王明睿,王景勝,鄭元喜,孟 浩
(北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司,北京 100120)
在裝配式建筑日益興起的今日,裝配式建筑中的混凝土預(yù)構(gòu)件(precast concrete簡(jiǎn)稱PC)的市場(chǎng)需求日益擴(kuò)大,目前國(guó)內(nèi)裝配式建筑PC生產(chǎn)工廠,絕大部分工廠仍采用傳統(tǒng)的手動(dòng)生產(chǎn)線以及人工報(bào)表方式進(jìn)行生產(chǎn),導(dǎo)致生產(chǎn)線效率低下,信息傳達(dá)不暢,工藝信息無法追溯,質(zhì)量管控不到位。隨著裝配式建筑需求的持續(xù)擴(kuò)大,市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)線的自動(dòng)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(dòng)化、自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)預(yù)構(gòu)件,但生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平及信息管理系統(tǒng)發(fā)展參差不齊,跟日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的設(shè)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(dòng)化生產(chǎn)線(簡(jiǎn)稱“PC預(yù)構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)線”)的應(yīng)用越來越廣泛,從而對(duì)產(chǎn)線的生產(chǎn)優(yōu)化算法、設(shè)備監(jiān)控、質(zhì)量管理、人員管理等方面提出了新的要求,原有的傳統(tǒng)人工生產(chǎn)線依靠管理人員生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)劃排產(chǎn)的粗放式管理已不再適用,從而PC預(yù)構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)線信息管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
本系統(tǒng)滿足裝配式建筑混凝土預(yù)制構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)線的管控需求,集成預(yù)制構(gòu)件信息自動(dòng)導(dǎo)入、高效布模計(jì)算、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)過程管控、產(chǎn)線信息共享等功能模塊于一體,支撐裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件實(shí)現(xiàn)柔性化、自動(dòng)化生產(chǎn)模式。改變國(guó)內(nèi)該類產(chǎn)品現(xiàn)有產(chǎn)線中邊模全部依靠人工布置的現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的高效率、高質(zhì)量生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo):
1)相對(duì)于傳統(tǒng)人工混凝土預(yù)制件生產(chǎn)線,減少產(chǎn)線工人數(shù)量,減少企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本;
2)相對(duì)于傳統(tǒng)人工混凝土預(yù)制件生產(chǎn)線,提升模臺(tái)利用率,提高生產(chǎn)線生產(chǎn)效率及產(chǎn)能,提升企業(yè)生產(chǎn)利潤(rùn);
3)相對(duì)于傳統(tǒng)人工混凝土預(yù)制件生產(chǎn)線,提高生產(chǎn)線產(chǎn)品兼容性,原有的人工產(chǎn)線只能生產(chǎn)單一尺寸的混凝土預(yù)制件產(chǎn)品,優(yōu)化為可生產(chǎn)不同尺寸的預(yù)制件產(chǎn)品。
自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)節(jié)拍為10分鐘。
生產(chǎn)線中央控制系統(tǒng),按照生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)及時(shí)間節(jié)拍,無縫下達(dá)指令給混凝土攪拌站、鋼筋生產(chǎn)線、及PC構(gòu)件生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)攪拌站生產(chǎn)、鋼筋生產(chǎn)線、PC構(gòu)件生產(chǎn)線三者之間的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)交換,同時(shí)中央控制系統(tǒng)能夠按照時(shí)間節(jié)拍控制布模/預(yù)埋件機(jī)械手、邊模庫(kù)機(jī)械手、噴涂機(jī)械手、鋼筋網(wǎng)片及桁架鋼筋抓取機(jī)械手等設(shè)備,具體要求如下:
1)中央控制系統(tǒng)按照生產(chǎn)計(jì)劃、時(shí)間節(jié)拍,下達(dá)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(jī)進(jìn)行布料澆注,布料機(jī)可實(shí)現(xiàn)數(shù)控布料,無需人工操作;
2)中央控制系統(tǒng)按照生產(chǎn)計(jì)劃、時(shí)間節(jié)拍及優(yōu)化程序,對(duì)流水線模臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,優(yōu)化模臺(tái)上疊合板數(shù)量,提高模臺(tái)利用率;
3)中央控制系統(tǒng)按照生產(chǎn)計(jì)劃、時(shí)間節(jié)拍,提前一天下達(dá)工作指令給鋼筋生產(chǎn)線,按照計(jì)劃需求生產(chǎn)出不同規(guī)格的鋼筋網(wǎng)片及桁架,同時(shí)打印二維碼標(biāo)簽(此二維碼為終生標(biāo)簽),輸送到流水線專用堆放區(qū)放置;
4)按照優(yōu)化好的流水線模臺(tái)上的疊合板數(shù)量及放置方向,中央控制系統(tǒng)控制布模機(jī)械手按照時(shí)間節(jié)拍進(jìn)行布模;
5)按照優(yōu)化好的流水線模臺(tái)上的疊合板數(shù)量及放置方向,中央控制系統(tǒng)控制噴涂機(jī)械手進(jìn)行噴涂;
6)按照布置好的模具,中央控制系統(tǒng)控制網(wǎng)片抓取機(jī)械手及桁架機(jī)械手,通過二維碼識(shí)別,確認(rèn)網(wǎng)片數(shù)據(jù),抓取網(wǎng)片及桁架鋼筋放置到構(gòu)件布放位置,桁架筋為定尺寸上線。
7)布模機(jī)械手及邊模模具庫(kù):布模機(jī)械手配置伺服智能控制統(tǒng),自動(dòng)接收中央控制系統(tǒng)下發(fā)的控制程序,控制機(jī)械手抓取固定邊模庫(kù)或邊模循環(huán)線上的邊模,按照構(gòu)件圖形信息布置,自動(dòng)布模機(jī)械手系統(tǒng)具有邊模布置、邊模輸送及分揀功能;
8)噴涂機(jī)械手:配置伺服智能控制系統(tǒng),自動(dòng)接收中央控制系統(tǒng)下發(fā)的控制程序,可用于脫模劑噴涂,以實(shí)現(xiàn)邊模內(nèi)部區(qū)域脫模劑噴涂,降低脫模劑的使用量;
9)網(wǎng)片及桁架抓取機(jī)械手:配置伺服智能控制統(tǒng),自動(dòng)接收中央控制系統(tǒng)下發(fā)的控制程序,具備鋼筋網(wǎng)片的磁性吸吊機(jī)構(gòu)與桁架夾持機(jī)構(gòu),根據(jù)數(shù)據(jù)依次布置到模臺(tái)的相應(yīng)位置;
混凝土預(yù)構(gòu)件主要生產(chǎn)工藝如圖1所示。
圖1 混凝土預(yù)構(gòu)件生產(chǎn)工藝流程圖
PC預(yù)構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)線信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)三層架構(gòu),包括以下三個(gè)層次:
1)數(shù)據(jù)采集層:主要完成對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、完整地采集和傳輸。根據(jù)需要,依靠部署在車間的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng),完成對(duì)預(yù)構(gòu)件生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、收集,并將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。
2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和應(yīng)用服務(wù)層。提供生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等的存儲(chǔ)和訪問服務(wù)。提供系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù),如生產(chǎn)計(jì)劃與執(zhí)行管理、生產(chǎn)監(jiān)控、產(chǎn)品與工藝管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、人員管理、報(bào)表管理。
3)客戶端可視化展示層。通過動(dòng)態(tài)模擬圖形、趨勢(shì)曲線、圖表等方式,形象、直觀地展示生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警信息數(shù)據(jù)等。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)物理隔離,中間采用工業(yè)網(wǎng)關(guān)/路由器隔離,保證生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)的安全。
生產(chǎn)車間采用有線、無線配合方式搭建生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò),完成車間中生產(chǎn)、設(shè)備、物料、質(zhì)量檢測(cè)、生產(chǎn)過程工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)信息的流動(dòng)和采集。
在數(shù)據(jù)中心部署采集服務(wù)器、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。分別采用KingIOServer、KingSCADA、KingHistorian軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。
在管理網(wǎng)絡(luò)側(cè),根據(jù)管理人員的職責(zé)不同,部署生產(chǎn)異常,生產(chǎn)管理,生產(chǎn)工藝管理,生產(chǎn)調(diào)度管理,設(shè)備管理,品質(zhì)管理,物料管理的客戶端。可配置報(bào)表打印機(jī)。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)具有預(yù)構(gòu)件布模生產(chǎn)優(yōu)化功能,其內(nèi)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法,可根據(jù)預(yù)構(gòu)件實(shí)際尺寸進(jìn)行優(yōu)化布局,從而提高模臺(tái)利用率,提高生產(chǎn)效率。
預(yù)制件生產(chǎn)過程中,每個(gè)預(yù)制件是由不同長(zhǎng)度的“邊?!痹诋a(chǎn)線“模臺(tái)”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?!迸c“下模”,其后再經(jīng)過網(wǎng)片、桁架、預(yù)埋件擺放、混凝土自動(dòng)布料、模臺(tái)自動(dòng)振搗、混凝土預(yù)養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)等不同工藝完成預(yù)制件的額生產(chǎn)。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(jì)1152根,存放于線邊邊模庫(kù)中供生產(chǎn)時(shí)使用。
1)預(yù)構(gòu)件均為疊合板;(不考慮缺口問題,人工進(jìn)行布料干預(yù));
2)每個(gè)模臺(tái)最多只放3個(gè)構(gòu)件,放置數(shù)量可配置為一個(gè);
3)每個(gè)構(gòu)件的最大網(wǎng)片數(shù)量為1個(gè),桁架數(shù)量為6個(gè),預(yù)埋件數(shù)量為5個(gè);
4)布模時(shí),構(gòu)件支持橫向擺放和豎向擺放,一個(gè)模臺(tái)上,支持混排,增加設(shè)置橫排、混排設(shè)置項(xiàng),考慮面積最大化利用;混排模式下:當(dāng)豎排時(shí),放置兩塊構(gòu)件,無法滿足第三塊時(shí),同時(shí)橫排也支持?jǐn)[放,采用橫排的方式;
5)構(gòu)件所使用的網(wǎng)片中帶彎鉤時(shí)不需要特殊考慮,均按照出筋長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算;
6)邊模由上下組合模構(gòu)成(上邊模、下邊模);
7)放置邊模時(shí),先放下邊模,再配放上邊模,(上邊模需置于對(duì)應(yīng)的下邊模外側(cè),上邊模內(nèi)沿距離圖紙出筋長(zhǎng)度外+50mm),第一根邊模內(nèi)沿(構(gòu)件邊緣)到模臺(tái)邊的位置固定600);
8)構(gòu)件邊緣距模臺(tái)右側(cè)、上側(cè)、下側(cè)的距離可配置(長(zhǎng)邊、寬邊);(500毫米為宜)(現(xiàn)場(chǎng)需要磁釘固定邊模,磁釘長(zhǎng)度370mm);
9)構(gòu)件盡量沿中心布;
10)兩個(gè)構(gòu)件之間需要留有固定(可配置)的操作間距(以構(gòu)件或外露鋼筋的外邊緣計(jì)算),50毫米為宜。
系統(tǒng)采用“枚舉算法”和“試探算法”為核心算法,假設(shè)存在一個(gè)可以用試探法求解的問題P,該問題表達(dá)為:對(duì)于已知的由n元組(y1,y2,…,yn)組成的一個(gè)狀態(tài)空間E={(y1,y2,…,yn)∣yi∈Si,i=1,2,…,n},給定關(guān)于n元組中的一個(gè)分量的一個(gè)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(gè)解。解問題P的最簡(jiǎn)單方法是使用枚舉法,即對(duì)E中的所有n元組逐一檢測(cè)其是否滿足D的全部約束,如果滿足,則為問題P的一個(gè)解。但是這種方法的計(jì)算量非常大。
對(duì)于現(xiàn)實(shí)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(duì)于約束集D具有完備性的問題P,一旦檢測(cè)斷定某個(gè)j元組(y1,y2,…,yj)違反D中僅涉及y1,y2,…,yj的一個(gè)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(huì)是問題P的解,因而就不必去搜索它們、檢測(cè)它們。
系統(tǒng)功能開發(fā)采用C#語言,優(yōu)化算法部分源代碼如圖4所示。
圖4 優(yōu)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
模臺(tái)的尺寸是固定的9m×3.5m,邊模一共有5種規(guī)格,寬度一致86mm,高度60mm??紤]邊模規(guī)格:1000mm、1550mm、1950mm、2550mm、2950mm。在布模時(shí),邊模庫(kù)的數(shù)量滿足當(dāng)前布模使用,同時(shí)慮邊模庫(kù)存。
所有構(gòu)件均按照?qǐng)D6方式進(jìn)行邊模擺放。
圖6 構(gòu)件邊模實(shí)際擺放形式
1)在構(gòu)件進(jìn)行布模優(yōu)化時(shí),如果無法具備布模條件(構(gòu)件尺寸太大,超出了模臺(tái)的有效使用尺寸),需輸出具體的構(gòu)件編號(hào)及相關(guān)參數(shù);
2)進(jìn)行優(yōu)化布模時(shí),由人工設(shè)定的構(gòu)件優(yōu)先級(jí)為最高優(yōu)先級(jí)進(jìn)行優(yōu)先布模,數(shù)字越大,優(yōu)先級(jí)越高。如果優(yōu)先級(jí)相同,以樓層優(yōu)先級(jí)進(jìn)行布模,樓層越低,優(yōu)先級(jí)越高;
3)模具庫(kù)可容存量
L1=2940mm長(zhǎng)模具132根;L2=2540mm長(zhǎng)模具132根;L3=1940mm長(zhǎng)模具84根;L4=1540mm長(zhǎng)模具108根;L5=990mm長(zhǎng)模具120根,合計(jì)576根。(上下模數(shù)量一致且兩者疊放,設(shè)計(jì)算法時(shí)只考慮下邊模即可)
(1)當(dāng)構(gòu)件邊長(zhǎng)為2550~2940mm時(shí)優(yōu)選L1=2940mm模具,當(dāng)構(gòu)件邊長(zhǎng)≤990mm時(shí),優(yōu)先選用L5=990mm模具(第一優(yōu)先級(jí))。
(2)經(jīng)以往測(cè)算數(shù)據(jù),L2、L3、L4模數(shù)的模具在各類疊合板中有效利用率可達(dá)92%。第一優(yōu)先級(jí)外構(gòu)件邊長(zhǎng)優(yōu)先選用此3種長(zhǎng)度的模具(第二優(yōu)先級(jí));
(3)當(dāng)L1庫(kù)存比例較L2、L4庫(kù)存比例較L5相差±15%以內(nèi),按原上述優(yōu)先級(jí)排布,當(dāng)庫(kù)存比例大于15%時(shí),改變?cè)瓋?yōu)先級(jí),以降低庫(kù)存比例差為方向選擇模具。當(dāng)庫(kù)存比例差降低至5%以內(nèi),轉(zhuǎn)換成原優(yōu)先級(jí)排布方法。
(4)當(dāng)L3庫(kù)存比例與L2、L4相差15%以上,以降低庫(kù)存比例差為方向選擇模具。當(dāng)庫(kù)存比例差降低至5%以內(nèi),轉(zhuǎn)換成原優(yōu)先級(jí)排布方法。
PC預(yù)構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)線信息管理系統(tǒng)主要包括:生產(chǎn)計(jì)劃管理、模臺(tái)優(yōu)化布模、PC自動(dòng)化生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度管理、工藝管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)項(xiàng)目管理、系統(tǒng)管理等功能模塊。
生產(chǎn)線監(jiān)控功能:可以實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)線上每個(gè)模臺(tái)、預(yù)構(gòu)件的實(shí)時(shí)位置信息,并進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化展示,在每個(gè)模臺(tái)上展示布模的預(yù)構(gòu)件唯一編號(hào)、布模時(shí)間、構(gòu)件圖號(hào)。同時(shí)對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,直觀體現(xiàn)生產(chǎn)線的整體運(yùn)行情況,如圖7所示。
圖7 PC預(yù)構(gòu)件信息管理系統(tǒng)監(jiān)控界面
自動(dòng)優(yōu)化排產(chǎn)功能:可根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際尺寸大小,根據(jù)布模優(yōu)化算法的結(jié)果自動(dòng)生成生產(chǎn)訂單和模擬布模結(jié)果,如圖8與圖9所示。
圖8 PC預(yù)構(gòu)件信息管理系統(tǒng)自動(dòng)生成的生產(chǎn)訂單
圖9 PC預(yù)構(gòu)件信息管理系統(tǒng)模擬布模結(jié)果
工藝管理功能:實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)管理,系統(tǒng)支持養(yǎng)護(hù)窯溫度、濕度信息的實(shí)時(shí)顯示、設(shè)定,支持養(yǎng)護(hù)窯包含實(shí)驗(yàn)艙溫度、濕度趨勢(shì)曲線顯示及歷史數(shù)據(jù)記錄、查詢及導(dǎo)出,如圖10所示。
圖10 PC預(yù)構(gòu)件信息管理系統(tǒng)工藝管理
質(zhì)量管理功能:系統(tǒng)通過產(chǎn)品質(zhì)量的相關(guān)信息采集,實(shí)現(xiàn)預(yù)構(gòu)件質(zhì)量分析,可以指定日期查看日生產(chǎn)預(yù)構(gòu)件的合格率,如圖11所示。
圖11 PC預(yù)構(gòu)件信息管理系統(tǒng)質(zhì)量管理
設(shè)備管理功能:系統(tǒng)實(shí)時(shí)展示產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、支持工藝數(shù)據(jù)設(shè)定,當(dāng)設(shè)設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警處理、支持異常信息記錄和查詢,如圖12所示。
圖12 PC預(yù)構(gòu)件信息管理系統(tǒng)設(shè)備管理
項(xiàng)目管理功能:系統(tǒng)支持項(xiàng)目信息、樓號(hào)信息的維護(hù),支持項(xiàng)目號(hào)、樓號(hào)、樓層、預(yù)構(gòu)件編號(hào)等信息的組合查詢和鎖定,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目變更信息記錄及項(xiàng)目進(jìn)度追蹤,如圖13所示。
圖13 PC預(yù)構(gòu)件信息管理系統(tǒng)項(xiàng)目管理
1)軟件系統(tǒng)與底層PLC控制設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊時(shí)間為≤1秒;
2)每個(gè)生產(chǎn)訂單的模臺(tái)布模優(yōu)化時(shí)間≤5分鐘;
3)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面切換響應(yīng)時(shí)間≤2秒;
4)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)6萬點(diǎn);
5)傳統(tǒng)人工產(chǎn)線在線工人數(shù)量為30人,自動(dòng)化生產(chǎn)線在線工人數(shù)量減少為16人;
6)人均產(chǎn)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(tái)利用率由原有的70%提升至85%—90%;
本系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用于某工廠混凝土預(yù)構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)線中,為此領(lǐng)域在自動(dòng)化生產(chǎn)和智能制造方面的開拓打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),有利于國(guó)家裝在配式建筑領(lǐng)域中的混凝土預(yù)構(gòu)件的使用推廣及質(zhì)量提升。