混凝土智能生產(chǎn)管理技術(shù)研究與應(yīng)用

景奉韜 ，夏昊 ，朱明清

（1.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；4.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著我國(guó)預(yù)拌混凝土技術(shù)的發(fā)展，混凝土攪拌、運(yùn)輸設(shè)備的技術(shù)水平已達(dá)到國(guó)際水平，國(guó)產(chǎn)設(shè)備已成為混凝土攪拌站的主力設(shè)備。但是，當(dāng)前混凝土的生產(chǎn)管理還處于傳統(tǒng)的管理模式[1-3]，無(wú)法對(duì)原材料的庫(kù)存數(shù)量進(jìn)行準(zhǔn)確掌握，容易造成原材料的積壓或短缺，會(huì)導(dǎo)致料倉(cāng)打爆的情況發(fā)生；在混凝土生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)控制中，靠書(shū)面通知、電話傳達(dá)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，缺乏集中統(tǒng)一管理，容易造成混凝土的浪費(fèi)；各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集和報(bào)表主要靠手工完成整理，效率低下、準(zhǔn)確性差。

基于上述行業(yè)背景以及存在的問(wèn)題，本文梳理現(xiàn)有混凝土生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程，應(yīng)用智能傳感設(shè)備和信息化技術(shù)，針對(duì)原材料進(jìn)場(chǎng)、混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸及澆筑各個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集及質(zhì)量控制點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并基于此開(kāi)發(fā)了混凝土生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)全過(guò)程的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，提高了混凝土生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

1 混凝土智能生產(chǎn)管理技術(shù)研究

1.1 原材料管理

針對(duì)目前倉(cāng)庫(kù)管理中存在的問(wèn)題，引入料位監(jiān)測(cè)裝置，自動(dòng)監(jiān)測(cè)原材料倉(cāng)是否有料。水泥等粉料采用雷達(dá)測(cè)料儀[4]（圖1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)料倉(cāng)庫(kù)存量，當(dāng)倉(cāng)內(nèi)粉料達(dá)到高料位時(shí)，自動(dòng)發(fā)送滿倉(cāng)報(bào)警提醒；砂石料通過(guò)皮帶機(jī)卸至指定料倉(cāng)，在卸料過(guò)程中，采用電子皮帶秤和激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入庫(kù)重量和倉(cāng)號(hào)；外加劑則通過(guò)電容式液位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)料倉(cāng)庫(kù)存量。

圖1 雷達(dá)測(cè)料儀Fig.1 Radar level gauge

原材料入庫(kù)前，通過(guò)動(dòng)態(tài)倉(cāng)儲(chǔ)和來(lái)料指引，引導(dǎo)原材料運(yùn)輸車船到指定地點(diǎn)、卸料至指定料倉(cāng)，非指定料倉(cāng)無(wú)法卸料，避免出現(xiàn)誤入倉(cāng)的情況。其中，粉料倉(cāng)通過(guò)自動(dòng)控制電磁閥開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)指定料倉(cāng)入庫(kù)，砂石料倉(cāng)則通過(guò)自動(dòng)控制分料小車運(yùn)行實(shí)現(xiàn)指定料倉(cāng)入庫(kù)。

原材料入庫(kù)后，粉料、外加劑可直接得到實(shí)時(shí)庫(kù)存量，砂石料則通過(guò)入庫(kù)重量和消耗重量自動(dòng)計(jì)算得到實(shí)時(shí)庫(kù)存量。同時(shí)，試驗(yàn)員及時(shí)對(duì)原材料進(jìn)行檢驗(yàn)，并將檢驗(yàn)結(jié)果與原材料批次進(jìn)行關(guān)聯(lián)，自動(dòng)更新原材料的檢驗(yàn)狀態(tài)，保證原材料檢驗(yàn)合格后才能使用，避免出現(xiàn)未檢先用情況。

1.2 混凝土生產(chǎn)管理

混凝土開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)，通過(guò)生產(chǎn)任務(wù)和原材料實(shí)時(shí)庫(kù)存量、原材料的檢驗(yàn)狀態(tài)，自動(dòng)指定原材料的使用料倉(cāng)。每個(gè)料倉(cāng)門(mén)口安裝紅綠燈和紅外探測(cè)器，使用料倉(cāng)門(mén)口為綠燈，指引裝載機(jī)進(jìn)入該料倉(cāng)取料，而非使用料倉(cāng)門(mén)口為紅燈，提示裝載機(jī)不要進(jìn)入。如果裝載機(jī)進(jìn)入了非使用料倉(cāng)，通過(guò)紅外探測(cè)器檢測(cè)到裝載機(jī)進(jìn)入，則自動(dòng)發(fā)送報(bào)警提醒。

混凝土生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)砂石料的含水率進(jìn)行檢測(cè)，砂石料倉(cāng)采用微波濕度傳感器[5-6]實(shí)時(shí)檢測(cè)含水率，并集成到攪拌站生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，可自動(dòng)計(jì)算水的用量，以修正施工配合比。

1.3 混凝土運(yùn)輸及澆筑管理

混凝土攪拌運(yùn)輸車上安裝正反轉(zhuǎn)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(nèi)容實(shí)時(shí)更新，顯示的是該車裝載的混凝土生產(chǎn)信息。攪拌運(yùn)輸車接料后，離開(kāi)攪拌站前往施工區(qū)域，通過(guò)GPS定位器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)攪拌運(yùn)輸車的位置，并通過(guò)正反轉(zhuǎn)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)攪拌運(yùn)輸車的狀態(tài)，正轉(zhuǎn)代表混凝土正在攪拌，反轉(zhuǎn)代表混凝土正在卸料。如果攪拌運(yùn)輸車未到施工區(qū)域而卸料，自動(dòng)發(fā)送異常卸料報(bào)警提醒。

攪拌運(yùn)輸車到達(dá)施工區(qū)域后，由工程部技術(shù)員掃描車載二維碼，查看混凝土生產(chǎn)信息，確認(rèn)信息無(wú)誤后進(jìn)行簽收，并澆筑混凝土。該車的混凝土澆筑完成后，技術(shù)員采用混凝土標(biāo)高計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)鉆孔灌注樁混凝土澆筑高度，計(jì)算剩余澆筑方量。攪拌站生產(chǎn)控制系統(tǒng)通過(guò)剩余澆筑方量實(shí)時(shí)調(diào)整混凝土的生產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑與后場(chǎng)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)平衡，提高了生產(chǎn)效率，減少浪費(fèi)。

1.4 混凝土檢驗(yàn)管理

混凝土生產(chǎn)過(guò)程中，需要進(jìn)行取樣并制作試塊，現(xiàn)有試塊制作和信息標(biāo)記完全由人工完成，在工程量大、夜間連續(xù)施工時(shí)，試驗(yàn)員取樣工作量大，容易出現(xiàn)操作誤差。為此，研發(fā)一種混凝土試塊快速成型裝置，該裝置由工作臺(tái)、模具回轉(zhuǎn)臺(tái)等組成，如圖2所示。工作臺(tái)沿圓周方向集成了多個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)加料，插搗、壓平和標(biāo)記等動(dòng)作，模具回轉(zhuǎn)臺(tái)上沿圓周方向等間距設(shè)置有多個(gè)固定基座，可以放置多個(gè)試塊盒，繞中心軸旋轉(zhuǎn)依次到達(dá)接料工位、振搗工位、壓平工位，標(biāo)記工位。該裝置實(shí)現(xiàn)了試塊快速制作，不僅減少了混凝土的浪費(fèi)，減輕了現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還提高了試塊的制作質(zhì)量，也為后續(xù)試驗(yàn)室對(duì)試塊的管理帶來(lái)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(chǎn)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于上述混凝土智能生產(chǎn)管理技術(shù)，開(kāi)發(fā)混凝土生產(chǎn)管理系統(tǒng)。混凝土生產(chǎn)管理系統(tǒng)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(kù)管理模塊、原材料庫(kù)存管理模塊、原材料檢驗(yàn)管理模塊、攪拌站生產(chǎn)管理模塊、混凝土運(yùn)輸及澆筑管理模塊、混凝土檢驗(yàn)管理模塊六大功能模塊；監(jiān)控層包括原材料庫(kù)存監(jiān)控系統(tǒng)、料倉(cāng)控制系統(tǒng)、攪拌站生產(chǎn)控制系統(tǒng)、攪拌運(yùn)輸車監(jiān)控系統(tǒng)4個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)；采集層包括雷達(dá)測(cè)料儀、電容式液位計(jì)等十多種傳感器硬件。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 System architecture diagram

2.2 系統(tǒng)功能模塊

2.2.1 原材料入庫(kù)管理模塊

物資部組織一批次原材料進(jìn)場(chǎng)，將送貨單上傳至混凝土生產(chǎn)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)送貨單信息和原材料實(shí)時(shí)庫(kù)存信息，自動(dòng)推薦該批次原材料的入庫(kù)料倉(cāng)，并發(fā)送給物資部和攪拌站管理員確認(rèn)。經(jīng)過(guò)確認(rèn)后，系統(tǒng)通過(guò)控制電磁閥開(kāi)閉、分料小車運(yùn)行實(shí)現(xiàn)指定料倉(cāng)入庫(kù)，避免出現(xiàn)誤入倉(cāng)的情況。原材料入庫(kù)后，系統(tǒng)自動(dòng)將該批次原材料標(biāo)記為“未質(zhì)檢”。

2.2.2 原材料庫(kù)存管理模塊

原材料入庫(kù)后，混凝土生產(chǎn)管理系統(tǒng)自動(dòng)更新原材料實(shí)時(shí)庫(kù)存信息，根據(jù)原材料實(shí)時(shí)庫(kù)存量和設(shè)計(jì)配合比，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得到可生產(chǎn)的混凝土方量，當(dāng)可生產(chǎn)方量過(guò)少時(shí)，自動(dòng)向物資部和攪拌站管理員發(fā)送余料報(bào)警提醒。

2.2.3 原材料檢驗(yàn)管理模塊

當(dāng)原材料入庫(kù)重量達(dá)到檢驗(yàn)頻率后，混凝土生產(chǎn)管理系統(tǒng)自動(dòng)向物資部推送原材料檢驗(yàn)委托單，物資部管理員填報(bào)后推送給試驗(yàn)室，試驗(yàn)員進(jìn)行原材料取樣，并按規(guī)范要求開(kāi)展原材料檢驗(yàn)試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)員上傳原材料檢驗(yàn)試驗(yàn)報(bào)告，系統(tǒng)自動(dòng)將該批次原材料標(biāo)記為“已質(zhì)檢”。

2.2.4 攪拌站生產(chǎn)管理模塊

根據(jù)混凝土生產(chǎn)計(jì)劃，工程部技術(shù)員在混凝土生產(chǎn)管理系統(tǒng)中提交澆筑申請(qǐng)，由工程部、攪拌站、物資部、試驗(yàn)室、質(zhì)檢部、測(cè)量隊(duì)等6個(gè)部門(mén)共同審批，最后經(jīng)項(xiàng)目分管領(lǐng)導(dǎo)審批后簽發(fā)澆筑令?；炷灵_(kāi)始生產(chǎn)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)該澆筑令和原材料檢驗(yàn)狀態(tài)自動(dòng)指定使用料倉(cāng)，并通過(guò)料倉(cāng)控制系統(tǒng)自動(dòng)指引裝載機(jī)取料，避免出現(xiàn)未檢先用情況。同時(shí)，攪拌站生產(chǎn)控制系統(tǒng)通過(guò)濕度傳感器和溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)砂石料含水率、原材料溫度、混凝土攪拌溫度，并通過(guò)公式自動(dòng)計(jì)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(chǎn)質(zhì)量。

2.2.5 混凝土運(yùn)輸及澆筑管理模塊

此模塊通過(guò)攪拌運(yùn)輸車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)攪拌運(yùn)輸車的位置和狀態(tài)，通過(guò)掃描車載二維碼進(jìn)行混凝土的簽收，避免出現(xiàn)異常卸料的情況；通過(guò)檢測(cè)混凝土標(biāo)高實(shí)時(shí)調(diào)整混凝土生產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑與后場(chǎng)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)平衡，提高了生產(chǎn)效率，減少浪費(fèi)。當(dāng)該澆筑令的生產(chǎn)任務(wù)全部完成后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算理論配合比、實(shí)際配合比、原材料實(shí)際用量，自動(dòng)生成混凝土生產(chǎn)及澆筑臺(tái)賬，減輕了現(xiàn)場(chǎng)人員的工作強(qiáng)度。

2.2.6 混凝土檢驗(yàn)管理模塊

當(dāng)混凝土生產(chǎn)量達(dá)到檢驗(yàn)頻率后，系統(tǒng)自動(dòng)通知試驗(yàn)室，試驗(yàn)員在現(xiàn)場(chǎng)取樣，根據(jù)規(guī)范要求檢驗(yàn)混凝土塌落度、擴(kuò)展度、含氣量、入模溫度等指標(biāo)，并通過(guò)混凝土試塊快速成型裝置制作混凝土試塊，標(biāo)養(yǎng)后再回到試驗(yàn)室檢驗(yàn)混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗?jié)B性能等指標(biāo)?；炷翙z驗(yàn)完成后，試驗(yàn)員上傳混凝土檢驗(yàn)報(bào)告。

3 混凝土智能生產(chǎn)管理技術(shù)應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

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

3.2 應(yīng)用效果

目前，混凝土智能生產(chǎn)管理技術(shù)及混凝土生產(chǎn)管理系統(tǒng)已在深中通道項(xiàng)目應(yīng)用（圖4），管理2臺(tái)攪拌站、20個(gè)粉料倉(cāng)、12個(gè)砂石料倉(cāng)、6個(gè)外加劑倉(cāng)、6臺(tái)攪拌運(yùn)輸車。

圖4 混凝土生產(chǎn)管理系統(tǒng)總覽界面Fig.4 Overview interface of concrete production management system

主要應(yīng)用成果如下：

1）混凝土攪拌站外安裝LED屏，實(shí)時(shí)展示了原材料庫(kù)存量和攪拌站生產(chǎn)數(shù)據(jù)，避免了原材料庫(kù)存的積壓或短缺，無(wú)需人工盤(pán)點(diǎn)，減輕了現(xiàn)場(chǎng)人員的工作強(qiáng)度。

2）發(fā)現(xiàn)滿倉(cāng)報(bào)警2次，余料報(bào)警3次。在系統(tǒng)上接收到滿倉(cāng)報(bào)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(bào)警后，物資部管理員及時(shí)組織原材料進(jìn)場(chǎng)，保證了高峰期混凝土的連續(xù)生產(chǎn)和供應(yīng)，提高了混凝土的生產(chǎn)效率。

3）發(fā)現(xiàn)異常卸料報(bào)警8次。在系統(tǒng)上接收到異常卸料報(bào)警后，攪拌站管理員立即詢問(wèn)攪拌運(yùn)輸車司機(jī)，8次均為司機(jī)在返回?cái)嚢枵镜耐局校阶韵窜嚥A倒廢料。攪拌站管理員了解情況以后及時(shí)制止，并對(duì)司機(jī)進(jìn)行了相應(yīng)的處罰。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合現(xiàn)有混凝土生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程，研究混凝土智能生產(chǎn)管理技術(shù)，從原材料進(jìn)場(chǎng)、混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸及澆筑各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)，設(shè)置關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)，應(yīng)用智能傳感設(shè)備和信息化技術(shù)，并基于此開(kāi)發(fā)了混凝土生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)全過(guò)程的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，避免出現(xiàn)原材料誤入倉(cāng)、原材料庫(kù)存積壓或短缺、原材料未檢先用等情況。在混凝土檢驗(yàn)方面，研發(fā)了混凝土試塊快速成型裝置，減少了混凝土浪費(fèi)，降低了現(xiàn)場(chǎng)人員的作業(yè)強(qiáng)度。

混凝土智能生產(chǎn)管理技術(shù)在深中通道項(xiàng)目得到成功應(yīng)用，提高了混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量和效率，減輕了現(xiàn)場(chǎng)人員的工作強(qiáng)度，節(jié)約成本。隨著智能傳感設(shè)備和信息化技術(shù)的不斷更新和突破，將這一技術(shù)運(yùn)用到混凝土生產(chǎn)上更日趨成熟，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。