一種集裝箱智能清洗系統的設計及應用

馬云飛

上海港機重工有限公司 上海 201314

0 引言

國內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，再經水路運輸至處置目的地，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，集卡載著集裝箱駛入清洗機，待集卡停位準確后，通過安裝在車架底盤上的液壓聯動裝置打開門鎖，再打開集裝箱后門，先通過噴淋的方式對后門內平面及其箱框密封面進行清洗，然后再通過清洗機房的前后移動，帶動旋轉著的輥刷完成對箱體各個面的清洗，待所有清洗工序完成后關門閉鎖，集卡可駛離清洗作業區，清洗總時長約8 min。在清洗時間內，集卡處于等候狀態，集卡利用率低，加之清洗設備的老化，清洗效率與質量難以保證。故對既有設備進行過升級改造，采用集裝箱的自動化清洗改變傳統的作業方式，大幅提高生產效率、提升清洗質量可控程度、改善施工環境?，F階段集裝箱的清洗節拍為8 min/箱，新設備運行后的生產節拍僅為1.6 min/箱。并可減少集卡無效等待時間，節省下來的時間，集卡可用來進行運輸作業，從而減少總集卡數量。

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

圖1 集裝箱智能清洗系統示意圖

1 大車集卡引導系統

采用2D激光測距儀對集卡進行掃描，通過控制器對掃描儀反饋的數據進行分析處理，結合模式識別及定位算法，快速定位箱體和車架，并通過LED顯示屏實時引導集卡司機停在準確位置，精度誤差可達80 mm，激光掃描儀20 m內精度誤差可達到50 mm。集卡引導系統對于集卡前后方向作引導，并滿足集卡左右方向的偏離和角度引導。

集卡引導系統能對起重設備下車道作業的空載和重載拖車精準對位，做到準確停在起重設備下。實現吊具吊運20 ft、40 ft、45 ft集裝箱以一種空載集卡拖車長度為基準的與空載集卡拖車的對位。顯示屏用LED顯示，亮度滿足全天候工作。裝卸箱過程中，只有當吊具吊取拖車上的集裝箱上升離地8 m后或吊具離開拖車上集裝箱離地8 m時，顯示屏上顯示允許拖車駛離提醒標志。為防止吊具砸箱，如拖車引導未到位時，系統對吊具下降將有限制，保證人車安全。為了防止拖車拉拽吊具，在完成對位后，LED 屏上提示停止移動，當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域。大車集卡引導系統工作流程如圖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

滑橇輸送系統用于集裝箱在清洗系統內的位置移動，通過起重機配合吊具實現集裝箱的起吊功能，滑橇橇體托載集裝箱本體，鏈式重載輸送滾床完成托載集裝箱滑橇的輸送功能，實現集裝箱在整體線體的循環輸送，滑橇輸送系統由多個單體滑橇機構組合而成。

滑橇式輸送系統起源并廣泛用于歐美汽車制造行業，德、美、法等國家汽車制造行業都有應用，也相應形成了德系、美系、法系等主要應用系列?；潦捷斔拖到y在汽車制造行業的焊接、涂裝、總裝以及工序之間的過廊上都有規?；膽?，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。

滑橇橇體設計夾緊機構，確保集裝箱定位精度總誤差在5 mm以內。動力驅動裝置采用三合一電機減速器，減速器與滾床傳動軸直接連接并內置制動。為消除地坪不平整對設備安裝及運行帶來的不良影響，滾床支架底部采用高度可調節底腳。升降滾床用于滾床與輸送雙鏈之間轉接，上層為輸送滾床，下層為升降機構，滾床安裝在承重框架上，滾床上設有檢測開關，以保證橇體在滾床上的可靠停止及定位，橇體在運行方向上的定位精度為10 mm。單體滑橇機構如圖4所示。

圖4 單體滑橇示意圖

3 清洗系統

清洗系統是一套自動化系統，與箱體外表檢測機構、噴藥系統、自動吊裝系統、自動輸送系統聯動，實現流水線自動化清洗作業，集檢測、運輸、噴藥、清洗于一體。采用工業自動化控制系統，自動識別、自動噴藥、自動清洗，全程實現無人化操作。清洗系統由噴藥、前后端升降沖洗、四面刷洗、前后端升降刷洗、清洗房和主機房6大部分構成。

清洗系統采用高壓噴嘴配合化學藥劑的形式對集裝箱的上下左右及前后6個面分別進行清洗作業，并配置風干功能，防止清洗水殘留，影響場地美觀。

待洗集卡到達檢測房后由檢測機構檢測，根據箱體臟污情況，需要噴藥的由輸送線給出噴藥命令，噴藥系統接到命令后，先啟動后端面上下升降噴藥系統，對箱體后端面噴藥，結束后給檢測機構噴藥完成信號，同時開啟出口處噴藥裝置，檢測機構通過變換信號燈顏色指引車輛駛離。車輛在駛離的過程中對車輛上、左、右3面噴藥，當車輛完全駛離噴藥架，噴藥結束。

4 廢水處理系統

為保護環境在智能清洗系統中配置了廢水處理系統。在給水排水處理工藝中，固液分離技術是關鍵，對于去除比重接近于水的微小懸浮物，氣浮分離技術是最有效的方法。本設備采用的QF 型系列組合氣浮已被廣泛應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。溶氣系統溶氣效率高、處理效果好，機電儀實現了一體控制。氣浮主要起固液分離作用（同時可降低COD、BOD、色度等），主要利用溶氣系統產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），經過 3～15 min 的有效絮凝反應。其時間、藥量和絮凝效果須由實驗測定，原水經過絮凝反應，進入接觸區。在接觸區內，微氣泡與原水中絮體相互粘合，一起進入分離區，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。浮渣由刮沫機刮至污泥區。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使用，另一部分則排放。

5 清潔度檢測系統

清潔度檢測系統如圖5所示，通過網絡攝像機獲取集裝箱外表面的圖片信息，利用機器學習算法判斷出箱體表面的清潔程度。系統配置有車輛傳感器檢測車輛到位，三色信號燈用于指示車輛是否到位以及檢測結束，車牌攝像機用于抓拍車牌，網絡攝像機用于抓拍箱體圖片，機器學習算法集成于上位機軟件中，系統用所有邏輯處理均由上位機軟件完成。系統對外提供結果數字輸出和記錄網絡輸出，可對接噴藥系統和其他網絡上的信息系統。

圖5 清潔度檢測系統布局示意圖

集裝箱污漬識別系統主要分圖像采集模塊、檢測模塊、硬件模塊。圖像采集模塊負責車廂外表面圖片的數字化采集，系統通過安裝左、右、后3個攝像頭實現對車廂的左、右、后3個面拍照并將抓拍的圖像數據傳送給檢測模塊。前攝像頭負責采集車的前部圖像，并通過車牌識別算法檢測出車牌號。檢測模塊由機器學習算法來實現。通過學習大量圖像數據最終訓練出檢測集裝箱清潔度的算法模型。檢測模塊在收到圖像數據后，將圖像數據傳送給模型，模型經過計算得出結果并輸出。硬件模塊通過可編程邏輯控制器來協調軟硬件的同步。

6 中央控制系統

中央控制系統是整個自動清洗線的控制核心，主要功能有3部分：1)接收并分析操作指令，安排任務操作指令主要來源于操作盒，當司機按下相應的按鈕后，信號傳送至中控系統。中控系統接收到操作指令，將指令分析轉換后發送給各系統；安排各系統執行相應的任務。2)采集各系統的數據以及狀態，通過中央處理器與各系統的PLC進行網絡通訊，通訊網絡采集各系統的狀態以及運行數據，并將各系統的狀態匯總分析進行相應的連鎖保護。3)給各系統發送指令，向運輸線和清洗機只發送運行允許命令，向起重機發送運行允許命令和運行坐標，包括大車位置、小車位置、起升位置。

中央控制系統可實現起重機電控系統、滑橇輸送系統、清洗機系統數據采集，對所有系統通訊狀態及基本元件的狀態都實時監測，并以直觀的狀態及圖表顯示。所有系統軟硬件安全連鎖，吊具狀態、起重設備數據如電壓、電流、頻率、起升位置、小車位置、滑橇輸送傳遞工位、清洗機清洗狀態、故障狀態等信息實時顯示在CMS軟件中。實時監視狀態的信息均可通過回放界面查看。系統能顯示故障內容、發生及復位時間、所屬機構等，通過歷史故障功能的開始時間結束時間來查詢故障發生的內容、發生復位時間、類型（輕/重）、發生頻率等，并能將查詢的故障信息生成報表。

系統提供的趨勢曲線功能為用戶分析系統運行提供有效支持。系統既可以趨勢曲線形式顯示各系統驅動器、電動機等設備的實時電壓、電流、頻率等參數，也可顯示所有子系統的PLC輸入輸出點等開關量參數。為提高對比效果，系統可將所有參數在同一坐標系內顯示。通過方便靈活的趨勢工具，用戶可以自由調整趨勢曲線的顯示，如調整曲線的幅值、顏色等。系統采用Sqlserver數據庫作為監控數據的存儲形式。可實現數據的自動管理功能，即可設置數據的存儲時長、數據的自動清理及備份以保證存儲介質始終有足夠的空間進行數據存儲，徹底擺脫了傳統的數據手動清理所帶來的不便，更加高效便捷。

7 起重機和吊具

如圖6所示，起重機和吊具用于堆放集裝箱，最大起重量10 t，起重機門架為固定式，無大車運行機構，采用地面遙控操作。起重機各機構均為工作性機構，均能帶載動作，完成貨物起升、下降及橫移運動。

圖6 起重機和吊具布局示意圖

起升機構由2臺變頻電動機、液力推桿制動器、減速器、卷筒及載荷傳感器等組成。起升繩從卷筒上引出，一路經吊具滑輪到改向滑輪到載荷傳感器，另一路經吊具滑輪返回到小車固定端。起升電動機為2臺55 kW變頻電動機，可保證運行平穩和操作準確。卷筒軸承座端設有編碼器，以限制吊具的起升高度及快速準確定位。采用4繩纏繞系統，吊具為4吊點的伸縮式集裝箱專用吊具，通過吊具回轉裝置可實現吊具的水平旋轉，便于裝卸操作。

小車行走為分別驅動，采用4個7.5 kW的三合一電機減速器直接驅動行走輪，并采用變頻調速方式保持同步。分別驅動利于小車快速啟動，防止啟動打滑，使小車定位準確，吊具對箱作業更加高效。起重機的起升機構、小車機構均有終點開關保護，小車錨定銷上均有行程或聯鎖開關。

8 結語

本智能清洗系統現場運行穩定，單箱清洗節拍可達1.6 min/箱，較原清洗線8 min/箱，節約時間達80%，有效減少車輛投入6輛，節約集卡司機10人，每年可節約綜合成本300余萬元。本項目的投入實施可實現集裝箱智能自動清洗，減少殘留集裝箱外部的生活垃圾對環境的影響，維護市容市貌。配合生活垃圾集裝箱轉運技術，為城市生活垃圾處理帶來新的技術進步。該方法具有復制推廣性，可有效解決城市生活垃圾集裝箱清洗問題，為未來自動化清洗工作的開展提供了一種通用、可行的解決方案。