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(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(lián)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(yè)區(qū)，清洗總時長約8 min。在清洗時間內，集卡處于等候狀態(tài)，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(tǒng)的作業(yè)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(huán)境。現(xiàn)階段集裝箱的清洗節(jié)拍為8 min/箱，新設備運行后的生產節(jié)拍僅為1.6 min/箱。并可減少集卡無效等待時間，節(jié)省下來的時間，集卡可用來進行運輸作業(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)、清潔度檢測系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、起重機和吊具等系統(tǒng)組成。

圖1 集裝箱智能清洗系統(tǒng)示意圖

1 大車集卡引導系統(tǒng)

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(shù)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(tǒng)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(tǒng)能對起重設備下車道作業(yè)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(xiàn)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?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，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(tǒng)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(qū)域。大車集卡引導系統(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)內的位置移動，通過起重機配合吊具實現(xiàn)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(xiàn)集裝箱在整體線體的循環(huán)輸送，滑橇輸送系統(tǒng)由多個單體滑橇機構組合而成。

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)都有應用，也相應形成了德系、美系、法系等主要應用系列。滑橇式輸送系統(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)?；膽茫貏e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(jié)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(tǒng)

清洗系統(tǒng)是一套自動化系統(tǒng)，與箱體外表檢測機構、噴藥系統(tǒng)、自動吊裝系統(tǒng)、自動輸送系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)流水線自動化清洗作業(yè)，集檢測、運輸、噴藥、清洗于一體。采用工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，自動識別、自動噴藥、自動清洗，全程實現(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、清洗房和主機房6大部分構成。

清洗系統(tǒng)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(yè)，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(tǒng)接到命令后，先啟動后端面上下升降噴藥系統(tǒng)，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(tǒng)

為保護環(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(tǒng)溶氣效率高、處理效果好，機電儀實現(xiàn)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(tǒng)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(qū)。在接觸區(qū)內，微氣泡與原水中絮體相互粘合，一起進入分離區(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 清潔度檢測系統(tǒng)

清潔度檢測系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)用所有邏輯處理均由上位機軟件完成。系統(tǒng)對外提供結果數(shù)字輸出和記錄網絡輸出，可對接噴藥系統(tǒng)和其他網絡上的信息系統(tǒng)。

圖5 清潔度檢測系統(tǒng)布局示意圖

集裝箱污漬識別系統(tǒng)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(shù)字化采集，系統(tǒng)通過安裝左、右、后3個攝像頭實現(xiàn)對車廂的左、右、后3個面拍照并將抓拍的圖像數(shù)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(xiàn)。通過學習大量圖像數(shù)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(shù)據后，將圖像數(shù)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(xié)調軟硬件的同步。

6 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)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(tǒng)。中控系統(tǒng)接收到操作指令，將指令分析轉換后發(fā)送給各系統(tǒng)；安排各系統(tǒng)執(zhí)行相應的任務。2)采集各系統(tǒng)的數(shù)據以及狀態(tài)，通過中央處理器與各系統(tǒng)的PLC進行網絡通訊，通訊網絡采集各系統(tǒng)的狀態(tài)以及運行數(shù)據，并將各系統(tǒng)的狀態(tài)匯總分析進行相應的連鎖保護。3)給各系統(tǒng)發(fā)送指令，向運輸線和清洗機只發(fā)送運行允許命令，向起重機發(fā)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(tǒng)可實現(xiàn)起重機電控系統(tǒng)、滑橇輸送系統(tǒng)、清洗機系統(tǒng)數(shù)據采集，對所有系統(tǒng)通訊狀態(tài)及基本元件的狀態(tài)都實時監(jiān)測，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)、起重設備數(shù)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(tài)、故障狀態(tài)等信息實時顯示在CMS軟件中。實時監(jiān)視狀態(tài)的信息均可通過回放界面查看。系統(tǒng)能顯示故障內容、發(fā)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(fā)生的內容、發(fā)生復位時間、類型（輕/重）、發(fā)生頻率等，并能將查詢的故障信息生成報表。

系統(tǒng)提供的趨勢曲線功能為用戶分析系統(tǒng)運行提供有效支持。系統(tǒng)既可以趨勢曲線形式顯示各系統(tǒng)驅動器、電動機等設備的實時電壓、電流、頻率等參數(shù)，也可顯示所有子系統(tǒng)的PLC輸入輸出點等開關量參數(shù)。為提高對比效果，系統(tǒng)可將所有參數(shù)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(tǒng)采用Sqlserver數(shù)據庫作為監(jiān)控數(shù)據的存儲形式?？蓪崿F(xiàn)數(shù)據的自動管理功能，即可設置數(shù)據的存儲時長、數(shù)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(shù)據存儲，徹底擺脫了傳統(tǒng)的數(shù)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(wěn)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(tǒng)，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(xiàn)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(yè)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(lián)鎖開關。

8 結語

本智能清洗系統(tǒng)現(xiàn)場運行穩(wěn)定，單箱清洗節(jié)拍可達1.6 min/箱，較原清洗線8 min/箱，節(jié)約時間達80%，有效減少車輛投入6輛，節(jié)約集卡司機10人，每年可節(jié)約綜合成本300余萬元。本項目的投入實施可實現(xiàn)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(huán)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。