一種集裝箱智能清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬云飛

上海港機(jī)重工有限公司 上海 201314

0 引言

國內(nèi)某廢棄物處置公司自2009年起生活垃圾的處置改用集裝箱灌裝，再經(jīng)水路運(yùn)輸至處置目的地，明顯改善了垃圾原先散裝再通過抓斗裝卸所造成的二次污染與環(huán)境臟亂差的狀況。

集裝箱清洗采用車箱不分離的方式，集卡載著集裝箱駛?cè)肭逑礄C(jī)，待集卡停位準(zhǔn)確后，通過安裝在車架底盤上的液壓聯(lián)動(dòng)裝置打開門鎖，再打開集裝箱后門，先通過噴淋的方式對(duì)后門內(nèi)平面及其箱框密封面進(jìn)行清洗，然后再通過清洗機(jī)房的前后移動(dòng)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)著的輥刷完成對(duì)箱體各個(gè)面的清洗，待所有清洗工序完成后關(guān)門閉鎖，集卡可駛離清洗作業(yè)區(qū)，清洗總時(shí)長(zhǎng)約8 min。在清洗時(shí)間內(nèi)，集卡處于等候狀態(tài)，集卡利用率低，加之清洗設(shè)備的老化，清洗效率與質(zhì)量難以保證。故對(duì)既有設(shè)備進(jìn)行過升級(jí)改造，采用集裝箱的自動(dòng)化清洗改變傳統(tǒng)的作業(yè)方式，大幅提高生產(chǎn)效率、提升清洗質(zhì)量可控程度、改善施工環(huán)境?，F(xiàn)階段集裝箱的清洗節(jié)拍為8 min/箱，新設(shè)備運(yùn)行后的生產(chǎn)節(jié)拍僅為1.6 min/箱。并可減少集卡無效等待時(shí)間，節(jié)省下來的時(shí)間，集卡可用來進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)，從而減少總集卡數(shù)量。

如圖1所示，集裝箱智能清洗系統(tǒng)主要由大車集卡引導(dǎo)系統(tǒng)、滑橇輸送系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、清潔度檢測(cè)系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、起重機(jī)和吊具等系統(tǒng)組成。

圖1 集裝箱智能清洗系統(tǒng)示意圖

1 大車集卡引導(dǎo)系統(tǒng)

采用2D激光測(cè)距儀對(duì)集卡進(jìn)行掃描，通過控制器對(duì)掃描儀反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)合模式識(shí)別及定位算法，快速定位箱體和車架，并通過LED顯示屏實(shí)時(shí)引導(dǎo)集卡司機(jī)停在準(zhǔn)確位置，精度誤差可達(dá)80 mm，激光掃描儀20 m內(nèi)精度誤差可達(dá)到50 mm。集卡引導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)于集卡前后方向作引導(dǎo)，并滿足集卡左右方向的偏離和角度引導(dǎo)。

集卡引導(dǎo)系統(tǒng)能對(duì)起重設(shè)備下車道作業(yè)的空載和重載拖車精準(zhǔn)對(duì)位，做到準(zhǔn)確停在起重設(shè)備下。實(shí)現(xiàn)吊具吊運(yùn)20 ft、40 ft、45 ft集裝箱以一種空載集卡拖車長(zhǎng)度為基準(zhǔn)的與空載集卡拖車的對(duì)位。顯示屏用LED顯示，亮度滿足全天候工作。裝卸箱過程中，只有當(dāng)?shù)蹙叩跞⊥宪嚿系募b箱上升離地8 m后或吊具離開拖車上集裝箱離地8 m時(shí)，顯示屏上顯示允許拖車駛離提醒標(biāo)志。為防止吊具砸箱，如拖車引導(dǎo)未到位時(shí)，系統(tǒng)對(duì)吊具下降將有限制，保證人車安全。為了防止拖車?yán)У蹙?，在完成?duì)位后，LED 屏上提示停止移動(dòng)，當(dāng)完成裝卸箱且吊具升到一定高度后，LED 屏上提示拖車駛離操作區(qū)域。大車集卡引導(dǎo)系統(tǒng)工作流程如圖2、圖3所示。

圖2 裝車工作流程示意圖

圖3 卸車工作流程示意圖

2 滑橇輸送系統(tǒng)

滑橇輸送系統(tǒng)用于集裝箱在清洗系統(tǒng)內(nèi)的位置移動(dòng)，通過起重機(jī)配合吊具實(shí)現(xiàn)集裝箱的起吊功能，滑橇橇體托載集裝箱本體，鏈?zhǔn)街剌d輸送滾床完成托載集裝箱滑橇的輸送功能，實(shí)現(xiàn)集裝箱在整體線體的循環(huán)輸送，滑橇輸送系統(tǒng)由多個(gè)單體滑橇機(jī)構(gòu)組合而成。

滑橇式輸送系統(tǒng)起源并廣泛用于歐美汽車制造行業(yè)，德、美、法等國家汽車制造行業(yè)都有應(yīng)用，也相應(yīng)形成了德系、美系、法系等主要應(yīng)用系列?；潦捷斔拖到y(tǒng)在汽車制造行業(yè)的焊接、涂裝、總裝以及工序之間的過廊上都有規(guī)模化的應(yīng)用，特別是2000年以來，大部分涂裝地面輸送方式均采用該輸送系統(tǒng)。

滑橇橇體設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)，確保集裝箱定位精度總誤差在5 mm以內(nèi)。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置采用三合一電機(jī)減速器，減速器與滾床傳動(dòng)軸直接連接并內(nèi)置制動(dòng)。為消除地坪不平整對(duì)設(shè)備安裝及運(yùn)行帶來的不良影響，滾床支架底部采用高度可調(diào)節(jié)底腳。升降滾床用于滾床與輸送雙鏈之間轉(zhuǎn)接，上層為輸送滾床，下層為升降機(jī)構(gòu)，滾床安裝在承重框架上，滾床上設(shè)有檢測(cè)開關(guān)，以保證橇體在滾床上的可靠停止及定位，橇體在運(yùn)行方向上的定位精度為10 mm。單體滑橇機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 單體滑橇示意圖

3 清洗系統(tǒng)

清洗系統(tǒng)是一套自動(dòng)化系統(tǒng)，與箱體外表檢測(cè)機(jī)構(gòu)、噴藥系統(tǒng)、自動(dòng)吊裝系統(tǒng)、自動(dòng)輸送系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)流水線自動(dòng)化清洗作業(yè)，集檢測(cè)、運(yùn)輸、噴藥、清洗于一體。采用工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)噴藥、自動(dòng)清洗，全程實(shí)現(xiàn)無人化操作。清洗系統(tǒng)由噴藥、前后端升降沖洗、四面刷洗、前后端升降刷洗、清洗房和主機(jī)房6大部分構(gòu)成。

清洗系統(tǒng)采用高壓噴嘴配合化學(xué)藥劑的形式對(duì)集裝箱的上下左右及前后6個(gè)面分別進(jìn)行清洗作業(yè)，并配置風(fēng)干功能，防止清洗水殘留，影響場(chǎng)地美觀。

待洗集卡到達(dá)檢測(cè)房后由檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，根據(jù)箱體臟污情況，需要噴藥的由輸送線給出噴藥命令，噴藥系統(tǒng)接到命令后，先啟動(dòng)后端面上下升降噴藥系統(tǒng)，對(duì)箱體后端面噴藥，結(jié)束后給檢測(cè)機(jī)構(gòu)噴藥完成信號(hào)，同時(shí)開啟出口處噴藥裝置，檢測(cè)機(jī)構(gòu)通過變換信號(hào)燈顏色指引車輛駛離。車輛在駛離的過程中對(duì)車輛上、左、右3面噴藥，當(dāng)車輛完全駛離噴藥架，噴藥結(jié)束。

4 廢水處理系統(tǒng)

為保護(hù)環(huán)境在智能清洗系統(tǒng)中配置了廢水處理系統(tǒng)。在給水排水處理工藝中，固液分離技術(shù)是關(guān)鍵，對(duì)于去除比重接近于水的微小懸浮物，氣浮分離技術(shù)是最有效的方法。本設(shè)備采用的QF 型系列組合氣浮已被廣泛應(yīng)用于各類污水處理工程。QF 型系列組合氣浮能耗低、操作方便。溶氣系統(tǒng)溶氣效率高、處理效果好，機(jī)電儀實(shí)現(xiàn)了一體控制。氣浮主要起固液分離作用（同時(shí)可降低COD、BOD、色度等），主要利用溶氣系統(tǒng)產(chǎn)生的溶氣水中的微氣泡，與水中的懸浮物絮體粘合在一起，懸浮物隨微氣泡一起上升至水面形成浮渣，使水中的懸浮絮體得到去除。

清水經(jīng)射流吸氣裝置在一定的工作壓力的情況下，使空氣最大限度溶入水中，通過快速減壓釋放，形成直徑在 30～50 μm 的氣泡。在原水中加入絮凝劑 PAC 或PAM（PAC 為 400～1 000 mg/l，PAM為PAC的1/5左右），經(jīng)過 3～15 min 的有效絮凝反應(yīng)。其時(shí)間、藥量和絮凝效果須由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，原水經(jīng)過絮凝反應(yīng)，進(jìn)入接觸區(qū)。在接觸區(qū)內(nèi)，微氣泡與原水中絮體相互粘合，一起進(jìn)入分離區(qū)，在氣泡浮力的作用下，絮體與氣泡一起上升至液面形成浮渣。浮渣由刮沫機(jī)刮至污泥區(qū)。下層的清水通過集水管自流至清水池。處理后，清水一部分回流供溶氣系統(tǒng)使用，另一部分則排放。

5 清潔度檢測(cè)系統(tǒng)

清潔度檢測(cè)系統(tǒng)如圖5所示，通過網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)獲取集裝箱外表面的圖片信息，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法判斷出箱體表面的清潔程度。系統(tǒng)配置有車輛傳感器檢測(cè)車輛到位，三色信號(hào)燈用于指示車輛是否到位以及檢測(cè)結(jié)束，車牌攝像機(jī)用于抓拍車牌，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)用于抓拍箱體圖片，機(jī)器學(xué)習(xí)算法集成于上位機(jī)軟件中，系統(tǒng)用所有邏輯處理均由上位機(jī)軟件完成。系統(tǒng)對(duì)外提供結(jié)果數(shù)字輸出和記錄網(wǎng)絡(luò)輸出，可對(duì)接噴藥系統(tǒng)和其他網(wǎng)絡(luò)上的信息系統(tǒng)。

圖5 清潔度檢測(cè)系統(tǒng)布局示意圖

集裝箱污漬識(shí)別系統(tǒng)主要分圖像采集模塊、檢測(cè)模塊、硬件模塊。圖像采集模塊負(fù)責(zé)車廂外表面圖片的數(shù)字化采集，系統(tǒng)通過安裝左、右、后3個(gè)攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂的左、右、后3個(gè)面拍照并將抓拍的圖像數(shù)據(jù)傳送給檢測(cè)模塊。前攝像頭負(fù)責(zé)采集車的前部圖像，并通過車牌識(shí)別算法檢測(cè)出車牌號(hào)。檢測(cè)模塊由機(jī)器學(xué)習(xí)算法來實(shí)現(xiàn)。通過學(xué)習(xí)大量圖像數(shù)據(jù)最終訓(xùn)練出檢測(cè)集裝箱清潔度的算法模型。檢測(cè)模塊在收到圖像數(shù)據(jù)后，將圖像數(shù)據(jù)傳送給模型，模型經(jīng)過計(jì)算得出結(jié)果并輸出。硬件模塊通過可編程邏輯控制器來協(xié)調(diào)軟硬件的同步。

6 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)清洗線的控制核心，主要功能有3部分：1)接收并分析操作指令，安排任務(wù)操作指令主要來源于操作盒，當(dāng)司機(jī)按下相應(yīng)的按鈕后，信號(hào)傳送至中控系統(tǒng)。中控系統(tǒng)接收到操作指令，將指令分析轉(zhuǎn)換后發(fā)送給各系統(tǒng)；安排各系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。2)采集各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及狀態(tài)，通過中央處理器與各系統(tǒng)的PLC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，通訊網(wǎng)絡(luò)采集各系統(tǒng)的狀態(tài)以及運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將各系統(tǒng)的狀態(tài)匯總分析進(jìn)行相應(yīng)的連鎖保護(hù)。3)給各系統(tǒng)發(fā)送指令，向運(yùn)輸線和清洗機(jī)只發(fā)送運(yùn)行允許命令，向起重機(jī)發(fā)送運(yùn)行允許命令和運(yùn)行坐標(biāo)，包括大車位置、小車位置、起升位置。

中央控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)起重機(jī)電控系統(tǒng)、滑橇輸送系統(tǒng)、清洗機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，對(duì)所有系統(tǒng)通訊狀態(tài)及基本元件的狀態(tài)都實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并以直觀的狀態(tài)及圖表顯示。所有系統(tǒng)軟硬件安全連鎖，吊具狀態(tài)、起重設(shè)備數(shù)據(jù)如電壓、電流、頻率、起升位置、小車位置、滑橇輸送傳遞工位、清洗機(jī)清洗狀態(tài)、故障狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)顯示在CMS軟件中。實(shí)時(shí)監(jiān)視狀態(tài)的信息均可通過回放界面查看。系統(tǒng)能顯示故障內(nèi)容、發(fā)生及復(fù)位時(shí)間、所屬機(jī)構(gòu)等，通過歷史故障功能的開始時(shí)間結(jié)束時(shí)間來查詢故障發(fā)生的內(nèi)容、發(fā)生復(fù)位時(shí)間、類型（輕/重）、發(fā)生頻率等，并能將查詢的故障信息生成報(bào)表。

系統(tǒng)提供的趨勢(shì)曲線功能為用戶分析系統(tǒng)運(yùn)行提供有效支持。系統(tǒng)既可以趨勢(shì)曲線形式顯示各系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的實(shí)時(shí)電壓、電流、頻率等參數(shù)，也可顯示所有子系統(tǒng)的PLC輸入輸出點(diǎn)等開關(guān)量參數(shù)。為提高對(duì)比效果，系統(tǒng)可將所有參數(shù)在同一坐標(biāo)系內(nèi)顯示。通過方便靈活的趨勢(shì)工具，用戶可以自由調(diào)整趨勢(shì)曲線的顯示，如調(diào)整曲線的幅值、顏色等。系統(tǒng)采用Sqlserver數(shù)據(jù)庫作為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)形式?？蓪?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)管理功能，即可設(shè)置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)的自動(dòng)清理及備份以保證存儲(chǔ)介質(zhì)始終有足夠的空間進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，徹底擺脫了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)手動(dòng)清理所帶來的不便，更加高效便捷。

7 起重機(jī)和吊具

如圖6所示，起重機(jī)和吊具用于堆放集裝箱，最大起重量10 t，起重機(jī)門架為固定式，無大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，采用地面遙控操作。起重機(jī)各機(jī)構(gòu)均為工作性機(jī)構(gòu)，均能帶載動(dòng)作，完成貨物起升、下降及橫移運(yùn)動(dòng)。

圖6 起重機(jī)和吊具布局示意圖

起升機(jī)構(gòu)由2臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)、液力推桿制動(dòng)器、減速器、卷筒及載荷傳感器等組成。起升繩從卷筒上引出，一路經(jīng)吊具滑輪到改向滑輪到載荷傳感器，另一路經(jīng)吊具滑輪返回到小車固定端。起升電動(dòng)機(jī)為2臺(tái)55 kW變頻電動(dòng)機(jī)，可保證運(yùn)行平穩(wěn)和操作準(zhǔn)確。卷筒軸承座端設(shè)有編碼器，以限制吊具的起升高度及快速準(zhǔn)確定位。采用4繩纏繞系統(tǒng)，吊具為4吊點(diǎn)的伸縮式集裝箱專用吊具，通過吊具回轉(zhuǎn)裝置可實(shí)現(xiàn)吊具的水平旋轉(zhuǎn)，便于裝卸操作。

小車行走為分別驅(qū)動(dòng)，采用4個(gè)7.5 kW的三合一電機(jī)減速器直接驅(qū)動(dòng)行走輪，并采用變頻調(diào)速方式保持同步。分別驅(qū)動(dòng)利于小車快速啟動(dòng)，防止啟動(dòng)打滑，使小車定位準(zhǔn)確，吊具對(duì)箱作業(yè)更加高效。起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)均有終點(diǎn)開關(guān)保護(hù)，小車錨定銷上均有行程或聯(lián)鎖開關(guān)。

8 結(jié)語

本智能清洗系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，單箱清洗節(jié)拍可達(dá)1.6 min/箱，較原清洗線8 min/箱，節(jié)約時(shí)間達(dá)80%，有效減少車輛投入6輛，節(jié)約集卡司機(jī)10人，每年可節(jié)約綜合成本300余萬元。本項(xiàng)目的投入實(shí)施可實(shí)現(xiàn)集裝箱智能自動(dòng)清洗，減少殘留集裝箱外部的生活垃圾對(duì)環(huán)境的影響，維護(hù)市容市貌。配合生活垃圾集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)，為城市生活垃圾處理帶來新的技術(shù)進(jìn)步。該方法具有復(fù)制推廣性，可有效解決城市生活垃圾集裝箱清洗問題，為未來自動(dòng)化清洗工作的開展提供了一種通用、可行的解決方案。