針對(duì)冷鏈配送箱的智能清洗線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐洋XU Yang；余建群YU Jian-qun；蔣志遠(yuǎn)JIANG Zhi-yuan；金波JIN Bo

（①湖北物資流通技術(shù)研究所，襄陽 441002；②襄陽市交通物流發(fā)展服務(wù)中心，襄陽 441000）

0 引言

自新冠肺炎疫情以來，社會(huì)越來越重視公共衛(wèi)生安全問題。對(duì)于民生生活中的重要環(huán)節(jié)——生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送，國(guó)家正在加強(qiáng)監(jiān)管，對(duì)進(jìn)口冷鏈?zhǔn)称愤\(yùn)輸工具和包裝嚴(yán)格檢測(cè)并消殺。各地也陸續(xù)出臺(tái)監(jiān)督管理辦法、食品安全條例，要求生鮮農(nóng)產(chǎn)品及食品冷鏈物流配送箱定期清潔、消毒，以防止配送過程中食品交叉污染，降低衛(wèi)生安全隱患。

據(jù)調(diào)研，京東冷鏈、順豐、美團(tuán)、樸樸、餓了么等企業(yè)的冷鏈配送箱均有清潔消毒需求。目前，大多數(shù)企業(yè)對(duì)于其旗下冷鏈配送箱的管理主要還是依賴于作業(yè)人員，由于人工登記、人工清洗、人工追蹤等環(huán)節(jié)效率低下，常常出現(xiàn)冷鏈配送箱呆滯、衛(wèi)生條件差、管理混亂等問題，并且這種模式下人工成本居高不下。

因此設(shè)計(jì)一套結(jié)合清洗、消殺、智能監(jiān)管等功能的智能清洗線及管理平臺(tái)在當(dāng)前環(huán)境下具有非常重大的意義。本文以物流流動(dòng)線體為參考，結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能識(shí)別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一套清洗線及管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷鏈配送箱全自動(dòng)化清洗、消毒、干燥及智能化管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分：①清洗線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；②電氣控制部分；③智能清洗線管理平臺(tái)部分。

電氣控制部分將清洗線各機(jī)械結(jié)構(gòu)串聯(lián)形成一個(gè)完整的自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)，提供電機(jī)、傳感器等電氣設(shè)備需要的電源并發(fā)送控制指令、采集數(shù)據(jù)。

智能清洗線管理平臺(tái)部分將多條清洗線納入集中管理模式，中央控制室通過遠(yuǎn)程通訊為各條清洗線寫入程序、發(fā)送指令、采集數(shù)據(jù)。

2 清洗線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能清洗線主體部分包括：①主體承重及外部封裝結(jié)構(gòu)；②三組水箱及水泵噴淋結(jié)構(gòu)；③干燥結(jié)構(gòu)；④傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。所有涉水結(jié)構(gòu)均采用304 型不銹鋼材加工，以達(dá)到在長(zhǎng)時(shí)間潮濕環(huán)境下防銹要求。

①主體承重及外部封裝結(jié)構(gòu)主要包括主體支撐結(jié)構(gòu)、XY 軸橫梁結(jié)構(gòu)、地面支撐結(jié)構(gòu)、側(cè)面結(jié)構(gòu)、頂部結(jié)構(gòu)、工位總結(jié)構(gòu)。

②設(shè)置三組水箱為粗洗、精洗消毒、漂洗三個(gè)工位存儲(chǔ)清洗用水，在后兩個(gè)水箱之間設(shè)置回流管道，當(dāng)漂洗水箱中的水量到達(dá)一定高度就會(huì)自動(dòng)向精洗消毒水箱中溢水以達(dá)到節(jié)約水資源的目的。每一組水箱配備一個(gè)功率為3.5kW 的高壓水泵連接噴淋管道，工作時(shí)將水箱中的水泵入噴淋管道，噴淋管道為360°環(huán)繞，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈配送箱全方位清洗消毒。

③獨(dú)立干燥箱體由風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、風(fēng)嘴、集成風(fēng)柜組成。風(fēng)管環(huán)繞360°無死角吹水，風(fēng)嘴為一字型扁平狀可集中風(fēng)力，在冷鏈配送箱完成清洗后快速吹干。

④傳動(dòng)結(jié)構(gòu)包括一臺(tái)傳動(dòng)電機(jī)、主動(dòng)鏈輪、傳動(dòng)鏈輪、傳送帶。傳動(dòng)模式可由PLC 設(shè)置為連續(xù)模式和步進(jìn)模式。在清洗高峰期，可采用連續(xù)模式控制傳送電機(jī)工作，清洗效率可達(dá)到160Pcs/H；在非高峰期，可采用步進(jìn)模式控制電機(jī)工作，排隊(duì)沖洗，以達(dá)到更好的清潔度，清洗效率可達(dá)到120Pcs/H。

將各結(jié)構(gòu)焊接組裝形成完整的清洗線結(jié)構(gòu)如圖1 所示，從左至右依據(jù)傳動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向，冷鏈配送箱依次經(jīng)過上線排隊(duì)等待工位、粗洗工位、精洗消毒工位、漂洗工位、吹水干燥工位、掃描工位、下線，即完成一個(gè)清洗周期。

圖1 智能清洗線線體主視圖

3 控制部分

系統(tǒng)控制部分控制整個(gè)清洗線體正常運(yùn)行，圖1 中標(biāo)注的白色柜體就是系統(tǒng)的電氣控制部分。設(shè)計(jì)采用PLC控制，PLC 控制系統(tǒng)具有幾大優(yōu)點(diǎn)：①可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，使用PLC 平均無故障時(shí)間通常在20000 小時(shí)以上：②配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；③維護(hù)工作量小，PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯減少了外部接線，同時(shí)具有自我診斷能力使技術(shù)人員能迅速判斷故障原因[1]。

3.1 清洗線智能控制邏輯

以冷鏈配送箱從上線至下線整個(gè)過程為一個(gè)周期，對(duì)清洗線進(jìn)行智能控制，運(yùn)行邏輯流程如圖2 所示。

圖2 運(yùn)行邏輯流程圖

3.1.1 配送箱上線

配送箱從輥筒輸入到上線傳送載體上，利用定制鏈輪鏈條、傳送帶和傳動(dòng)電機(jī)動(dòng)力進(jìn)行傳送，信號(hào)上采用回歸反射型光電傳感器作為信號(hào)輸入裝置，PLC 接收到冷鏈配送箱上線的信號(hào)即控制傳動(dòng)電機(jī)工作。

3.1.2 配送箱清洗消毒

配送箱上線之后進(jìn)入第一清洗倉(cāng)觸發(fā)光電傳感器，PLC 控制水泵電機(jī)開始工作，水泵將水箱中的水泵入噴管開始沖洗，持續(xù)沖水時(shí)間可由PLC 預(yù)設(shè)，待達(dá)到?jīng)_洗時(shí)間后傳送至第二清洗倉(cāng)。第二清洗倉(cāng)內(nèi)水箱中添加次氯酸消毒劑，對(duì)配送箱內(nèi)外部清洗消毒，待達(dá)到清洗時(shí)間后傳送至第三清洗倉(cāng)。第三清洗倉(cāng)是清水漂洗部分，通過第一、二清洗倉(cāng)之后，配送箱內(nèi)外部基本都能洗干凈并完成消毒，第三清洗倉(cāng)通過清水噴淋，洗凈配送箱上殘余的消毒劑。

三個(gè)清洗倉(cāng)下部有三個(gè)水箱儲(chǔ)水，提供循環(huán)用水。第一粗洗倉(cāng)水箱內(nèi)分別裝配有進(jìn)水口和出水口以及除渣濾網(wǎng)，進(jìn)出水可由人工控制開關(guān)水閥。第三漂洗倉(cāng)水箱裝配進(jìn)水口，第二精洗倉(cāng)水箱裝配出水口，第二、三清洗倉(cāng)水箱連通，漂洗倉(cāng)水箱的水可通過水管流向精洗倉(cāng)水箱內(nèi)以節(jié)省用水。精洗倉(cāng)中使用次氯酸水與傳統(tǒng)化學(xué)、消毒劑有很大不同，其含有的活性成分性質(zhì)不穩(wěn)定，與光、空氣以及有機(jī)物等接觸后，有效成分會(huì)逐漸分解，殺菌后氧化還原電位迅速下降，很快分解并還原為普通水，排放對(duì)環(huán)境沒有任何污染，與傳統(tǒng)化學(xué)消毒劑相比，具有安全、無殘留、無污染的特點(diǎn)，因此清洗線工作時(shí)需要及時(shí)向精洗倉(cāng)水箱內(nèi)補(bǔ)充次氯酸消毒劑以達(dá)到消毒效果良好。

3.1.3 配送箱干燥

配送箱經(jīng)過清洗環(huán)節(jié)后傳送至吹水干燥區(qū)，PLC 可控制吹水風(fēng)機(jī)功率和時(shí)間。由于配送箱從清洗至干燥整個(gè)環(huán)節(jié)都是倒扣式，在重力和吹水風(fēng)力作用下，配送箱內(nèi)壁的水很快就能干燥。配送箱外表面部分如果是TPU 等不吸水材質(zhì)制成，則可快速吹干；如果外表面部分是帆布等材質(zhì)包裹，達(dá)到下線時(shí)不滴水的效果。

3.1.4 掃描下線

配送箱經(jīng)過清洗干燥后來到掃描下線工位，每個(gè)配送箱經(jīng)過掃描工位，閱讀器自動(dòng)識(shí)讀配送箱上電子標(biāo)簽，采集標(biāo)簽信息（包括配送箱批次、清洗日期、使用年限等），然后寫入此次清洗數(shù)據(jù)（清洗次數(shù)+1、清洗日期）。如果電子標(biāo)簽識(shí)別失敗，則發(fā)出蜂鳴再次進(jìn)行。如果識(shí)別成功，則向服務(wù)器傳輸此次數(shù)據(jù)，完成整個(gè)周期則可成功下線。

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)HMI 人機(jī)交互界面，HMI 與PLC 采用RS485 通訊連接，則可以通過HMI 為操作人員與PLC 之間建立可視化聯(lián)系，HMI 可以顯示清洗線的運(yùn)行狀態(tài)，而操作人員也可以通過HMI 向設(shè)備發(fā)送指令，控制清洗線的運(yùn)行。

圖3 是HMI 主界面，可以選擇手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，手動(dòng)模式需要人工控制清洗線啟停及各電機(jī)的工作效率；自動(dòng)模式下傳感器會(huì)識(shí)別當(dāng)有配送箱通過時(shí)，為PLC 傳遞信號(hào)，PLC 控制電機(jī)開始運(yùn)行，直至沒有配送箱通過傳感器時(shí)，自動(dòng)關(guān)停設(shè)備。三個(gè)清洗區(qū)為單獨(dú)控制，如遇特殊情況比如箱子比較干凈或者只需要重新漂洗一遍，則可以屏蔽另外兩個(gè)清洗區(qū)，減少功耗節(jié)約水資源。

圖3 HMI 主界面

4 智能清洗線管理平臺(tái)部分

智能清洗線管理平臺(tái)由上位機(jī)、服務(wù)器、無線傳輸終端、PLC 構(gòu)成，為企業(yè)管理人員提供兩個(gè)方面的功能：①提供便捷高效的管理方式，管理人員在主控室通過平臺(tái)軟件控制多條清洗線運(yùn)行，在線監(jiān)測(cè)各條清洗線的運(yùn)行狀態(tài)；②平臺(tái)服務(wù)器采集清洗線清洗數(shù)據(jù)，以圖表方式展示每條清洗線清洗冷鏈配送箱的情況。

在現(xiàn)場(chǎng)多條清洗線分布距離較遠(yuǎn)，進(jìn)行統(tǒng)一管理時(shí)如果布線的話工程量較大且不美觀，這種情況下適合采用PLC 無線通信方式，采用無線PPI 協(xié)議響應(yīng)速度快且不需要編程，只需要組態(tài)[2]。通過無線數(shù)據(jù)終端DTD434M 作為實(shí)現(xiàn)無線通訊的硬件設(shè)備，如圖4，上位機(jī)在主控室內(nèi)只需連接無線數(shù)據(jù)終端DTD434M 則可以訪問多個(gè)PLC 中的數(shù)據(jù)。同時(shí)，操作人員可以在主控室實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制，只需要從遠(yuǎn)程將程序?qū)懭隤LC 即可，大大降低了后續(xù)維護(hù)成本。

圖4 PLC 與上位機(jī)無線通訊

采集清洗線的清洗數(shù)據(jù)最有效直接的方法就是為每一個(gè)冷鏈配送箱賦予唯一電子識(shí)別碼（RFID）[3]，在每條清洗線掃碼下線工位上安裝RFID 閱讀器，待清洗完成后讀取每個(gè)冷鏈配送箱所記錄的信息（包括配送箱批次、清洗日期等）存儲(chǔ)到PLC 中，并寫入本次清洗數(shù)據(jù)（清洗日期）。這樣就由PLC 記錄了每一個(gè)冷鏈配送箱的信息，每條清洗線的PLC 將記錄的冷鏈配送箱信息上傳至管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)反饋給管理人員，如圖5 所示。

圖5 掃碼識(shí)讀冷鏈配送箱過程

將每條清洗線進(jìn)行合理高效管理，統(tǒng)計(jì)每條清洗線日、周、月、季度、年度清洗冷鏈配送箱的批次及數(shù)量，則可以清楚了解到每條清洗線負(fù)責(zé)清洗該站點(diǎn)冷鏈配送箱的數(shù)據(jù)，從而反映該站點(diǎn)負(fù)責(zé)配送區(qū)域的總體需求量。這些通過智能清洗線管理平臺(tái)部分統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)以圖表的形式展示，可以為管理人員合理調(diào)度、決策優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

智能清洗線管理平臺(tái)設(shè)計(jì)包含“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、用戶菜單、用戶報(bào)表、系統(tǒng)和設(shè)置、企業(yè)應(yīng)用、監(jiān)管部門”六個(gè)板塊，平臺(tái)部分界面截圖如圖6。

圖6 冷鏈配送箱維護(hù)信息

管理人員輸入賬號(hào)密碼登錄智能清洗線管理平臺(tái)，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)欄內(nèi)查詢包裝工藝，可以查詢冷鏈配送箱的基礎(chǔ)信息包括尺寸、編號(hào)及所在庫位等；在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)欄內(nèi)查詢工藝維護(hù)，可以查詢到冷鏈配送箱的維護(hù)記錄包括在哪條線清洗的、清洗時(shí)的工序（上線、噴淋、除塵除油、干燥、檢驗(yàn)、下線）；在企業(yè)應(yīng)用板塊內(nèi)有“庫存查詢、庫存匯總、過期預(yù)警、呆滯預(yù)警”等子功能，輔助管理人員合理安排庫存，防止冷鏈配送箱長(zhǎng)期堆放呆滯；在監(jiān)管部門板塊內(nèi)有“趨勢(shì)查詢、清洗日?qǐng)?bào)”子功能，輔助監(jiān)管人員查看清洗日?qǐng)?bào)，查詢冷鏈配送箱使用趨勢(shì)。

5 結(jié)論

冷鏈物流配送作為人民生活中重要的一環(huán)，為市場(chǎng)帶來了源源不斷的經(jīng)濟(jì)效益，但是一個(gè)行業(yè)不斷發(fā)展的同時(shí)也會(huì)逐漸出現(xiàn)問題，其衛(wèi)生問題正在逐漸被社會(huì)關(guān)注。冷鏈物流配送箱作與冷鏈?zhǔn)称分苯咏佑|的中間載體，其衛(wèi)生清潔方面不容忽視，相較于目前市場(chǎng)上大部分企業(yè)對(duì)冷鏈配送箱的清洗效果，本文基于PLC 可編程控制技術(shù)設(shè)計(jì)智能清洗線，并配合智能清洗線管理平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①清洗效率更高：采用PLC 智能控制，清洗線可以針對(duì)不同規(guī)格不同材質(zhì)的冷鏈配送箱調(diào)節(jié)清洗速度與水壓大小，提供更多種清洗模式，達(dá)到“一線多用”的效果；

②通訊功能更強(qiáng)大：在冷鏈配送箱清洗環(huán)境中，使用單機(jī)控制，或者一條線的控制，效率太低，而PLC 能做到通過無線終端與中央控制室通訊，組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，便于集中管理；

③維護(hù)更方便；PLC 產(chǎn)生故障的話，一般能自動(dòng)診斷到故障點(diǎn)產(chǎn)生報(bào)警，系統(tǒng)內(nèi)能方便快捷地查看故障地方，故障原因等；

④清洗效果更好：冷鏈配送箱在智能清洗線上經(jīng)過粗洗、精洗消毒、漂洗、干燥四個(gè)環(huán)節(jié)，清洗效果比人工沖洗效果更好，并且經(jīng)過干燥環(huán)節(jié)后能更快晾干減少霉菌產(chǎn)生。如圖7 為清洗前后效果對(duì)比；

圖7 冷鏈配送箱清洗前后效果對(duì)比

⑤管理更高效：通過智能清洗線管理平臺(tái)管理，使清洗線的操作維護(hù)及冷鏈配送箱調(diào)度管理等方面的效率都獲得極大的提升，減少大量的人力資源的投入。

本系統(tǒng)全程自動(dòng)化執(zhí)行清洗消毒干燥等操作，極大地節(jié)省了人力資源；通過智能清洗線管理平臺(tái)智慧化運(yùn)作，提高了清洗線管理效率，增強(qiáng)了冷鏈配送箱統(tǒng)計(jì)管理、運(yùn)營(yíng)調(diào)度效率；統(tǒng)一清洗節(jié)省大量水資源的同時(shí)保障清洗的潔凈度，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益；為冷鏈配送箱清洗消毒，使直接接觸冷鏈?zhǔn)称返妮d體更加安全，為人民生命安全添加了一份保障。