混凝土智能生產管理技術研究與應用

景奉韜 ，夏昊 ，朱明清

（1.中國交通建設股份有限公司，北京 100088；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040；4.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著我國預拌混凝土技術的發展，混凝土攪拌、運輸設備的技術水平已達到國際水平，國產設備已成為混凝土攪拌站的主力設備。但是，當前混凝土的生產管理還處于傳統的管理模式[1-3]，無法對原材料的庫存數量進行準確掌握，容易造成原材料的積壓或短缺，會導致料倉打爆的情況發生；在混凝土生產調度和生產控制中，靠書面通知、電話傳達生產數據，缺乏集中統一管理，容易造成混凝土的浪費；各種生產數據的收集和報表主要靠手工完成整理，效率低下、準確性差。

基于上述行業背景以及存在的問題，本文梳理現有混凝土生產業務流程，應用智能傳感設備和信息化技術，針對原材料進場、混凝土生產、運輸及澆筑各個環節，設置數據采集及質量控制點，對數據進行實時采集，并基于此開發了混凝土生產管理系統，實現了混凝土生產全過程的數據自動采集，提高了混凝土生產質量和效率。

1 混凝土智能生產管理技術研究

1.1 原材料管理

針對目前倉庫管理中存在的問題，引入料位監測裝置，自動監測原材料倉是否有料。水泥等粉料采用雷達測料儀[4]（圖1）實時監測料倉庫存量，當倉內粉料達到高料位時，自動發送滿倉報警提醒；砂石料通過皮帶機卸至指定料倉，在卸料過程中，采用電子皮帶秤和激光測距儀實時監測入庫重量和倉號；外加劑則通過電容式液位計實時監測料倉庫存量。

圖1 雷達測料儀Fig.1 Radar level gauge

原材料入庫前，通過動態倉儲和來料指引，引導原材料運輸車船到指定地點、卸料至指定料倉，非指定料倉無法卸料，避免出現誤入倉的情況。其中，粉料倉通過自動控制電磁閥開閉實現指定料倉入庫，砂石料倉則通過自動控制分料小車運行實現指定料倉入庫。

原材料入庫后，粉料、外加劑可直接得到實時庫存量，砂石料則通過入庫重量和消耗重量自動計算得到實時庫存量。同時，試驗員及時對原材料進行檢驗，并將檢驗結果與原材料批次進行關聯，自動更新原材料的檢驗狀態，保證原材料檢驗合格后才能使用，避免出現未檢先用情況。

1.2 混凝土生產管理

混凝土開始生產時，通過生產任務和原材料實時庫存量、原材料的檢驗狀態，自動指定原材料的使用料倉。每個料倉門口安裝紅綠燈和紅外探測器，使用料倉門口為綠燈，指引裝載機進入該料倉取料，而非使用料倉門口為紅燈，提示裝載機不要進入。如果裝載機進入了非使用料倉，通過紅外探測器檢測到裝載機進入，則自動發送報警提醒。

混凝土生產過程中，需要對砂石料的含水率進行檢測，砂石料倉采用微波濕度傳感器[5-6]實時檢測含水率，并集成到攪拌站生產控制系統中，可自動計算水的用量，以修正施工配合比。

1.3 混凝土運輸及澆筑管理

混凝土攪拌運輸車上安裝正反轉傳感器[7]、GPS定位器、車載二維碼。車載二維碼的圖案不變，而內容實時更新，顯示的是該車裝載的混凝土生產信息。攪拌運輸車接料后，離開攪拌站前往施工區域，通過GPS定位器實時監測攪拌運輸車的位置，并通過正反轉傳感器實時監測攪拌運輸車的狀態，正轉代表混凝土正在攪拌，反轉代表混凝土正在卸料。如果攪拌運輸車未到施工區域而卸料，自動發送異常卸料報警提醒。

攪拌運輸車到達施工區域后，由工程部技術員掃描車載二維碼，查看混凝土生產信息，確認信息無誤后進行簽收，并澆筑混凝土。該車的混凝土澆筑完成后，技術員采用混凝土標高計實時檢測鉆孔灌注樁混凝土澆筑高度，計算剩余澆筑方量。攪拌站生產控制系統通過剩余澆筑方量實時調整混凝土的生產量，實現了混凝土現場澆筑與后場生產的動態平衡，提高了生產效率，減少浪費。

1.4 混凝土檢驗管理

混凝土生產過程中，需要進行取樣并制作試塊，現有試塊制作和信息標記完全由人工完成，在工程量大、夜間連續施工時，試驗員取樣工作量大，容易出現操作誤差。為此，研發一種混凝土試塊快速成型裝置，該裝置由工作臺、模具回轉臺等組成，如圖2所示。工作臺沿圓周方向集成了多個運動機構，用于實現加料，插搗、壓平和標記等動作，模具回轉臺上沿圓周方向等間距設置有多個固定基座，可以放置多個試塊盒，繞中心軸旋轉依次到達接料工位、振搗工位、壓平工位，標記工位。該裝置實現了試塊快速制作，不僅減少了混凝土的浪費，減輕了現場工人的勞動強度，還提高了試塊的制作質量，也為后續試驗室對試塊的管理帶來了便利。

圖2 混凝土試塊快速成型裝置Fig.2 Rapid forming device for concrete test block

2 混凝土生產管理系統開發

2.1 系統總體架構

基于上述混凝土智能生產管理技術，開發混凝土生產管理系統。混凝土生產管理系統由管理層、采集層和傳感層組成，如圖3所示，管理層包括原材料入庫管理模塊、原材料庫存管理模塊、原材料檢驗管理模塊、攪拌站生產管理模塊、混凝土運輸及澆筑管理模塊、混凝土檢驗管理模塊六大功能模塊；監控層包括原材料庫存監控系統、料倉控制系統、攪拌站生產控制系統、攪拌運輸車監控系統4個監控子系統；采集層包括雷達測料儀、電容式液位計等十多種傳感器硬件。

圖3 系統架構圖Fig.3 System architecture diagram

2.2 系統功能模塊

2.2.1 原材料入庫管理模塊

物資部組織一批次原材料進場，將送貨單上傳至混凝土生產管理系統。系統根據送貨單信息和原材料實時庫存信息，自動推薦該批次原材料的入庫料倉，并發送給物資部和攪拌站管理員確認。經過確認后，系統通過控制電磁閥開閉、分料小車運行實現指定料倉入庫，避免出現誤入倉的情況。原材料入庫后，系統自動將該批次原材料標記為“未質檢”。

2.2.2 原材料庫存管理模塊

原材料入庫后，混凝土生產管理系統自動更新原材料實時庫存信息，根據原材料實時庫存量和設計配合比，系統自動計算得到可生產的混凝土方量，當可生產方量過少時，自動向物資部和攪拌站管理員發送余料報警提醒。

2.2.3 原材料檢驗管理模塊

當原材料入庫重量達到檢驗頻率后，混凝土生產管理系統自動向物資部推送原材料檢驗委托單，物資部管理員填報后推送給試驗室，試驗員進行原材料取樣，并按規范要求開展原材料檢驗試驗。試驗完成后，試驗員上傳原材料檢驗試驗報告，系統自動將該批次原材料標記為“已質檢”。

2.2.4 攪拌站生產管理模塊

根據混凝土生產計劃，工程部技術員在混凝土生產管理系統中提交澆筑申請，由工程部、攪拌站、物資部、試驗室、質檢部、測量隊等6個部門共同審批，最后經項目分管領導審批后簽發澆筑令。混凝土開始生產時，系統通過該澆筑令和原材料檢驗狀態自動指定使用料倉，并通過料倉控制系統自動指引裝載機取料，避免出現未檢先用情況。同時，攪拌站生產控制系統通過濕度傳感器和溫度傳感器實時檢測砂石料含水率、原材料溫度、混凝土攪拌溫度，并通過公式自動計算用水量和用冰量，以此修正施工配合比，提高混凝土的生產質量。

2.2.5 混凝土運輸及澆筑管理模塊

此模塊通過攪拌運輸車監測系統自動監測攪拌運輸車的位置和狀態，通過掃描車載二維碼進行混凝土的簽收，避免出現異常卸料的情況；通過檢測混凝土標高實時調整混凝土生產量，實現了混凝土現場澆筑與后場生產的動態平衡，提高了生產效率，減少浪費。當該澆筑令的生產任務全部完成后，系統自動計算理論配合比、實際配合比、原材料實際用量，自動生成混凝土生產及澆筑臺賬，減輕了現場人員的工作強度。

2.2.6 混凝土檢驗管理模塊

當混凝土生產量達到檢驗頻率后，系統自動通知試驗室，試驗員在現場取樣，根據規范要求檢驗混凝土塌落度、擴展度、含氣量、入模溫度等指標，并通過混凝土試塊快速成型裝置制作混凝土試塊，標養后再回到試驗室檢驗混凝土抗壓強度、彈性模量、抗滲性能等指標。混凝土檢驗完成后，試驗員上傳混凝土檢驗報告。

3 混凝土智能生產管理技術應用

3.1 項目概況

深中通道項目[8]是“橋、島、隧、水下互通”世界級集群工程，其中S04標段混凝土總量約為62萬m3，最大單次澆筑量約為4 800 m3，月均混凝土用量2萬m3，高峰月混凝土用量達到5.4萬m3。本項目設置2臺HZS180型攪拌站，共配備8個300 t水泥倉、4個300 t粉煤灰倉、4個300 t礦料倉、2個100 t硅粉倉、2個100 t石灰粉倉；配備12個砂石料倉，分別存放砂、大碎石和小碎石，可存料約7 000 m3。

3.2 應用效果

目前，混凝土智能生產管理技術及混凝土生產管理系統已在深中通道項目應用（圖4），管理2臺攪拌站、20個粉料倉、12個砂石料倉、6個外加劑倉、6臺攪拌運輸車。

圖4 混凝土生產管理系統總覽界面Fig.4 Overview interface of concrete production management system

主要應用成果如下：

1）混凝土攪拌站外安裝LED屏，實時展示了原材料庫存量和攪拌站生產數據，避免了原材料庫存的積壓或短缺，無需人工盤點，減輕了現場人員的工作強度。

2）發現滿倉報警2次，余料報警3次。在系統上接收到滿倉報警后，物資部管理員立即通知操作人員停止卸料；接收到余料報警后，物資部管理員及時組織原材料進場，保證了高峰期混凝土的連續生產和供應，提高了混凝土的生產效率。

3）發現異常卸料報警8次。在系統上接收到異常卸料報警后，攪拌站管理員立即詢問攪拌運輸車司機，8次均為司機在返回攪拌站的途中，私自洗車并傾倒廢料。攪拌站管理員了解情況以后及時制止，并對司機進行了相應的處罰。

4 結語

本文結合現有混凝土生產業務流程，研究混凝土智能生產管理技術，從原材料進場、混凝土生產、運輸及澆筑各個環節進行關鍵數據采集與監測，設置關鍵質量控制點，應用智能傳感設備和信息化技術，并基于此開發了混凝土生產管理系統，實現了混凝土生產全過程的數據自動采集，避免出現原材料誤入倉、原材料庫存積壓或短缺、原材料未檢先用等情況。在混凝土檢驗方面，研發了混凝土試塊快速成型裝置，減少了混凝土浪費，降低了現場人員的作業強度。

混凝土智能生產管理技術在深中通道項目得到成功應用，提高了混凝土的生產質量和效率，減輕了現場人員的工作強度，節約成本。隨著智能傳感設備和信息化技術的不斷更新和突破，將這一技術運用到混凝土生產上更日趨成熟，具有廣泛的推廣應用前景。