裝配式建筑混凝土預構件自動化生產線信息管理系統的研究

王明睿，王景勝，鄭元喜，孟 浩

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

在裝配式建筑日益興起的今日，裝配式建筑中的混凝土預構件（precast concrete簡稱PC）的市場需求日益擴大，目前國內裝配式建筑PC生產工廠，絕大部分工廠仍采用傳統的手動生產線以及人工報表方式進行生產，導致生產線效率低下，信息傳達不暢，工藝信息無法追溯，質量管控不到位。隨著裝配式建筑需求的持續擴大，市場對產線的自動化、信息化要求與日俱增，近兩年越來越多的工廠采用半自動化、自動化生產線生產預構件，但生產線的自動化水平及信息管理系統發展參差不齊，跟日本、德國等發達國家的設備水平相比仍然具有一定差距。隨著混凝土裝配式建筑自動化生產線（簡稱“PC預構件自動化生產線”）的應用越來越廣泛，從而對產線的生產優化算法、設備監控、質量管理、人員管理等方面提出了新的要求，原有的傳統人工生產線依靠管理人員生產經驗進行計劃排產的粗放式管理已不再適用，從而PC預構件自動化生產線信息管理系統應運而生。

1 需求分析及產線工藝

1.1 需求分析

本系統滿足裝配式建筑混凝土預制構件自動化生產線的管控需求，集成預制構件信息自動導入、高效布模計算、生產數據采集、生產過程管控、產線信息共享等功能模塊于一體，支撐裝配式建筑預制構件實現柔性化、自動化生產模式。改變國內該類產品現有產線中邊模全部依靠人工布置的現狀，實現裝配式建筑預制構件的高效率、高質量生產。實現如下目標：

1）相對于傳統人工混凝土預制件生產線，減少產線工人數量，減少企業運營成本；

2）相對于傳統人工混凝土預制件生產線，提升模臺利用率，提高生產線生產效率及產能，提升企業生產利潤；

3）相對于傳統人工混凝土預制件生產線，提高生產線產品兼容性，原有的人工產線只能生產單一尺寸的混凝土預制件產品，優化為可生產不同尺寸的預制件產品。

1.2 生產自動化及產品生產工藝

自動化生產線設計節拍為10分鐘。

生產線中央控制系統，按照生產計劃數據及時間節拍，無縫下達指令給混凝土攪拌站、鋼筋生產線、及PC構件生產線，實現攪拌站生產、鋼筋生產線、PC構件生產線三者之間的信息數據進行有機交換，同時中央控制系統能夠按照時間節拍控制布模/預埋件機械手、邊模庫機械手、噴涂機械手、鋼筋網片及桁架鋼筋抓取機械手等設備，具體要求如下：

1）中央控制系統按照生產計劃、時間節拍,下達指令給混凝土攪拌站,提供所需的混凝土量,通過魚雷車輸送到布料機進行布料澆注,布料機可實現數控布料,無需人工操作；

2）中央控制系統按照生產計劃、時間節拍及優化程序，對流水線模臺進行優化計算，優化模臺上疊合板數量，提高模臺利用率；

3）中央控制系統按照生產計劃、時間節拍，提前一天下達工作指令給鋼筋生產線，按照計劃需求生產出不同規格的鋼筋網片及桁架，同時打印二維碼標簽（此二維碼為終生標簽），輸送到流水線專用堆放區放置；

4）按照優化好的流水線模臺上的疊合板數量及放置方向，中央控制系統控制布模機械手按照時間節拍進行布模；

5）按照優化好的流水線模臺上的疊合板數量及放置方向，中央控制系統控制噴涂機械手進行噴涂;

6）按照布置好的模具，中央控制系統控制網片抓取機械手及桁架機械手，通過二維碼識別，確認網片數據，抓取網片及桁架鋼筋放置到構件布放位置，桁架筋為定尺寸上線。

7）布模機械手及邊模模具庫：布模機械手配置伺服智能控制統，自動接收中央控制系統下發的控制程序，控制機械手抓取固定邊模庫或邊模循環線上的邊模，按照構件圖形信息布置，自動布模機械手系統具有邊模布置、邊模輸送及分揀功能；

8）噴涂機械手：配置伺服智能控制系統，自動接收中央控制系統下發的控制程序，可用于脫模劑噴涂，以實現邊模內部區域脫模劑噴涂，降低脫模劑的使用量；

9）網片及桁架抓取機械手：配置伺服智能控制統，自動接收中央控制系統下發的控制程序，具備鋼筋網片的磁性吸吊機構與桁架夾持機構，根據數據依次布置到模臺的相應位置；

混凝土預構件主要生產工藝如圖1所示。

圖1 混凝土預構件生產工藝流程圖

2 管理系統的基本結構

2.1 管理系統設計架構

PC預構件自動化生產線信息管理系統設計三層架構，包括以下三個層次：

1）數據采集層：主要完成對數據實時、準確、完整地采集和傳輸。根據需要，依靠部署在車間的數據采集軟件系統，完成對預構件生產加工數據的實時采集、收集，并將數據遠程傳輸到數據中心。

2）數據存儲和應用服務層。提供生產過程數據、業務數據等的存儲和訪問服務。提供系統業務應用服務，如生產計劃與執行管理、生產監控、產品與工藝管理、質量管理、設備管理、人員管理、報表管理。

3）客戶端可視化展示層。通過動態模擬圖形、趨勢曲線、圖表等方式，形象、直觀地展示生產實時數據、歷史數據和報警信息數據等。

系統結構圖如圖2所示。

圖2 系統結構圖

2.2 管理系統網絡拓撲結構

在結構上實現車間生產控制網絡與企業辦公網絡物理隔離，中間采用工業網關/路由器隔離，保證生產控制網絡的安全。

生產車間采用有線、無線配合方式搭建生產控制網絡，完成車間中生產、設備、物料、質量檢測、生產過程工藝參數等數據信息的流動和采集。

在數據中心部署采集服務器、業務應用服務器和數據庫服務器。分別采用KingIOServer、KingSCADA、KingHistorian軟件實現數據采集、業務功能實現和數據存儲功能。

在管理網絡側，根據管理人員的職責不同，部署生產異常，生產管理，生產工藝管理，生產調度管理，設備管理，品質管理，物料管理的客戶端。可配置報表打印機。

系統網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 系統網絡拓撲結構圖

3 系統布模優化算法

系統具有預構件布模生產優化功能，其內部設計的優化算法，可根據預構件實際尺寸進行優化布局，從而提高模臺利用率，提高生產效率。

預制件生產過程中，每個預制件是由不同長度的“邊模”在產線“模臺”上，按照一定的要求與原則組合拼接而成的，而“邊模”又分為“上模”與“下模”，其后再經過網片、桁架、預埋件擺放、混凝土自動布料、模臺自動振搗、混凝土預養護、養護等不同工藝完成預制件的額生產。其中邊模種類可分為：0.99米各120根，1.54米各108根，1.94米各84根，2.54米各132根，2.94米各13根，共計1152根，存放于線邊邊模庫中供生產時使用。

3.1 布模的約束條件

1）預構件均為疊合板；（不考慮缺口問題，人工進行布料干預）；

2）每個模臺最多只放3個構件，放置數量可配置為一個；

3）每個構件的最大網片數量為1個，桁架數量為6個，預埋件數量為5個；

4）布模時，構件支持橫向擺放和豎向擺放，一個模臺上，支持混排，增加設置橫排、混排設置項，考慮面積最大化利用；混排模式下：當豎排時，放置兩塊構件，無法滿足第三塊時，同時橫排也支持擺放，采用橫排的方式；

5）構件所使用的網片中帶彎鉤時不需要特殊考慮，均按照出筋長度進行優化計算；

6）邊模由上下組合模構成（上邊模、下邊模）；

7）放置邊模時，先放下邊模，再配放上邊模，（上邊模需置于對應的下邊模外側，上邊模內沿距離圖紙出筋長度外+50mm），第一根邊模內沿（構件邊緣）到模臺邊的位置固定600）；

8）構件邊緣距模臺右側、上側、下側的距離可配置（長邊、寬邊）；（500毫米為宜）（現場需要磁釘固定邊模，磁釘長度370mm）；

9）構件盡量沿中心布；

10）兩個構件之間需要留有固定（可配置）的操作間距（以構件或外露鋼筋的外邊緣計算），50毫米為宜。

3.2 系統采用的計算方法

系統采用“枚舉算法”和“試探算法”為核心算法，假設存在一個可以用試探法求解的問題P，該問題表達為：對于已知的由n元組（y1,y2,…,yn）組成的一個狀態空間E={(y1,y2,…,yn)∣yi∈Si,i=1,2,…,n}，給定關于n元組中的一個分量的一個約束集D，要求E中滿足D的全部約束條件的所有n元組。其中，Si是分量yi的定義域，且|Si|有限,i=1,2,…,n。E中滿足D的全部約束條件的任一n元組為問題P的一個解。解問題P的最簡單方法是使用枚舉法，即對E中的所有n元組逐一檢測其是否滿足D的全部約束，如果滿足，則為問題P的一個解。但是這種方法的計算量非常大。

對于現實中的許多問題，所給定的約束集D 具有完備性，即i元組（y1,y2,…,yi）滿足D中僅涉及y1，y2，…，yj的所有約束，這意味著j（j=i>;j。

因此，對于約束集D具有完備性的問題P，一旦檢測斷定某個j元組（y1,y2,…,yj）違反D中僅涉及y1，y2，…，yj的一個約束，就可以肯定，以（y1,y2,…,yj）為前綴的任何n元組（y1,y2,…,yj,yj+1,…,yn）都不會是問題P的解，因而就不必去搜索它們、檢測它們。

系統功能開發采用C#語言，優化算法部分源代碼如圖4所示。

圖4 優化算法部分源代碼

枚舉法流程圖如圖5所示。

圖5 枚舉法流程圖

3.3 實際布模規則

模臺的尺寸是固定的9m×3.5m，邊模一共有5種規格，寬度一致86mm，高度60mm。考慮邊模規格：1000mm、1550mm、1950mm、2550mm、2950mm。在布模時，邊模庫的數量滿足當前布模使用，同時慮邊模庫存。

所有構件均按照圖6方式進行邊模擺放。

圖6 構件邊模實際擺放形式

1）在構件進行布模優化時，如果無法具備布模條件（構件尺寸太大，超出了模臺的有效使用尺寸），需輸出具體的構件編號及相關參數；

2）進行優化布模時，由人工設定的構件優先級為最高優先級進行優先布模，數字越大，優先級越高。如果優先級相同，以樓層優先級進行布模，樓層越低，優先級越高；

3）模具庫可容存量

L1=2940mm長模具132根；L2=2540mm長模具132根；L3=1940mm長模具84根；L4=1540mm長模具108根；L5=990mm長模具120根，合計576根。（上下模數量一致且兩者疊放，設計算法時只考慮下邊模即可）

（1）當構件邊長為2550～2940mm時優選L1=2940mm模具，當構件邊長≤990mm時，優先選用L5=990mm模具（第一優先級）。

（2）經以往測算數據，L2、L3、L4模數的模具在各類疊合板中有效利用率可達92%。第一優先級外構件邊長優先選用此3種長度的模具（第二優先級）；

（3）當L1庫存比例較L2、L4庫存比例較L5相差±15%以內，按原上述優先級排布，當庫存比例大于15%時，改變原優先級，以降低庫存比例差為方向選擇模具。當庫存比例差降低至5%以內，轉換成原優先級排布方法。

（4）當L3庫存比例與L2、L4相差15%以上，以降低庫存比例差為方向選擇模具。當庫存比例差降低至5%以內，轉換成原優先級排布方法。

4 管理系統基本功能及相關指標

4.1 系統功能概述

PC預構件自動化生產線信息管理系統主要包括:生產計劃管理、模臺優化布模、PC自動化生產線狀態監控、生產調度管理、工藝管理、質量管理、設備管理、生產項目管理、系統管理等功能模塊。

4.2 系統主要功能介紹

生產線監控功能：可以實時查看生產線上每個模臺、預構件的實時位置信息，并進行實時可視化展示，在每個模臺上展示布模的預構件唯一編號、布模時間、構件圖號。同時對生產線設備狀態進行實時監控，直觀體現生產線的整體運行情況，如圖7所示。

圖7 PC預構件信息管理系統監控界面

自動優化排產功能：可根據產品的實際尺寸大小，根據布模優化算法的結果自動生成生產訂單和模擬布模結果，如圖8與圖9所示。

圖8 PC預構件信息管理系統自動生成的生產訂單

圖9 PC預構件信息管理系統模擬布模結果

工藝管理功能：實現工藝數據管理，系統支持養護窯溫度、濕度信息的實時顯示、設定，支持養護窯包含實驗艙溫度、濕度趨勢曲線顯示及歷史數據記錄、查詢及導出，如圖10所示。

圖10 PC預構件信息管理系統工藝管理

質量管理功能：系統通過產品質量的相關信息采集，實現預構件質量分析，可以指定日期查看日生產預構件的合格率，如圖11所示。

圖11 PC預構件信息管理系統質量管理

設備管理功能：系統實時展示產線設備的運行狀態、支持工藝數據設定，當設設備運行異常時系統進行報警處理、支持異常信息記錄和查詢，如圖12所示。

圖12 PC預構件信息管理系統設備管理

項目管理功能：系統支持項目信息、樓號信息的維護，支持項目號、樓號、樓層、預構件編號等信息的組合查詢和鎖定，實現項目變更信息記錄及項目進度追蹤，如圖13所示。

圖13 PC預構件信息管理系統項目管理

4.3 系統相關指標

1）軟件系統與底層PLC控制設備的實時數據通訊時間為≤1秒；

2）每個生產訂單的模臺布模優化時間≤5分鐘；

3）實時監控畫面切換響應時間≤2秒；

4）系統實時數據采集點數最大可達6萬點；

5）傳統人工產線在線工人數量為30人，自動化生產線在線工人數量減少為16人；

6）人均產能由每人每天1立方米混凝土提高為每人每天2立方米混凝土；

7）模臺利用率由原有的70%提升至85%—90%；

5 結語

本系統已實際應用于某工廠混凝土預構件自動化生產線中，為此領域在自動化生產和智能制造方面的開拓打下了堅實的基礎，有利于國家裝在配式建筑領域中的混凝土預構件的使用推廣及質量提升。