桥梁构件预制智慧工厂内多种生产设备功效分析研究

李清云，黎果，李佳琪，张岩，沈军

（1.浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.绍兴市城投建筑工业化制造有限公司，浙江 绍兴 312000；3.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000）

以计算机、网络、通讯等为代表的现代信息技术革命催生了数字经济，在技术层面，包括大数据、云计算、物联网、区块链、人工智能、5G通信等新兴技术，在应用层面，“新零售”“新制造”“智慧工厂”“智能化工厂”等都是其典型代表。面对数字经济发展大潮，许多国家都提出了自己的发展战略，如美国的“先进制造业伙伴计划”、德国的“工业4.0战略计划”、英国的“英国工业2050战略”等的数字经济战略等。立足于我国国情和发展阶段，正在实施“网络强国”战略，推进“数字中国”建设，工业化的诸多痛点遇到数字经济就有了药到病除的妙方，甚至可以点石成金、化腐朽为神奇。基于生产数字化的理念，本文主要对桥梁构件预制工厂内钢筋加工检测设备、龙门吊、混凝土搅拌站、车辆行走设备进行功效分析，采集相应数据并完成信息化管理平台的搭建，调度生产以提高经济效益。

1 主要生产设备概况

1.1 主要生产设备组成

钢筋加工检测设备主要由钢筋调直机、钢筋切断机、钢筋网片成型机、钢筋弯曲机、钢筋预应力机械、3D扫描成像设备组成。龙门吊主要由大车行走机构、支腿部分、操控室及电器控制、主梁、梯台、起吊小车组成。混凝土搅拌站主要由搅拌主机、称量系统、输送系统、储存系统和控制系统组成。车辆行走设备的类型按运输物料分为混凝土运输车、钢筋运输车等。

1.2 主要生产设备运行流程

钢筋加工检测设备的运行流程：根据目标构件进行钢筋下料，再通过钢筋加工器械对钢筋进行调直、弯曲、切断等动作，再将组装起来的钢筋骨架进行质量检测；龙门吊的运行流程：地面指挥人员收到运输任务，对司机进行指挥，司机按龙门吊操作规程合规操作吊车吊运重物，工作完毕后司机将吊车开到指定地点，手柄归零位并切断电源；混凝土搅拌站的运行流程：根据当天的浇筑量，对各物料进行配比，各物料按比例均匀送到搅拌口，搅拌机对各物料进行搅拌，最后通过混凝土泵送车运输到目的地。车辆行走设备运行流程：根据生产任务，不同工种（混凝土运输车、钢筋运输车等）的车辆有序进场完成运输任务。

1.3 主要生产设备在生产时存在的问题

在实际生产中，桥梁构件预制工厂中设备的运行并不是独立的，工厂中设备的运行需要考虑其它设备运行的进度，比如，龙门吊的运行可能面临着原材料的吊放进场与桥盖梁浇筑成品的出场存放两个任务，这两个任务都会影响生产进度，这带来了管理上的问题，只凭经验的管理往往造成效率低下。因此需要考虑数字化的管理方式。但工厂中设备复杂多样，数据采集难，且所需采集的数据具有多源与异构的特点，因此需要寻求一种数据采集方案及一个通用的数据采集协议。

1.4 解决方式

根据桥梁构件预制工厂中混凝土搅拌站、钢筋加工检测设备、龙门吊和车辆行走设备的运行流程进行功效分析，确定需要采集的数据种类，对采用PLC（Programmable Logic Controller）控制的设备，直接将数据采集接口与PLC相连接，剩余的数据可通过在设备上布置传感器获得，并采用OPC统一架构（OPC Unified Architecture,OPC UA）采集多源异构数据，建立信息化管理平台，对这些数据分析处理，通过数字化管理，可以有效进行生产调度。

平台分为WEB端和微信小程序端：Web端共分为14个模块，包含项目总览、合约管理、计划管理、生产管理、质量管理、堆场管理、物流管理、资源管理、设备管理、工人管理、安全管理、试验管理、资料库、大数据模块。微信小程序端分为：生产管理、质量管理、堆场管理、安全管理4个模块。

2 功效分析研究

2.1 混凝土搅拌站功效分析

通过高清摄像头对原料仓原材料方量进行数据采集，分析原材料动态消耗量，方便管理者及时制定对水泥、砂石、外加剂等原材料补充储存的计划。

搅拌站系统对搅拌站的设备型号登记、留底。桥梁构件预制工厂信息化管理平台通过对总生产计划的数据分析，制定合理的生产计划排产，搅拌站根据当天生产方量及其混凝土配合比搅拌混凝土。将搅拌站的运行状态实时上传至信息化管理平台，与工厂中其它设备信息交互，提高混凝土搅拌站生产效率与质量，实现搅拌站智能化生产。

2.2 钢筋加工检测设备功效分析

考虑钢筋加工系统采集每批次钢筋原材入库信息，可视化原材库存量，接入钢筋加工设备型号，并将每台设备的生产动态实时上传至信息化管理平台，打破信息孤岛，使管理者可以快速全面掌握钢筋加工动态，必要时通过信息化管理平台，进行合理的生产调度。在钢筋预应力张拉环节，智慧张拉系统接入张拉数据并留底，张拉过程中，系统检测到张拉不合格时，系统将自动报警提示。

在检测环节，采用3D扫描成像设备，设置了一个轨道（读取地上贴的二维码形成路线），设备在轨道上运行，扫描钢筋骨架形成3D影像，系统可以根据扫描图片自动测算钢筋间距，与预设值比较，判断钢筋骨架间距是否合格，提高检测效率。

2.3 龙门吊功效分析

龙门吊重在安全运行，受龙门吊司机和地面指挥人员的工作状态等因素影响，人工操作易出差错。按龙门吊安全操作规程的要求，利用传感器与PLC接口，检测龙门吊在运行过程中的运行速度、吊运重量、空中停留时间等数据，并将数据上传至桥梁构件预制工厂信息化管理平台，将上传的数据与安全生产阈值比较，判断是否违规操作，在违规时发出警报，信息化管理平台同时结合龙门吊运行位置信息与人员定位系统中人员定位信息的实时数据，鸣铃警告地面人员或暂停运行龙门吊。

2.4 车辆行走设备功效分析

车辆和驾驶人员信息全部在车辆指挥系统登记、留底。利用厂区内共布设283个摄像头，实现监控无死角，通过桥梁构件预制工厂信息化管理平台协调不同车辆在厂区内的路径，避免路径冲突造成拥堵等情况，提高车辆行走设备运输效率。采集经过地磅的车辆及载重物品的信息接入地磅系统，在信息化管理平台上进行原材料重量的复核以入库，车辆指挥系统采集车辆里程和耗油量信息，实时反馈在信息化管理平台上生成柱状图，以分析载重、路程对运输车辆耗油量的影响，考虑以行驶距离L、最大载重量Q为约束，以实际载重、路径选择为变量，耗油量最少为目标函数，建立数学模型进行路径优化，指导安全生产下的经济效益最大化的方案选择。

3 功效分析研究

3.1 预制盖梁在生产过程中的数字化问题

基于在实际预制盖梁生产时，在生产端，信息化管理平台将钢筋下料信息传输至钢筋加工设备控制钢筋加工，将混凝土浇筑量、配比等信息传输至混凝土搅拌站，通过信息化管理平台的实时生产动态数据，安排混凝土运输车及钢筋运输车将混凝土与钢筋运输至预制现场，预制构件完成养护后，预制构件成品通过龙门吊调运至构件运输车，构件运输车经过路径规划后将构件运输至施工现场。

3.2 优化后带来的经济效益

对预制盖梁生产过程中的各设备功效进行优化后，通过上传施工配合比，将水泥、砂、石、用水量、粉煤灰等各种材料的用量回传给搅拌站输送系统，使得混凝土搅拌站提高了生产效率。钢筋加工检测设备因出入库的信息化管理及自动检测设备节约了人力成本，提高了产品质量。通过对龙门吊运行数据的采集与信息交互，降低了安全事故发生的可能。对不同工种运输车辆的路径优化后，有效降低了运输成本。

4 结语

通过依托于桥梁构件预制工厂的多种生产设备功效分析进行的信息化管理，有助于控制产品质量，提高生产效率，保障工人的安全生产作业，成本分析控制并优化。工业生产与数据的结合，激活了数字经济。成本控制和优化，减少了人力，提高了桥梁构件预制工厂的自动化程度，为决策提供了更多的比选方案，有助于决策方掌握更多信息，做出正确的选择，控制成本，提高经济效益。