裝配式建筑PC構(gòu)件工廠(chǎng)混凝土輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

陳佛生，區(qū)兆琪，肖鴻韜

（1.廣東省建筑機(jī)械廠(chǎng)有限公司，廣州 510500；2.廣東江海機(jī)電工程有限公司，廣州 510500）

0 引言

推廣裝配式建筑是促進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效手段，通過(guò)工業(yè)化推動(dòng)建筑業(yè)由傳統(tǒng)建造模式向智能建造、智能制造模式轉(zhuǎn)變[1-4]。裝配式建筑借助工廠(chǎng)化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)裝配，可以縮短建造周期，減少建筑垃圾的排放和促進(jìn)資源、能源節(jié)約。在政府的引導(dǎo)和政策的推動(dòng)下，近幾年的裝配式建筑年均增長(zhǎng)率超過(guò)40%。但是，由于我國(guó)對(duì)裝配建筑混凝土預(yù)制構(gòu)件（簡(jiǎn)稱(chēng)為PC構(gòu)件）生產(chǎn)設(shè)備研究的起步較晚，國(guó)外生產(chǎn)線(xiàn)是基于所在國(guó)的建筑體系而研發(fā)的，我國(guó)的PC構(gòu)件生產(chǎn)工廠(chǎng)的各個(gè)系統(tǒng)還存在適用性、可靠性和方便性差的問(wèn)題。

PC構(gòu)件工廠(chǎng)的混凝土輸送系統(tǒng)是從攪拌站接料，并將料運(yùn)輸至各用料點(diǎn)的設(shè)備及其控制系統(tǒng)。作為工業(yè)化生產(chǎn)方式，其混凝土輸送應(yīng)為有軌運(yùn)輸，以確保運(yùn)輸安全可靠和作業(yè)的流程化。

傳統(tǒng)的PC構(gòu)件工廠(chǎng)的混凝土輸送系統(tǒng)局限于給自動(dòng)化流水線(xiàn)定點(diǎn)供料，供料點(diǎn)數(shù)量有限，而且目前實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的構(gòu)件大多局限于墻板、疊合板等厚度不大的平板類(lèi)構(gòu)件，而大量的異型構(gòu)件或超高超厚類(lèi)構(gòu)件還依賴(lài)于固定模臺(tái)生產(chǎn)線(xiàn)。固定模臺(tái)生產(chǎn)方式大多依賴(lài)叉車(chē)與起重機(jī)配合接料、運(yùn)料，這種方式效率低，安全隱患大。已建成的PC構(gòu)件工廠(chǎng)，不少混凝土輸送系統(tǒng)為自動(dòng)化控制的單通道閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。單通道閉環(huán)系統(tǒng)為了避免運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)撞車(chē)現(xiàn)象，混凝土運(yùn)輸車(chē)通常只能單向運(yùn)行，只要其中的一個(gè)混凝土運(yùn)輸車(chē)出現(xiàn)故障，整個(gè)混凝土輸送系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，不利于工廠(chǎng)連續(xù)生產(chǎn)。并且大部分PC構(gòu)件工廠(chǎng)，用料點(diǎn)只能通過(guò)對(duì)講機(jī)呼叫送料，由攪拌站操作人員操縱混凝土運(yùn)輸車(chē)的運(yùn)行，缺乏靈活性。

圖1 單通道閉環(huán)混凝土輸送系統(tǒng)

針對(duì)混凝土輸送系統(tǒng)存在的自動(dòng)化程度低、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，喬俊南等[5]對(duì)其控制技術(shù)進(jìn)行了研究，但仍然局限于停位準(zhǔn)確及自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)建等方面，未論述如何提高混凝土輸送系統(tǒng)適應(yīng)不同布置等問(wèn)題。

本文從輸送通道的模塊化設(shè)計(jì)[6-7]、混凝凝土運(yùn)輸車(chē)的研制和多種控制系統(tǒng)的研究等方面來(lái)構(gòu)建綜合性解決方案。基于模塊化設(shè)計(jì)，提出了將行走軌道梁設(shè)計(jì)成直線(xiàn)模塊和曲線(xiàn)模塊，并將其按接料路徑組合，可構(gòu)建滿(mǎn)足不同場(chǎng)地布置的行走通道；基于構(gòu)件生產(chǎn)的現(xiàn)狀，闡述了混凝土輸送車(chē)結(jié)構(gòu)、控制要求及混凝土輸送系統(tǒng)的控制方法和原理。最后，介紹多模式多點(diǎn)控制的混凝土輸送系統(tǒng)在佛山某建筑科技有限公司的應(yīng)用情況，驗(yàn)證其可行性與有效性。

1 新型混凝土輸送系統(tǒng)組成

通過(guò)對(duì)混凝土輸送系統(tǒng)存在的問(wèn)題分析，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，開(kāi)展了多模式多點(diǎn)控制的新型混凝土輸送系統(tǒng)的研制，以提高對(duì)用料布置的適應(yīng)性、送料效率、生產(chǎn)的連續(xù)性、便利性、可靠性和生產(chǎn)的柔性化。多模式多點(diǎn)控制混凝土輸送系統(tǒng)[8]的研制主要包括機(jī)械及結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩個(gè)方面，由若干個(gè)行走通道、多個(gè)混凝土運(yùn)輸車(chē)和控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 混凝土輸送系統(tǒng)

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 行走通道

行走通道是混凝土輸送系統(tǒng)適應(yīng)不同布置的關(guān)鍵裝置，主要包括立柱、混凝土運(yùn)輸車(chē)行走軌道梁和安全滑線(xiàn)，行走軌道梁設(shè)計(jì)成直線(xiàn)模塊和一定角度的圓弧模塊。通過(guò)模塊化裝配，可組合成“O”型的閉環(huán)通道或“L”“C”“S”型的曲線(xiàn)開(kāi)環(huán)通道。在設(shè)計(jì)混凝土輸送系統(tǒng)時(shí)，只要按接料點(diǎn)的布置對(duì)軌道梁進(jìn)行組合，即可形成不同型式的行走通道。運(yùn)輸通道上的安全滑線(xiàn)容量可以根據(jù)生產(chǎn)構(gòu)件時(shí)混凝土運(yùn)輸車(chē)同時(shí)運(yùn)行的數(shù)量和電機(jī)容量來(lái)確定。

2.2 混凝土輸送車(chē)

混凝土輸送車(chē)是混凝土輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要由鋼結(jié)構(gòu)支架、行走機(jī)構(gòu)、料斗、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)等幾部分組成，如圖3所示?；炷吝\(yùn)輸車(chē)運(yùn)行在行走通道上，在攪拌站下方接收攪拌好的混凝土，然后再將混凝土運(yùn)送到布料機(jī)或其它用料設(shè)備上方，控制翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使料斗翻轉(zhuǎn)180°卸料，完成后回轉(zhuǎn)到原位，然后回到攪拌站下方繼續(xù)接料。

圖3 混凝土輸送車(chē)結(jié)構(gòu)圖

混凝土輸送車(chē)的料斗容量應(yīng)綜合預(yù)制構(gòu)件的所需混凝土方量和生產(chǎn)工藝做最經(jīng)濟(jì)的選擇，一般為2 m3左右，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土輸送車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由行星減速電機(jī)和傳動(dòng)軸組成。減速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與料斗焊接成一體的傳動(dòng)軸帶動(dòng)料斗旋轉(zhuǎn)。為避免翻轉(zhuǎn)過(guò)程中因混凝土流動(dòng)性導(dǎo)致漏料，需要在料斗外側(cè)設(shè)置擋板，并將翻轉(zhuǎn)操作設(shè)置成分段翻轉(zhuǎn)（對(duì)自動(dòng)控制）或點(diǎn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)（對(duì)手動(dòng)控制）。

行走機(jī)構(gòu)主要包括行走減速電機(jī)、導(dǎo)向輪和行走輪等。根據(jù)行走通道形狀的不同，配置不同的行走機(jī)構(gòu)，直線(xiàn)行走通道配置較為經(jīng)濟(jì)的直線(xiàn)型行走機(jī)構(gòu)，曲線(xiàn)行走通道配置具有糾偏功能模塊的曲線(xiàn)型行走機(jī)構(gòu)。直線(xiàn)型行走機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，曲線(xiàn)型行走機(jī)構(gòu)要考慮在曲線(xiàn)軌道上行走時(shí)內(nèi)外軌道上行走輪的不同步問(wèn)題，除了要設(shè)置能自動(dòng)適用速度差異的機(jī)械裝置外，在行走控制方面，還要根據(jù)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置，在電機(jī)或行走輪上設(shè)置編碼器，通過(guò)編碼器將內(nèi)外側(cè)電機(jī)或行走輪轉(zhuǎn)速反饋給PLC，經(jīng)PLC計(jì)算差異值，當(dāng)差異值不符合轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性要求時(shí)，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)加以控制以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏。

3 控制系統(tǒng)

混凝土輸送車(chē)控制系統(tǒng)是PC構(gòu)件生產(chǎn)系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的控制系統(tǒng)，與單一生產(chǎn)線(xiàn)或設(shè)備的獨(dú)立控制不同，其與構(gòu)件生產(chǎn)線(xiàn)、攪拌站等生產(chǎn)線(xiàn)或設(shè)備系統(tǒng)均有相互控制關(guān)系，比如，只有混凝土輸送車(chē)停至布料機(jī)等用料點(diǎn)后，混凝土輸送車(chē)方可啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行卸料；只有混凝土輸送車(chē)停至接料點(diǎn)并將到位信息反饋給攪拌站，攪拌站接收到混凝土運(yùn)輸車(chē)的到位信息后，方可打開(kāi)卸料口進(jìn)行卸料；攪拌站卸料完成并關(guān)閉倉(cāng)門(mén)后，將信息反饋給混凝土運(yùn)輸車(chē)，方可啟動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，將混凝土運(yùn)至指定位置。

3.1 控制原理

為了使各系統(tǒng)（設(shè)備）有效整合，需要將與混凝土運(yùn)輸系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)（設(shè)備）納入中央控制系統(tǒng)整體控制，其控制原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作原理

整個(gè)系統(tǒng)采用Modbs TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)控制[5]，混凝土運(yùn)輸車(chē)、攪拌站、清洗裝置（設(shè)備）和布料機(jī)等用料設(shè)備將位置及狀態(tài)信息通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊最終實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土運(yùn)輸車(chē)的行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)順序、邏輯及作業(yè)控制。

3.2 自動(dòng)化控制

自動(dòng)化控制系統(tǒng)為PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)[9-13]，該系統(tǒng)通過(guò)PLC與觸摸屏組合，可以根據(jù)各系統(tǒng)（設(shè)備）的數(shù)量及控制要求需要來(lái)擴(kuò)展PLC的功能。同時(shí)利用觸摸屏良好的人機(jī)交互界面，可減少按鈕和開(kāi)關(guān)的使用，通過(guò)操作可視化提高操作的靈活度，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)混凝土運(yùn)輸車(chē)實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)化控制原理如圖5所示。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，通過(guò)觸摸屏向PLC發(fā)送操作指令，PLC通過(guò)計(jì)算、邏輯運(yùn)行及順序控制后，再將對(duì)應(yīng)的指令發(fā)送給混凝土運(yùn)輸車(chē)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)將混凝土運(yùn)輸車(chē)的位置信息和執(zhí)行情況經(jīng)PLC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后反饋給觸摸屏，并在觸摸屏上顯示。在觸摸屏上還可以設(shè)定自動(dòng)控制、遙控控制和現(xiàn)地控制3種不同控制方式的優(yōu)先順序，實(shí)現(xiàn)不同控制方式的互鎖，避免同一時(shí)間內(nèi)因不同操作者選擇不同的操作方式而產(chǎn)生安全隱患。

圖5 自動(dòng)化控制原理

混凝土運(yùn)輸車(chē)通過(guò)設(shè)置在行走機(jī)構(gòu)上的編碼器、各停位點(diǎn)的感應(yīng)器和PLC的計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位，停位后將相關(guān)信息反饋給攪拌站、清洗裝置等。

3.3 無(wú)線(xiàn)遙控

研發(fā)無(wú)線(xiàn)遙控控制系統(tǒng)是為了解決自動(dòng)化控制系統(tǒng)和現(xiàn)地控制中停位有限的問(wèn)題，通過(guò)遙控器操作，可實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)停位、卸料和返回等，可以提高安裝調(diào)試的便利性和生產(chǎn)的靈活性，特別是高效解決固定模臺(tái)生產(chǎn)線(xiàn)的多點(diǎn)用料問(wèn)題。

無(wú)線(xiàn)遙控控制系統(tǒng)的控制原理如圖6所示，操作者利用無(wú)線(xiàn)遙控器發(fā)送出信號(hào)，接收器接收發(fā)來(lái)的指令，并對(duì)指令進(jìn)行解析后，輸出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送給混凝土運(yùn)輸車(chē)的PLC控制箱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土運(yùn)輸車(chē)的行走或翻轉(zhuǎn)操作。

圖6 無(wú)線(xiàn)遙控控制原理

3.4 現(xiàn)地遙控

研發(fā)現(xiàn)地控制系統(tǒng)是為了解決與攪拌站溝通的問(wèn)題，在主要用料區(qū)間分區(qū)設(shè)置現(xiàn)地控制箱，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地與攪拌站遠(yuǎn)距離通訊。大多數(shù)的PC構(gòu)件生產(chǎn)工廠(chǎng)，用料點(diǎn)通常是通過(guò)對(duì)講機(jī)與攪拌站工作人員聯(lián)系，生產(chǎn)過(guò)程中噪聲大，利用對(duì)講機(jī)對(duì)話(huà)存在溝通環(huán)境不好的問(wèn)題，給生產(chǎn)帶來(lái)不便。

現(xiàn)地控制系統(tǒng)控制原理如圖7所示，操作者從就近的現(xiàn)地控制箱發(fā)送相關(guān)指令和位置信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊將指令和位置信息傳遞給混凝土運(yùn)輸車(chē)的PLC控制箱，通過(guò)PLC數(shù)據(jù)交換和運(yùn)行計(jì)算，將相關(guān)指令發(fā)送給混凝土運(yùn)輸車(chē)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土運(yùn)輸車(chē)的行走及翻轉(zhuǎn)等操作。

圖7 現(xiàn)地控制原理

3.5 位置及交互信號(hào)的設(shè)置

混凝土運(yùn)輸系統(tǒng)與各系統(tǒng)（設(shè)備）的信息交互主要包括位置和停位后的信息反饋，對(duì)于自動(dòng)化程度較高的混凝土輸送系統(tǒng)，一般包括以下幾個(gè)方面的信息交互。

（1）與攪拌站信息交互。主要包括混凝土運(yùn)輸車(chē)停位準(zhǔn)確后，允許攪拌站下料口開(kāi)倉(cāng)卸料；攪拌站下料口卸料完成并關(guān)倉(cāng)后，混凝土運(yùn)輸車(chē)允許離開(kāi)，對(duì)應(yīng)的信號(hào)提供如下。

攪拌站提供：卸料口卸料完畢信號(hào)，輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，點(diǎn)數(shù)與攪拌站卸料口的數(shù)量相同。

混凝土輸送控制系統(tǒng)提供：卸料口卸料允許信號(hào)，輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，點(diǎn)數(shù)與攪拌站卸料口的數(shù)量相同。

（2）與清洗裝置（設(shè)備）信息交互。主要包括混凝土運(yùn)輸車(chē)停位準(zhǔn)確后，啟動(dòng)混凝土運(yùn)輸車(chē)的清洗系統(tǒng)（有些工廠(chǎng)還包括啟動(dòng)砂石分離系統(tǒng)），清洗完成后，關(guān)閉清洗系統(tǒng)，混凝土運(yùn)輸車(chē)離開(kāi)，在清洗位設(shè)置開(kāi)關(guān)信號(hào)，其數(shù)量為通道數(shù)的2倍。

（3）與布料機(jī)等用料設(shè)備信息交互。主要包括布料機(jī)等用料設(shè)備就位后，混凝土運(yùn)輸車(chē)停位準(zhǔn)確并翻轉(zhuǎn)卸料，卸料完成后料斗回正并允許用料設(shè)備離開(kāi)。需要在卸料點(diǎn)設(shè)置開(kāi)關(guān)信號(hào)，其數(shù)量與卸料點(diǎn)數(shù)量相同。

4 應(yīng)用情況分析

所研制的混凝土輸送系統(tǒng)首次應(yīng)用于佛山某裝配式綠色建筑基地項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于佛山市南海區(qū)里水鎮(zhèn)，年產(chǎn)PC構(gòu)件12萬(wàn)m3。包括一條墻板柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、一條預(yù)留自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)（預(yù)留車(chē)間）和一條固定模臺(tái)生產(chǎn)線(xiàn)，其布置如圖8所示。

圖8 佛山某裝配式綠色建筑基地項(xiàng)目工廠(chǎng)三維模型

混凝土輸送系統(tǒng)包括兩條行走通道和4個(gè)混凝土運(yùn)輸小車(chē)（魚(yú)雷罐）及其控制系統(tǒng)，其中一條行走通道為直線(xiàn)通道，設(shè)有2個(gè)混凝土運(yùn)輸小車(chē)和5個(gè)停位及控制點(diǎn)；另一條為“L”型通道，設(shè)有2個(gè)混凝土運(yùn)輸小車(chē)和9個(gè)停位及控制點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 混凝土輸送車(chē)自動(dòng)化控制界面

混凝土輸送系統(tǒng)應(yīng)用PLC可編程控制技術(shù)、PLC通訊技術(shù)、無(wú)線(xiàn)遙控技術(shù)和操作模式優(yōu)先等技術(shù)，設(shè)置了在中控室（放置在攪拌站機(jī)房?jī)?nèi)）控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)遙控控制和現(xiàn)地控制3種不同的控制方式。

佛山某裝配式綠色建筑基地項(xiàng)目的混凝土輸送系統(tǒng)具有多通道、多控制模式的特點(diǎn)，很好地保證了生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。自2017年11月投入使用以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，可組合成不同形狀的行走通道，充分滿(mǎn)足不同用料點(diǎn)布置的需要，滿(mǎn)足了行走通道的個(gè)性化定制和不同生產(chǎn)線(xiàn)的用料需求，特別是結(jié)合無(wú)線(xiàn)遙控，解決了固定模臺(tái)生產(chǎn)線(xiàn)等柔性化生產(chǎn)方式的自動(dòng)化接料、運(yùn)料問(wèn)題，避免了因叉車(chē)等無(wú)軌運(yùn)輸方式所帶來(lái)的安全隱患。

（2）設(shè)置了自動(dòng)化控制、無(wú)線(xiàn)遙控、和現(xiàn)地控制的新型混凝土輸送系統(tǒng)，解決了安裝使用的靈活性、生產(chǎn)的可靠性和穩(wěn)定性等問(wèn)題，提高了機(jī)械化率和生產(chǎn)效率。

（3）混凝土輸送系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)年產(chǎn)量、生產(chǎn)線(xiàn)的布置、構(gòu)件的方量等參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。年產(chǎn)量決定了生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)量；生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)量決定了用料點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)；生產(chǎn)線(xiàn)的布置決定了輸送通道的數(shù)量和形狀（如環(huán)形、“L”型、“C”型等）；構(gòu)件的方量決定了運(yùn)輸車(chē)料斗的容量。