橋梁構件預制智慧工廠內多種生產設備功效分析研究

李清云，黎果，李佳琪，張巖，沈軍

（1.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.紹興市城投建筑工業化制造有限公司，浙江 紹興 312000；3.紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000）

以計算機、網絡、通訊等為代表的現代信息技術革命催生了數字經濟，在技術層面，包括大數據、云計算、物聯網、區塊鏈、人工智能、5G通信等新興技術，在應用層面，“新零售”“新制造”“智慧工廠”“智能化工廠”等都是其典型代表。面對數字經濟發展大潮，許多國家都提出了自己的發展戰略，如美國的“先進制造業伙伴計劃”、德國的“工業4.0戰略計劃”、英國的“英國工業2050戰略”等的數字經濟戰略等。立足于我國國情和發展階段，正在實施“網絡強國”戰略，推進“數字中國”建設，工業化的諸多痛點遇到數字經濟就有了藥到病除的妙方，甚至可以點石成金、化腐朽為神奇?；谏a數字化的理念，本文主要對橋梁構件預制工廠內鋼筋加工檢測設備、龍門吊、混凝土攪拌站、車輛行走設備進行功效分析，采集相應數據并完成信息化管理平臺的搭建，調度生產以提高經濟效益。

1 主要生產設備概況

1.1 主要生產設備組成

鋼筋加工檢測設備主要由鋼筋調直機、鋼筋切斷機、鋼筋網片成型機、鋼筋彎曲機、鋼筋預應力機械、3D掃描成像設備組成。龍門吊主要由大車行走機構、支腿部分、操控室及電器控制、主梁、梯臺、起吊小車組成。混凝土攪拌站主要由攪拌主機、稱量系統、輸送系統、儲存系統和控制系統組成。車輛行走設備的類型按運輸物料分為混凝土運輸車、鋼筋運輸車等。

1.2 主要生產設備運行流程

鋼筋加工檢測設備的運行流程：根據目標構件進行鋼筋下料，再通過鋼筋加工器械對鋼筋進行調直、彎曲、切斷等動作，再將組裝起來的鋼筋骨架進行質量檢測；龍門吊的運行流程：地面指揮人員收到運輸任務，對司機進行指揮，司機按龍門吊操作規程合規操作吊車吊運重物，工作完畢后司機將吊車開到指定地點，手柄歸零位并切斷電源；混凝土攪拌站的運行流程：根據當天的澆筑量，對各物料進行配比，各物料按比例均勻送到攪拌口，攪拌機對各物料進行攪拌，最后通過混凝土泵送車運輸到目的地。車輛行走設備運行流程：根據生產任務，不同工種（混凝土運輸車、鋼筋運輸車等）的車輛有序進場完成運輸任務。

1.3 主要生產設備在生產時存在的問題

在實際生產中，橋梁構件預制工廠中設備的運行并不是獨立的，工廠中設備的運行需要考慮其它設備運行的進度，比如，龍門吊的運行可能面臨著原材料的吊放進場與橋蓋梁澆筑成品的出場存放兩個任務，這兩個任務都會影響生產進度，這帶來了管理上的問題，只憑經驗的管理往往造成效率低下。因此需要考慮數字化的管理方式。但工廠中設備復雜多樣，數據采集難，且所需采集的數據具有多源與異構的特點，因此需要尋求一種數據采集方案及一個通用的數據采集協議。

1.4 解決方式

根據橋梁構件預制工廠中混凝土攪拌站、鋼筋加工檢測設備、龍門吊和車輛行走設備的運行流程進行功效分析，確定需要采集的數據種類，對采用PLC（Programmable Logic Controller）控制的設備，直接將數據采集接口與PLC相連接，剩余的數據可通過在設備上布置傳感器獲得，并采用OPC統一架構（OPC Unified Architecture,OPC UA）采集多源異構數據，建立信息化管理平臺，對這些數據分析處理，通過數字化管理，可以有效進行生產調度。

平臺分為WEB端和微信小程序端：Web端共分為14個模塊，包含項目總覽、合約管理、計劃管理、生產管理、質量管理、堆場管理、物流管理、資源管理、設備管理、工人管理、安全管理、試驗管理、資料庫、大數據模塊。微信小程序端分為：生產管理、質量管理、堆場管理、安全管理4個模塊。

2 功效分析研究

2.1 混凝土攪拌站功效分析

通過高清攝像頭對原料倉原材料方量進行數據采集，分析原材料動態消耗量，方便管理者及時制定對水泥、砂石、外加劑等原材料補充儲存的計劃。

攪拌站系統對攪拌站的設備型號登記、留底。橋梁構件預制工廠信息化管理平臺通過對總生產計劃的數據分析，制定合理的生產計劃排產，攪拌站根據當天生產方量及其混凝土配合比攪拌混凝土。將攪拌站的運行狀態實時上傳至信息化管理平臺，與工廠中其它設備信息交互，提高混凝土攪拌站生產效率與質量，實現攪拌站智能化生產。

2.2 鋼筋加工檢測設備功效分析

考慮鋼筋加工系統采集每批次鋼筋原材入庫信息，可視化原材庫存量，接入鋼筋加工設備型號，并將每臺設備的生產動態實時上傳至信息化管理平臺，打破信息孤島，使管理者可以快速全面掌握鋼筋加工動態，必要時通過信息化管理平臺，進行合理的生產調度。在鋼筋預應力張拉環節，智慧張拉系統接入張拉數據并留底，張拉過程中，系統檢測到張拉不合格時，系統將自動報警提示。

在檢測環節，采用3D掃描成像設備，設置了一個軌道（讀取地上貼的二維碼形成路線），設備在軌道上運行，掃描鋼筋骨架形成3D影像，系統可以根據掃描圖片自動測算鋼筋間距，與預設值比較，判斷鋼筋骨架間距是否合格，提高檢測效率。

2.3 龍門吊功效分析

龍門吊重在安全運行，受龍門吊司機和地面指揮人員的工作狀態等因素影響，人工操作易出差錯。按龍門吊安全操作規程的要求，利用傳感器與PLC接口，檢測龍門吊在運行過程中的運行速度、吊運重量、空中停留時間等數據，并將數據上傳至橋梁構件預制工廠信息化管理平臺，將上傳的數據與安全生產閾值比較，判斷是否違規操作，在違規時發出警報，信息化管理平臺同時結合龍門吊運行位置信息與人員定位系統中人員定位信息的實時數據，鳴鈴警告地面人員或暫停運行龍門吊。

2.4 車輛行走設備功效分析

車輛和駕駛人員信息全部在車輛指揮系統登記、留底。利用廠區內共布設283個攝像頭，實現監控無死角，通過橋梁構件預制工廠信息化管理平臺協調不同車輛在廠區內的路徑，避免路徑沖突造成擁堵等情況，提高車輛行走設備運輸效率。采集經過地磅的車輛及載重物品的信息接入地磅系統，在信息化管理平臺上進行原材料重量的復核以入庫，車輛指揮系統采集車輛里程和耗油量信息，實時反饋在信息化管理平臺上生成柱狀圖，以分析載重、路程對運輸車輛耗油量的影響，考慮以行駛距離L、最大載重量Q為約束，以實際載重、路徑選擇為變量，耗油量最少為目標函數，建立數學模型進行路徑優化，指導安全生產下的經濟效益最大化的方案選擇。

3 功效分析研究

3.1 預制蓋梁在生產過程中的數字化問題

基于在實際預制蓋梁生產時，在生產端，信息化管理平臺將鋼筋下料信息傳輸至鋼筋加工設備控制鋼筋加工，將混凝土澆筑量、配比等信息傳輸至混凝土攪拌站，通過信息化管理平臺的實時生產動態數據，安排混凝土運輸車及鋼筋運輸車將混凝土與鋼筋運輸至預制現場，預制構件完成養護后，預制構件成品通過龍門吊調運至構件運輸車，構件運輸車經過路徑規劃后將構件運輸至施工現場。

3.2 優化后帶來的經濟效益

對預制蓋梁生產過程中的各設備功效進行優化后，通過上傳施工配合比，將水泥、砂、石、用水量、粉煤灰等各種材料的用量回傳給攪拌站輸送系統，使得混凝土攪拌站提高了生產效率。鋼筋加工檢測設備因出入庫的信息化管理及自動檢測設備節約了人力成本，提高了產品質量。通過對龍門吊運行數據的采集與信息交互，降低了安全事故發生的可能。對不同工種運輸車輛的路徑優化后，有效降低了運輸成本。

4 結語

通過依托于橋梁構件預制工廠的多種生產設備功效分析進行的信息化管理，有助于控制產品質量，提高生產效率，保障工人的安全生產作業，成本分析控制并優化。工業生產與數據的結合，激活了數字經濟。成本控制和優化，減少了人力，提高了橋梁構件預制工廠的自動化程度，為決策提供了更多的比選方案，有助于決策方掌握更多信息，做出正確的選擇，控制成本，提高經濟效益。