针对冷链配送箱的智能清洗线系统设计

徐洋XU Yang；余建群YU Jian-qun；蒋志远JIANG Zhi-yuan；金波JIN Bo

（①湖北物资流通技术研究所，襄阳 441002；②襄阳市交通物流发展服务中心，襄阳 441000）

0 引言

自新冠肺炎疫情以来，社会越来越重视公共卫生安全问题。对于民生生活中的重要环节——生鲜农产品冷链配送，国家正在加强监管，对进口冷链食品运输工具和包装严格检测并消杀。各地也陆续出台监督管理办法、食品安全条例，要求生鲜农产品及食品冷链物流配送箱定期清洁、消毒，以防止配送过程中食品交叉污染，降低卫生安全隐患。

据调研，京东冷链、顺丰、美团、朴朴、饿了么等企业的冷链配送箱均有清洁消毒需求。目前，大多数企业对于其旗下冷链配送箱的管理主要还是依赖于作业人员，由于人工登记、人工清洗、人工追踪等环节效率低下，常常出现冷链配送箱呆滞、卫生条件差、管理混乱等问题，并且这种模式下人工成本居高不下。

因此设计一套结合清洗、消杀、智能监管等功能的智能清洗线及管理平台在当前环境下具有非常重大的意义。本文以物流流动线体为参考，结合自动控制技术、传感器技术、智能识别技术、物联网技术设计一套清洗线及管理系统实现了对冷链配送箱全自动化清洗、消毒、干燥及智能化管理。

1 系统总体设计

本系统设计包括三个部分：①清洗线结构设计；②电气控制部分；③智能清洗线管理平台部分。

电气控制部分将清洗线各机械结构串联形成一个完整的自动化运行系统，提供电机、传感器等电气设备需要的电源并发送控制指令、采集数据。

智能清洗线管理平台部分将多条清洗线纳入集中管理模式，中央控制室通过远程通讯为各条清洗线写入程序、发送指令、采集数据。

2 清洗线结构设计

智能清洗线主体部分包括：①主体承重及外部封装结构；②三组水箱及水泵喷淋结构；③干燥结构；④传动结构。所有涉水结构均采用304 型不锈钢材加工，以达到在长时间潮湿环境下防锈要求。

①主体承重及外部封装结构主要包括主体支撑结构、XY 轴横梁结构、地面支撑结构、侧面结构、顶部结构、工位总结构。

②设置三组水箱为粗洗、精洗消毒、漂洗三个工位存储清洗用水，在后两个水箱之间设置回流管道，当漂洗水箱中的水量到达一定高度就会自动向精洗消毒水箱中溢水以达到节约水资源的目的。每一组水箱配备一个功率为3.5kW 的高压水泵连接喷淋管道，工作时将水箱中的水泵入喷淋管道，喷淋管道为360°环绕，实现对冷链配送箱全方位清洗消毒。

③独立干燥箱体由风机、风管、风嘴、集成风柜组成。风管环绕360°无死角吹水，风嘴为一字型扁平状可集中风力，在冷链配送箱完成清洗后快速吹干。

④传动结构包括一台传动电机、主动链轮、传动链轮、传送带。传动模式可由PLC 设置为连续模式和步进模式。在清洗高峰期，可采用连续模式控制传送电机工作，清洗效率可达到160Pcs/H；在非高峰期，可采用步进模式控制电机工作，排队冲洗，以达到更好的清洁度，清洗效率可达到120Pcs/H。

将各结构焊接组装形成完整的清洗线结构如图1 所示，从左至右依据传动电机运动方向，冷链配送箱依次经过上线排队等待工位、粗洗工位、精洗消毒工位、漂洗工位、吹水干燥工位、扫描工位、下线，即完成一个清洗周期。

图1 智能清洗线线体主视图

3 控制部分

系统控制部分控制整个清洗线体正常运行，图1 中标注的白色柜体就是系统的电气控制部分。设计采用PLC控制，PLC 控制系统具有几大优点：①可靠性高，抗干扰能力强，使用PLC 平均无故障时间通常在20000 小时以上：②配套齐全，功能完善，适用性强；③维护工作量小，PLC用存储逻辑代替接线逻辑减少了外部接线，同时具有自我诊断能力使技术人员能迅速判断故障原因[1]。

3.1 清洗线智能控制逻辑

以冷链配送箱从上线至下线整个过程为一个周期，对清洗线进行智能控制，运行逻辑流程如图2 所示。

图2 运行逻辑流程图

3.1.1 配送箱上线

配送箱从辊筒输入到上线传送载体上，利用定制链轮链条、传送带和传动电机动力进行传送，信号上采用回归反射型光电传感器作为信号输入装置，PLC 接收到冷链配送箱上线的信号即控制传动电机工作。

3.1.2 配送箱清洗消毒

配送箱上线之后进入第一清洗仓触发光电传感器，PLC 控制水泵电机开始工作，水泵将水箱中的水泵入喷管开始冲洗，持续冲水时间可由PLC 预设，待达到冲洗时间后传送至第二清洗仓。第二清洗仓内水箱中添加次氯酸消毒剂，对配送箱内外部清洗消毒，待达到清洗时间后传送至第三清洗仓。第三清洗仓是清水漂洗部分，通过第一、二清洗仓之后，配送箱内外部基本都能洗干净并完成消毒，第三清洗仓通过清水喷淋，洗净配送箱上残余的消毒剂。

三个清洗仓下部有三个水箱储水，提供循环用水。第一粗洗仓水箱内分别装配有进水口和出水口以及除渣滤网，进出水可由人工控制开关水阀。第三漂洗仓水箱装配进水口，第二精洗仓水箱装配出水口，第二、三清洗仓水箱连通，漂洗仓水箱的水可通过水管流向精洗仓水箱内以节省用水。精洗仓中使用次氯酸水与传统化学、消毒剂有很大不同，其含有的活性成分性质不稳定，与光、空气以及有机物等接触后，有效成分会逐渐分解，杀菌后氧化还原电位迅速下降，很快分解并还原为普通水，排放对环境没有任何污染，与传统化学消毒剂相比，具有安全、无残留、无污染的特点，因此清洗线工作时需要及时向精洗仓水箱内补充次氯酸消毒剂以达到消毒效果良好。

3.1.3 配送箱干燥

配送箱经过清洗环节后传送至吹水干燥区，PLC 可控制吹水风机功率和时间。由于配送箱从清洗至干燥整个环节都是倒扣式，在重力和吹水风力作用下，配送箱内壁的水很快就能干燥。配送箱外表面部分如果是TPU 等不吸水材质制成，则可快速吹干；如果外表面部分是帆布等材质包裹，达到下线时不滴水的效果。

3.1.4 扫描下线

配送箱经过清洗干燥后来到扫描下线工位，每个配送箱经过扫描工位，阅读器自动识读配送箱上电子标签，采集标签信息（包括配送箱批次、清洗日期、使用年限等），然后写入此次清洗数据（清洗次数+1、清洗日期）。如果电子标签识别失败，则发出蜂鸣再次进行。如果识别成功，则向服务器传输此次数据，完成整个周期则可成功下线。

3.2 人机交互界面设计

本系统设计HMI 人机交互界面，HMI 与PLC 采用RS485 通讯连接，则可以通过HMI 为操作人员与PLC 之间建立可视化联系，HMI 可以显示清洗线的运行状态，而操作人员也可以通过HMI 向设备发送指令，控制清洗线的运行。

图3 是HMI 主界面，可以选择手动模式和自动模式，手动模式需要人工控制清洗线启停及各电机的工作效率；自动模式下传感器会识别当有配送箱通过时，为PLC 传递信号，PLC 控制电机开始运行，直至没有配送箱通过传感器时，自动关停设备。三个清洗区为单独控制，如遇特殊情况比如箱子比较干净或者只需要重新漂洗一遍，则可以屏蔽另外两个清洗区，减少功耗节约水资源。

图3 HMI 主界面

4 智能清洗线管理平台部分

智能清洗线管理平台由上位机、服务器、无线传输终端、PLC 构成，为企业管理人员提供两个方面的功能：①提供便捷高效的管理方式，管理人员在主控室通过平台软件控制多条清洗线运行，在线监测各条清洗线的运行状态；②平台服务器采集清洗线清洗数据，以图表方式展示每条清洗线清洗冷链配送箱的情况。

在现场多条清洗线分布距离较远，进行统一管理时如果布线的话工程量较大且不美观，这种情况下适合采用PLC 无线通信方式，采用无线PPI 协议响应速度快且不需要编程，只需要组态[2]。通过无线数据终端DTD434M 作为实现无线通讯的硬件设备，如图4，上位机在主控室内只需连接无线数据终端DTD434M 则可以访问多个PLC 中的数据。同时，操作人员可以在主控室实现对现场PLC 控制，只需要从远程将程序写入PLC 即可，大大降低了后续维护成本。

图4 PLC 与上位机无线通讯

采集清洗线的清洗数据最有效直接的方法就是为每一个冷链配送箱赋予唯一电子识别码（RFID）[3]，在每条清洗线扫码下线工位上安装RFID 阅读器，待清洗完成后读取每个冷链配送箱所记录的信息（包括配送箱批次、清洗日期等）存储到PLC 中，并写入本次清洗数据（清洗日期）。这样就由PLC 记录了每一个冷链配送箱的信息，每条清洗线的PLC 将记录的冷链配送箱信息上传至管理平台，实时反馈给管理人员，如图5 所示。

图5 扫码识读冷链配送箱过程

将每条清洗线进行合理高效管理，统计每条清洗线日、周、月、季度、年度清洗冷链配送箱的批次及数量，则可以清楚了解到每条清洗线负责清洗该站点冷链配送箱的数据，从而反映该站点负责配送区域的总体需求量。这些通过智能清洗线管理平台部分统计到的数据以图表的形式展示，可以为管理人员合理调度、决策优化提供数据支持。

智能清洗线管理平台设计包含“基础数据、用户菜单、用户报表、系统和设置、企业应用、监管部门”六个板块，平台部分界面截图如图6。

图6 冷链配送箱维护信息

管理人员输入账号密码登录智能清洗线管理平台，在基础数据栏内查询包装工艺，可以查询冷链配送箱的基础信息包括尺寸、编号及所在库位等；在基础数据栏内查询工艺维护，可以查询到冷链配送箱的维护记录包括在哪条线清洗的、清洗时的工序（上线、喷淋、除尘除油、干燥、检验、下线）；在企业应用板块内有“库存查询、库存汇总、过期预警、呆滞预警”等子功能，辅助管理人员合理安排库存，防止冷链配送箱长期堆放呆滞；在监管部门板块内有“趋势查询、清洗日报”子功能，辅助监管人员查看清洗日报，查询冷链配送箱使用趋势。

5 结论

冷链物流配送作为人民生活中重要的一环，为市场带来了源源不断的经济效益，但是一个行业不断发展的同时也会逐渐出现问题，其卫生问题正在逐渐被社会关注。冷链物流配送箱作与冷链食品直接接触的中间载体，其卫生清洁方面不容忽视，相较于目前市场上大部分企业对冷链配送箱的清洗效果，本文基于PLC 可编程控制技术设计智能清洗线，并配合智能清洗线管理平台具有以下优点：

①清洗效率更高：采用PLC 智能控制，清洗线可以针对不同规格不同材质的冷链配送箱调节清洗速度与水压大小，提供更多种清洗模式，达到“一线多用”的效果；

②通讯功能更强大：在冷链配送箱清洗环境中，使用单机控制，或者一条线的控制，效率太低，而PLC 能做到通过无线终端与中央控制室通讯，组成一个控制网络，便于集中管理；

③维护更方便；PLC 产生故障的话，一般能自动诊断到故障点产生报警，系统内能方便快捷地查看故障地方，故障原因等；

④清洗效果更好：冷链配送箱在智能清洗线上经过粗洗、精洗消毒、漂洗、干燥四个环节，清洗效果比人工冲洗效果更好，并且经过干燥环节后能更快晾干减少霉菌产生。如图7 为清洗前后效果对比；

图7 冷链配送箱清洗前后效果对比

⑤管理更高效：通过智能清洗线管理平台管理，使清洗线的操作维护及冷链配送箱调度管理等方面的效率都获得极大的提升，减少大量的人力资源的投入。

本系统全程自动化执行清洗消毒干燥等操作，极大地节省了人力资源；通过智能清洗线管理平台智慧化运作，提高了清洗线管理效率，增强了冷链配送箱统计管理、运营调度效率；统一清洗节省大量水资源的同时保障清洗的洁净度，为企业带来可观的经济效益；为冷链配送箱清洗消毒，使直接接触冷链食品的载体更加安全，为人民生命安全添加了一份保障。