智能鋼筋加工技術在水泥工程EPC 項目建設中的應用

張鵬迪，李君言，孫亞超

1 前言

近年來，隨著我國建筑行業的數字化、智能化轉型升級，鋼筋加工技術逐漸由“人工+半自動”生產模式向自動化、智能化生產模式轉變。將BIM技術、物聯網、云計算等數字智能技術，與智能鋼筋加工設備無縫對接，可實現從鋼筋成品設計到原材料供應、鋼筋下料與套材優化、鋼筋成型與成品加工、質量檢驗與打包配送等全流程鋼筋智能化加工。基于物聯網的智能鋼筋加工技術在降低鋼筋損耗、節約工程項目成本等方面具有廣闊的應用前景，我公司建立的智能鋼筋加工體系已在多個水泥工程EPC項目中應用。

2 常用鋼筋加工設備

常用的鋼筋加工設備可分為數控鋼筋加工設備和非數控小型半自動化鋼筋加工設備。數控鋼筋加工設備具有高精度、高效率和高自動化等優勢，但同時也存在設備成本高、對操作員技術水平要求高、維護保養難、電能消耗大等問題。在水泥工程EPC 項目建設中，為保證項目進度，通常同時使用兩類設備，相互補充。

2.1 數控鋼筋加工設備

常用的數控鋼筋加工設備主要包括數控彎箍機、數控調直剪切機、數控彎曲機、數控鋸切套絲機等，可實現鋼筋盤圓及棒材鋼筋強化、自動調直、定尺切斷、彎曲、焊接、螺紋加工等單一或組合功能，可極大減輕工人勞動強度，提高生產效率。

數控鋼筋加工設備控制單元主要由PLC 控制器、HMI觸摸屏和伺服驅動器等組成。PLC控制器可實現數據處理、邏輯判斷及動作執行等功能，HMI 觸摸屏包含數據錄入和信息提示兩部分。操作人員通過HMI 觸摸屏設定需加工鋼筋的尺寸和角度，并將參數及指令下達至PLC 控制器，PLC 控制器按照已設定尺寸和角度，通過脈沖方式控制伺服電機行走或彎曲，自動完成鋼筋加工任務。

2.2 非數控小型半自動化鋼筋加工設備

非數控小型半自動化鋼筋加工設備主要包括彎弧機、彎曲機、切斷機、套絲機、彎箍機等設備，主要實現鋼筋調直、彎箍、切斷、彎曲和續接等功能。非數控小型半自動化鋼筋加工設備采用“人工+半自動”的操作方式，設備具有獨立控制器，但不具備對外通訊接口，需額外加裝傳感器和通訊裝置，才能實現與其他控制系統的數據交互。

3 智能鋼筋加工體系架構

針對水泥工程EPC 項目鋼筋加工設備的自身特性及其運行環境特性，我公司結合二維碼、無線傳輸和工業以太網等技術，通過集成智能傳感器、數據采集模塊、射頻識別等物聯網相關設備，建立了基于物聯網技術的智能鋼筋加工體系，實現了智能鋼筋加工調度系統與設備的雙向數據通訊，為鋼筋加工設備數據上云、設備云化控制奠定了基礎。智能鋼筋加工體系架構如圖1所示。

圖1 智能鋼筋加工體系架構

3.1 現場設備層

現場設備層主要由數控鋼筋加工設備PLC 控制器、HMI觸摸屏、伺服驅動器、二維碼掃描裝置及各種外設傳感器組成，用于實現數控鋼筋加工設備信息采集與處理、邏輯控制、人機交互及鋼筋加工任務信息讀取等功能。

傳感器布置在鋼筋加工設備上，實時監測設備的運行狀態，伺服驅動器通過CAN 總線與PLC 控制器進行數據通信，PLC控制器實時采集傳感器及伺服數據。通過二維碼掃描裝置，可實現人工掃碼接收鋼筋加工任務標簽信息，標簽信息由無線模塊經無線路由器實現數據上傳。

3.2 數據采集層

數據采集層由核心交換機、智能網關、無線路由器等網絡連接設備組成，用于實現鋼筋加工調度系統與鋼筋加工設備間的雙向數據交互。

采集數據主要包含鋼筋加工任務信息、工作狀態和運行狀態信息等內容。任務信息包括項目信息、鋼筋加工參數等內容，通過二維碼掃碼裝置實現數據采集與傳輸。工作狀態包含設備運行狀態、實時加工參數、故障報警提示等信息。運行狀態包含電機轉速、電流、功率、軸承溫度、油溫、主軸振動等信息，通過讀取伺服驅動器中的電信號參數及外置轉速、溫度、振動等傳感器數據實現。

3.3 數據應用層

數據應用層包含存儲服務器、應用服務器、客戶端及標簽打印機等裝置，用于實現鋼筋加工數據預處理、設備采集信息存儲與匹配、加工任務下達、二維碼標簽打印等功能。

根據鋼筋加工整體工藝流程，調度系統匯聚鋼筋加工上下游數據，通過鋼筋翻樣、鋼筋算量、下料優化，完成一系列數據計算和信息整理，自動生成批量鋼筋二維碼生產標簽。調度系統接收到二維碼掃描信息后，自動匹配加工任務參數并下達至對應設備，實現加工信息閉環處理。

3.4 通訊協議

基于物聯網技術搭建的鋼筋智能加工通訊系統建立在可編程邏輯控制器PLC、Modbus、MQTT等協議技術基礎上。智能網關與設備PLC 控制器之間通過Modbus 協議進行通訊，由于接口型式不同，同時采用RS 485/RS 232兩種方式連接，實時讀取設備工作及運行狀態，并可同步將加工參數下載至設備PLC控制器。

智能網關與調度系統間采用MQTT協議通訊，通過訂閱和發布不同的Topic 主題，實現設備不同數據上傳與下達，有效避免消息重復、丟失和網絡傳輸錯誤等，滿足通訊實時性和可靠性要求。

二維碼掃碼裝置通過Web Socket 與服務器建立實時數據通訊，使用心跳機制等手段保持連接狀態監測，實現掃描數據的即時傳輸和收發。

4 智能鋼筋加工方法

智能化鋼筋加工設備是鋼筋加工的載體，也是生產成型鋼筋制品的核心，通過智能網關連接鋼筋加工設備和調度系統，結合二維碼掃描技術，從以下方面進行優化改進，可最大程度實現鋼筋加工設備集中調度和優化，減少人為和設備因素引起的生產效率低下的風險，提高生產效率和品質。

4.1 調度系統功能集成

智能鋼筋加工調度系統集成BIM、物聯網和人工智能技術，以BIM 平臺作為數據層，收集鋼筋及其加工設備的幾何信息、物理信息、傳感器數據、運行數據等，建立相應的物理模型；以物聯網平臺作為通信層，獲取智能加工過程中各物理量的變化，并將信息及時傳輸至云平臺，建立行為模型并進行分析，完成信息的交互和融合，便于進一步控制鋼筋加工過程；使用人工智能作為中間層，統籌協調設計信息、訂單優化匹配、生產管理、設備管理等業務流程，實現鋼筋加工數字展示、安全預警、圖紙識別、物料管理、軟件對接等全流程數字化管理，完成智能鋼筋加工自動化遠程監控的核心任務。調度系統還可為鋼筋生產提供數據支持和決策分析，協調設備產能，優化生產過程。智能鋼筋加工調度系統功能架構如圖2所示。

圖2 智能鋼筋加工調度系統功能架構

4.2 鋼筋加工多任務實現

數控鋼筋加工設備PLC 控制器內可預制多種加工圖形，且具備多任務信息存儲功能。鋼筋生產加工時，PLC控制器可批量下達任務參數（數量、規格等），結合預制圖形，自動完成鋼筋調直、彎曲、切斷全過程，并按數量和批次自動生產。鋼筋加工多任務參數的下達，最大程度減少了現場人工調整和參數設置時間，提高了生產的靈活性和適應性。鋼筋加工多任務工作流程如圖3所示。

圖3 鋼筋加工多任務工作流程

4.3 HMI信息提示

鋼筋加工設備HMI 觸摸屏除了具備常規的參數設置和信息顯示功能外，結合掃碼設備和多任務加工信息，HMI 觸摸屏還可提供更加全面、更加智能化的畫面提示（掃碼器斷開、重復掃碼、任務不匹配、多任務信息錄入等），方便操作人員及時發現并解決問題，提高工作效率。HMI觸摸屏信息提示畫面示例如圖4所示。

圖4 HIM觸摸屏信息提示畫面示例

4.4 鋼筋加工智能識圖

雖然自動化鋼筋加工設備的生產效率較高，但現場大部分鋼筋加工仍依靠人工讀取CAD 圖紙，手動輸入并調整參數進行鋼筋加工，加工質量很大程度上取決于人工讀圖效率，自動化程度較低。采用鋼筋加工調度系統，可集成CAD鋼筋圖紙自動翻譯方法，通過原始CAD 數據整理、BIM 建模、數據識別與提取、數據轉換與輸出等步驟，打通了CAD 圖紙到鋼筋加工設備間的一體化自動流轉流程，真正實現了鋼筋加工智能化。鋼筋加工智能識圖方法示例如圖5 所示。

圖5 鋼筋加工智能識圖方法示例

4.5 智能鋼筋加工設備遠程運維

智能鋼筋加工設備存在生產成本高、運行工況惡劣、操作人員水平不一等問題，一旦出現故障，將會嚴重影響工程進度。掌握鋼筋加工設備的實時運行狀態是輔助決策、分析產能和提高效率的關鍵。基于物聯網技術，鋼筋加工智能系統將參數超限報警和設備故障信息實時采集至調度系統，調度系統通過整合已有監測數據，及時發現設備的運行異常狀態，并借助智能報警策略，自動通過短信或APP 報警推送給相關設備管理人員，將設備的定期維護變為視情況維護，從而提高設備的可靠性和可用性，降低維修成本、延長設備使用壽命。智能鋼筋加工設備故障診斷流程示意如圖6所示。

圖6 智能鋼筋加工設備故障診斷流程示意

5 結語

目前，基于物聯網的鋼筋加工技術已在我公司多個EPC項目中應用，通過物聯網技術實現鋼筋加工設備與調度系統高度融合，在降低成本、縮短工期、提高安全管理水平等方面做出了顯著成效。以5 000t/d 水泥生產線為例，鋼筋加工總量約9 000t，通過應用智能鋼筋加工技術，粗略估計噸成本可降低20～30元；考慮項目人員、施工進度等影響，加工周期可縮短1～2個月；同時可有效避免由于人工操作誤差導致的加工質量問題，鋼筋損耗率整體控制在2%以內，極大提升了生產效率和質量控制。