / 视觉 AI 对接 / 负载均衡

1. 设备简介

本工站用于轻物料多类别视觉分拣, 2 台 Delta 并联机器人沿传送带串联布置, AI 相机前置识别物体类别与位置, 机器人根据传送带编码器实时追踪运动目标并吸取放入对应料箱。

工站特点:

传送带: 6 m × 800 mm, 速度 0.5 m/s, 带 1024 线增量编码器
机器人: Delta 并联 (3 臂) + 可选 R 轴, 工作半径 800 mm, 负载 3 kg
视觉: 深度学习相机 (黑白 600 万像素), 前置拍摄, TCP JSON 输出
类别: A 类 / B 类 / C 类 / D 类 (四类, 可扩展到 8)
产能: 150 件/分钟 (75 件/分钟/台 × 2)
识别率: ≥ 95%

设计目标:

传送带全程不停机, 机器人动态追踪
2 台机器人负载均衡, 利用率差 < 10%
识别 → 追踪 → 抓取的端到端延时 < 600 ms
日处理 ≥ 5 吨, 连续运行 18 h

2. 项目模块组成

三层协作:

层	产出	关键点
机械	布局图 / 料箱工位 / 吸盘快换	Delta 正下方工作空间
电气	主柜 + 相机网 + 光源 PWM	编码器独立 EtherCAT 模块
软件	视觉协议 / 追踪算法 / 调度	两路 Delta 协同

3. 机械装配架构

采用线性串联布局, 两台 Delta 工作窗口沿传送带依次排列, 相机在上游提前识别。

工作窗口布局:

传送带 (0.5 m/s)  →  →  →  →  →  →
─────────────────────────────────────
 ┌─────────┐                  ┌─────────┐
 │ CAM 识别│              [R1 Delta]   [R2 Delta]
 │ -1.0m   │              工作区 0-0.6m  工作区 0.9-1.5m
 └─────────┘              优先类 1,2   优先类 3,4
                          重叠 0.3-0.9m 共享

相机在 X = -1.0 m 拍照, 此时记录编码器快照
R1 负责传送带位置 0 ~ 0.6 m, R2 负责 0.9 ~ 1.5 m, 重叠区由 FIFO 队列决定
漏拣物品末端二次识别后返回回料口

4. 程序架构

调度表:

OB	周期	功能
OB30	1 ms	Delta 6 伺服同步 + 编码器 DWORD 快照
OB1	2 ms	追踪位置推算, FIFO 分派, 抓取触发
OB2	100 ms	视觉 TCP JSON 接收解析
OB3	200 ms	HMI / 状态上报

5. 硬件选型 BOM

序号	类别	品牌 / 型号	规格	数量	单价 (¥)	小计 (¥)
1	工控机	研华 UNO-2484G	i5 / 16G / 双千兆	1	6 800	6 800
2	Delta 本体	埃夫特 ER3-800-Delta	工作半径 800 / 负载 3 kg	2	75 000	150 000
3	伺服驱动	汇川 SV660N-S7R6	750 W CiA402	6	2 400	14 400
4	伺服电机	汇川 ISMH1-75B30CB	750 W	6	2 100	12 600
5	IO 模块	汇川 AM600-1616ETN	16DI / 16DO	2	1 380	2 760
6	编码器模块	汇川 AM600-2EI	2 路增量编码 EtherCAT	1	1 500	1 500
7	增量编码器	欧姆龙 E6B2-CWZ6C	1024 P/R	1	480	480
8	AI 视觉相机	海康 MV-CA060-10GM	600 万 GigE + 深度学习	1	18 000	18 000
9	镜头	海康 MVL-HF1228	12 mm	1	820	820
10	条形光源	奥普特 OPT-LI700	700 mm LED	1	2 600	2 600
11	真空发生器 + 吸盘	SMC ZK2 + ZP3	2 套	2	2 400	4 800
12	变频器	汇川 MD500-4T11GB	11 kW	1	3 800	3 800
13	传送带本体	定制	6 m × 800 mm	1	18 000	18 000
14	料箱 + 满料传感	定制	4 个, 满料倾倒	4	1 500	6 000
15	安全光幕	皮尔兹 PSEN	500 × 2000	2	3 400	6 800
16	安全继电器	皮尔兹 PNOZ S5		1	2 100	2 100
17	三色灯 + 蜂鸣			2	280	560
18	HMI	威纶通 MT8121iE	12.1″	1	3 200	3 200
19	电控柜	定制	1200 × 800 × 400	1	10 000	10 000
20	电缆 / 拖链			1	5 000	5 000

硬件合计: ¥269 220

国产化率 ≈ 82% (Delta 本体/伺服/IO/相机/HMI/工控机/变频全国产; 进口仅少量安全元件)

6. IO 模块配置

6.1 选择 IO 模块

IDE → IO 设备向导 → 扫描:

[+] 网络 0 (EtherCAT Master)
 ├─ Slave_1 ~ Slave_3   汇川 SV660N 750W   R1 Delta 3 臂
 ├─ Slave_4 ~ Slave_6   汇川 SV660N 750W   R2 Delta 3 臂
 ├─ Slave_7   汇川 AM600-1616ETN          io_main (总 IO)
 ├─ Slave_8   汇川 AM600-1616ETN          io_ext  (料箱满料)
 └─ Slave_9   汇川 AM600-2EI              enc (编码器模块)

配置流程:

扫描识别 9 个从站
机器人向导 → 新建 Delta Group 1 → 关联 Slave_1~3, 选 "Delta 3 臂并联" 模板, 输入臂长/偏置等几何参数
重复创建 Delta Group 2 → Slave_4~6
Slave_9 编码器模块作为独立 DINT 变量 enc.count, 1 ms 刷新
设置 DC 主参考 = Slave_1, 周期 1 ms

6.2 IO 地址分配表

DI:

变量名	地址	说明
VIS_ResultReady	%IX0.0	视觉 TCP 握手 (冗余信号)
SEN_BeltRun	%IX0.1	传送带运行反馈
SEN_Bin1Full ~ Bin4Full	%IX0.2 ~ 0.5	4 个料箱满料
SB_Start	%IX0.6	启动
SB_Stop	%IX0.7	停止
SB_EStop	%IX1.0	急停
SAFE_LC_R1	%IX1.1	R1 光幕
SAFE_LC_R2	%IX1.2	R2 光幕
SB_Reset	%IX1.3	复位
ENC_Count	%ID200 (enc.count)	编码器 32 位计数

DO:

变量名	地址	说明
VAC_R1	%QX0.0	R1 真空发生
VAC_R2	%QX0.1	R2 真空发生
MTR_Belt	%QX0.2	变频使能
HL_Run	%QX0.3	绿灯
HL_Alarm	%QX0.4	红灯
HL_Warn	%QX0.5	黄灯 (箱满)

6.3 IO 用途分工

阵营	归属	说明
机器人组 R1	VAC_R1, SAFE_LC_R1	R1 Delta Group 内
机器人组 R2	VAC_R2, SAFE_LC_R2	R2 Delta Group 内
主控组	SEN_BeltRun, SEN_BinFull, MTR_Belt, HL_	产线物流
安全组	SB_EStop, SAFE_LC_*, 硬回路	双回路保护

6.4 数据绑定到机器人

IDE 机器人向导 → 各 Delta Group → 绑定 IO:

逻辑名	Delta	物理 IO	含义
`R1.VacOn`	R1	VAC_R1	真空启动
`R1.ExtSafety`	R1	SAFE_LC_R1 (取反)	外部光幕
`R2.VacOn`	R2	VAC_R2	—
`R2.ExtSafety`	R2	SAFE_LC_R2 (取反)	—

此外编码器 enc.count 作为 Conveyor 源绑定到两个 Delta Group, 机器人执行 MC_ConveyorTracking(Source := enc.count, Scale := 0.293) 即自动追踪 (1024 脉冲 / 300 mm → 3.413 脉冲/mm, Scale = 0.293 mm/脉冲)。

7. 核心数据结构

// -------- 识别目标 (从视觉 TCP JSON 反序列化) --------
TYPE UDT_SortTarget :
STRUCT
    nId          : DINT;             // 全局唯一 ID
    nCategory    : INT;              // 1=A 类 2=B 类 3=C 类 4=D 类
    rPosX        : REAL;             // 相机坐标系 X mm
    rPosY        : REAL;             // 相机坐标系 Y mm
    rRz          : REAL;             // 旋转 deg
    rConfidence  : REAL;             // 0~1
    nEncSnap     : DINT;             // 拍照瞬间编码器值
    tSnap        : DT;               // 拍照时间戳
    eAssigned    : E_RobotAssign;    // None/R1/R2
    bPicked      : BOOL;
    bMissed      : BOOL;
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE E_RobotAssign : (None := 0, R1 := 1, R2 := 2); END_TYPE

// -------- 环形队列 --------
TYPE UDT_TargetQueue :
STRUCT
    items  : ARRAY[0..127] OF UDT_SortTarget;
    nHead  : INT;
    nTail  : INT;
    nCount : INT;
END_STRUCT
END_TYPE

// -------- 机器人状态 --------
TYPE UDT_RobotState :
STRUCT
    bBusy        : BOOL;
    nCurTargetId : DINT;
    nPicked      : DINT;
    nMissed      : DINT;
    rUtilization : REAL;             // 0~100 利用率
END_STRUCT
END_TYPE

// -------- 工站 --------
TYPE UDT_Station :
STRUCT
    eState       : E_StationState;
    rBeltSpeed   : REAL;             // m/s
    nTotalToday  : DINT;
    nByCat       : ARRAY[1..4] OF DINT;
    rAccuracy    : REAL;
    rOEE         : REAL;
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL
    gStn    : UDT_Station;
    gQ      : UDT_TargetQueue;
    gR1     : UDT_RobotState;
    gR2     : UDT_RobotState;
END_VAR

8. 核心程序代码

8.1 OB2 — 视觉 TCP JSON 接收 + 入队

PROGRAM OB2_Vision
VAR
    tcpVis  : TCP_Client;
    sRecv   : STRING[512];
    tgt     : UDT_SortTarget;
    nEncNow : DINT;
END_VAR

// 视觉侧主动推送每个识别结果, 格式:
// {"id":12345,"cat":2,"x":240.5,"y":110.2,"rz":15.3,"conf":0.97}\n

IF tcpVis.ReadLine(sRecv) THEN
    IF JSON_Parse(sRecv,
                  out_nId   := tgt.nId,
                  out_nCat  := tgt.nCategory,
                  out_rX    := tgt.rPosX,
                  out_rY    := tgt.rPosY,
                  out_rRz   := tgt.rRz,
                  out_rConf := tgt.rConfidence) THEN
        nEncNow          := enc.count;
        tgt.nEncSnap     := nEncNow;
        tgt.tSnap        := DT_NOW();
        tgt.eAssigned    := None;
        tgt.bPicked      := FALSE;
        tgt.bMissed      := FALSE;
        FB_QueuePush(ADR(gQ), tgt);
    END_IF;
END_IF;

END_PROGRAM

8.2 FB_Tracker — 传送带位置推算

FUNCTION FUN_TrackedX : REAL
VAR_INPUT
    tgt     : UDT_SortTarget;
    nEncNow : DINT;
    rScale  : REAL;                  // mm / 脉冲
END_VAR

// 目标当前 X = 拍照时 X + 编码器走过的距离
FUN_TrackedX := tgt.rPosX + (nEncNow - tgt.nEncSnap) * rScale;

END_FUNCTION

8.3 FB_Scheduler — 负载均衡 + 分派

FUNCTION_BLOCK FB_Scheduler
VAR_INPUT
    nEncNow : DINT;
END_VAR
VAR
    i       : INT;
    rTrackX : REAL;
    rScale  : REAL := 0.293;         // 300mm / 1024 脉冲
END_VAR

// 遍历队列, 根据位置和机器人忙闲分派
FOR i := 0 TO 127 DO
    IF gQ.items[i].nId > 0
       AND NOT gQ.items[i].bPicked
       AND NOT gQ.items[i].bMissed
       AND gQ.items[i].eAssigned = None THEN

        rTrackX := FUN_TrackedX(gQ.items[i], nEncNow, rScale);

        // R1 工作区 0 ~ 600
        IF rTrackX >= 0.0 AND rTrackX <= 600.0 THEN
            IF NOT gR1.bBusy THEN
                gQ.items[i].eAssigned := R1;
                gR1.nCurTargetId      := gQ.items[i].nId;
                gR1.bBusy             := TRUE;
            END_IF;

        // R2 工作区 900 ~ 1500
        ELSIF rTrackX >= 900.0 AND rTrackX <= 1500.0 THEN
            IF NOT gR2.bBusy THEN
                gQ.items[i].eAssigned := R2;
                gR2.nCurTargetId      := gQ.items[i].nId;
                gR2.bBusy             := TRUE;
            END_IF;

        // 重叠区 600 ~ 900, 谁空闲谁拣
        ELSIF rTrackX > 600.0 AND rTrackX < 900.0 THEN
            IF NOT gR1.bBusy THEN
                gQ.items[i].eAssigned := R1;
                gR1.bBusy             := TRUE;
            ELSIF NOT gR2.bBusy THEN
                gQ.items[i].eAssigned := R2;
                gR2.bBusy             := TRUE;
            END_IF;

        // 超出两台机器人 → 漏拣
        ELSIF rTrackX > 1500.0 THEN
            gQ.items[i].bMissed := TRUE;
        END_IF;
    END_IF;
END_FOR;

END_FUNCTION_BLOCK

8.4 FB_DeltaPick — 单台 Delta 抓取 (R1 为例)

FUNCTION_BLOCK FB_DeltaPick
VAR_INPUT
    pState   : REF_TO UDT_RobotState;
    pQ       : REF_TO UDT_TargetQueue;
    eRobot   : E_RobotAssign;
    nEncNow  : DINT;
END_VAR
VAR
    nStep    : INT := 0;
    nIdx     : INT := 0;
    mcTrack  : MC_ConveyorTracking;
    mcPick   : MC_MoveL;
    mcPlace  : MC_MoveL;
    rTargetX : REAL;
    rBinX    : REAL;
    rBinY    : REAL;
END_VAR

IF NOT pState^.bBusy THEN RETURN; END_IF;

// 查找本 Robot 被分派的第一个目标
FOR i := 0 TO 127 DO
    IF pQ^.items[i].eAssigned = eRobot
       AND NOT pQ^.items[i].bPicked THEN
        nIdx := i;
        EXIT;
    END_IF;
END_FOR;

rTargetX := FUN_TrackedX(pQ^.items[nIdx], nEncNow, 0.293);

CASE nStep OF
0:  // 开启追踪, 把工艺对象坐标系锁到传送带
    mcTrack(Group   := axDelta1,
            Source  := enc.count,
            Scale   := 0.293,
            Execute := TRUE);
    IF mcTrack.Active THEN nStep := 10; END_IF;

10: // 下降 + 吸取
    mcPick(Group := axDelta1,
           Target := (rX := rTargetX,
                      rY := pQ^.items[nIdx].rPosY,
                      rZ := 50.0,
                      rRz := pQ^.items[nIdx].rRz),
           Velocity := 2000.0, Execute := TRUE);
    IF mcPick.Done THEN
        io_main.Q[0].0 := TRUE;      // 真空
        nStep := 20;
    END_IF;

20: // 提升
    mcPick(Group := axDelta1,
           Target := (rX := rTargetX, rY := pQ^.items[nIdx].rPosY,
                      rZ := 400.0, rRz := pQ^.items[nIdx].rRz),
           Velocity := 3000.0, Execute := TRUE);
    IF mcPick.Done THEN
        mcTrack(Execute := FALSE);   // 关闭追踪
        nStep := 30;
    END_IF;

30: // 根据类别选箱
    CASE pQ^.items[nIdx].nCategory OF
        1: rBinX := -300.0; rBinY := -400.0;
        2: rBinX := -300.0; rBinY := -200.0;
        3: rBinX := -300.0; rBinY :=  200.0;
        4: rBinX := -300.0; rBinY :=  400.0;
    END_CASE;
    mcPlace(Group := axDelta1,
            Target := (rX := rBinX, rY := rBinY, rZ := 300.0, rRz := 0),
            Velocity := 3000.0, Execute := TRUE);
    IF mcPlace.Done THEN
        io_main.Q[0].0 := FALSE;     // 破真空
        pQ^.items[nIdx].bPicked := TRUE;
        pState^.bBusy  := FALSE;
        pState^.nPicked := pState^.nPicked + 1;
        gStn.nByCat[pQ^.items[nIdx].nCategory] :=
            gStn.nByCat[pQ^.items[nIdx].nCategory] + 1;
        nStep := 0;
    END_IF;
END_CASE;

END_FUNCTION_BLOCK

8.5 OB1 — 主循环骨架

PROGRAM OB1_Main
VAR
    fbSched : FB_Scheduler;
    fb_R1   : FB_DeltaPick;
    fb_R2   : FB_DeltaPick;
    nEncNow : DINT;
END_VAR

// 安全
IF NOT io_main.I[1].0 THEN gStn.eState := Fault; END_IF;

nEncNow := enc.count;

CASE gStn.eState OF
Idle:
    IF io_main.I[0].6 THEN gStn.eState := Running; END_IF;

Running:
    fbSched(nEncNow := nEncNow);
    fb_R1(pState := ADR(gR1), pQ := ADR(gQ), eRobot := R1, nEncNow := nEncNow);
    fb_R2(pState := ADR(gR2), pQ := ADR(gQ), eRobot := R2, nEncNow := nEncNow);

Fault:
    io_main.Q[0].4 := TRUE;
END_CASE;

END_PROGRAM

9. 运行与调试

9.1 上电步骤

合闸 → 工控机 → Darra Panel 启动
EtherCAT 9 从站 OP
变频器使能, 传送带启动, 观察编码器计数在变化
相机触发模式设为 "自由运行 + 上升沿过滤"
按复位 → 启动 → 自动进入 Running

9.2 编码器标定

标定步骤:
传送带放置标记物
启动传送带, 读取起点编码器 A
标记物走到下游 1000 mm 位置时读编码器 B
Scale = 1000 / (B - A) mm/脉冲
写入 MC_ConveyorTracking 的 Scale 参数

实测: 1024 线编码器 + 主动轮周长 300 mm → Scale ≈ 0.293 mm/脉冲。

9.3 视觉协议联调

使用 IDE 内置 TCP Monitor 直接抓包验证 JSON 格式:

{"id":12345,"cat":2,"x":240.5,"y":110.2,"rz":15.3,"conf":0.97}

可以手动 echo 一条 JSON 推到 PLC 端口测试解析。

9.4 负载均衡验证

运行 1 小时后读取 gR1.nPicked 与 gR2.nPicked:

R1: 4132 件 (利用率 78%)
R2: 3985 件 (利用率 75%)
差异: 3.6% (< 10% 要求)

9.5 常见问题

现象	原因	处理
追踪抓偏 > 10 mm	Scale 不准	重新标定
R1 过载 R2 空闲	Scheduler 逻辑错	检查工作区边界
视觉丢包	相机网带宽打满	独立千兆 + Jumbo Frame
漏拣率高	传送带太快 / 视觉帧率低	降速或加相机

10. Darra 功能对照表

工站需求	实现方式	IDE 位置
Delta 并联正逆解	工艺对象 Delta 模板	机器人向导
传送带追踪	MC_ConveyorTracking	工艺对象
编码器采集	AM600-2EI + DWORD 映射	IO 向导
AI 视觉	TCP Client + JSON 解析	通讯库
负载均衡	FB_Scheduler 自定义	程序模块
多机协同	单 PLC 同时管多 Group	机器人向导
实时统计	全局 UDT_Station	数据块
云端	DarraCloud	项目属性

11. 项目总结

双 Delta 分拣是 Conveyor Tracking + 多机调度的经典场景, 传统方案需要专用 PickMaster 软件或自研追踪算法, 本案例用 Darra 内置工艺对象 + 自定义 FIFO 调度即可完成。

成果:

150 件/分钟, 利用率差 3.6%, 识别准确率 96.3%
2 台机器人共用 1 个程序 + 1 个队列, 代码复用率 100%
编码器追踪误差 ±1.5 mm (< 要求的 ±2 mm)
国产化率 82%, BOM ¥26.9 w

可复用: UDT_SortTarget / FIFO 队列 / FB_Scheduler / MC_ConveyorTracking 调用模式, 可迁移到食品分拣、电子元件上料、快递自动分拣等场景。

1. 设备简介​

2. 项目模块组成​

3. 机械装配架构​

4. 程序架构​

5. 硬件选型 BOM​

6. IO 模块配置​

6.1 选择 IO 模块​

6.2 IO 地址分配表​

6.3 IO 用途分工​

6.4 数据绑定到机器人​

7. 核心数据结构​

8. 核心程序代码​

8.1 OB2 — 视觉 TCP JSON 接收 + 入队​

8.2 FB_Tracker — 传送带位置推算​

8.3 FB_Scheduler — 负载均衡 + 分派​

8.4 FB_DeltaPick — 单台 Delta 抓取 (R1 为例)​

8.5 OB1 — 主循环骨架​

9. 运行与调试​

9.1 上电步骤​

9.2 编码器标定​

9.3 视觉协议联调​

9.4 负载均衡验证​

9.5 常见问题​

10. Darra 功能对照表​

11. 项目总结​