智能鋼筋加工技術(shù)在水泥工程EPC 項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用

張鵬迪，李君言，孫亞超

1 前言

近年來，隨著我國建筑行業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，鋼筋加工技術(shù)逐漸由“人工+半自動(dòng)”生產(chǎn)模式向自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。將BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等數(shù)字智能技術(shù)，與智能鋼筋加工設(shè)備無縫對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)從鋼筋成品設(shè)計(jì)到原材料供應(yīng)、鋼筋下料與套材優(yōu)化、鋼筋成型與成品加工、質(zhì)量檢驗(yàn)與打包配送等全流程鋼筋智能化加工。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能鋼筋加工技術(shù)在降低鋼筋損耗、節(jié)約工程項(xiàng)目成本等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，我公司建立的智能鋼筋加工體系已在多個(gè)水泥工程EPC項(xiàng)目中應(yīng)用。

2 常用鋼筋加工設(shè)備

常用的鋼筋加工設(shè)備可分為數(shù)控鋼筋加工設(shè)備和非數(shù)控小型半自動(dòng)化鋼筋加工設(shè)備。數(shù)控鋼筋加工設(shè)備具有高精度、高效率和高自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在設(shè)備成本高、對(duì)操作員技術(shù)水平要求高、維護(hù)保養(yǎng)難、電能消耗大等問題。在水泥工程EPC 項(xiàng)目建設(shè)中，為保證項(xiàng)目進(jìn)度，通常同時(shí)使用兩類設(shè)備，相互補(bǔ)充。

2.1 數(shù)控鋼筋加工設(shè)備

常用的數(shù)控鋼筋加工設(shè)備主要包括數(shù)控彎箍機(jī)、數(shù)控調(diào)直剪切機(jī)、數(shù)控彎曲機(jī)、數(shù)控鋸切套絲機(jī)等，可實(shí)現(xiàn)鋼筋盤圓及棒材鋼筋強(qiáng)化、自動(dòng)調(diào)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(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

數(shù)控鋼筋加工設(shè)備控制單元主要由PLC 控制器、HMI觸摸屏和伺服驅(qū)動(dòng)器等組成。PLC控制器可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷及動(dòng)作執(zhí)行等功能，HMI 觸摸屏包含數(shù)據(jù)錄入和信息提示兩部分。操作人員通過HMI 觸摸屏設(shè)定需加工鋼筋的尺寸和角度，并將參數(shù)及指令下達(dá)至PLC 控制器，PLC 控制器按照已設(shè)定尺寸和角度，通過脈沖方式控制伺服電機(jī)行走或彎曲，自動(dòng)完成鋼筋加工任務(wù)。

2.2 非數(shù)控小型半自動(dòng)化鋼筋加工設(shè)備

非數(shù)控小型半自動(dòng)化鋼筋加工設(shè)備主要包括彎弧機(jī)、彎曲機(jī)、切斷機(jī)、套絲機(jī)、彎箍機(jī)等設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)鋼筋調(diào)直、彎箍、切斷、彎曲和續(xù)接等功能。非數(shù)控小型半自動(dòng)化鋼筋加工設(shè)備采用“人工+半自動(dòng)”的操作方式，設(shè)備具有獨(dú)立控制器，但不具備對(duì)外通訊接口，需額外加裝傳感器和通訊裝置，才能實(shí)現(xiàn)與其他控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

3 智能鋼筋加工體系架構(gòu)

針對(duì)水泥工程EPC 項(xiàng)目鋼筋加工設(shè)備的自身特性及其運(yùn)行環(huán)境特性，我公司結(jié)合二維碼、無線傳輸和工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，通過集成智能傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、射頻識(shí)別等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能鋼筋加工體系，實(shí)現(xiàn)了智能鋼筋加工調(diào)度系統(tǒng)與設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)通訊，為鋼筋加工設(shè)備數(shù)據(jù)上云、設(shè)備云化控制奠定了基礎(chǔ)。智能鋼筋加工體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能鋼筋加工體系架構(gòu)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要由數(shù)控鋼筋加工設(shè)備PLC 控制器、HMI觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)器、二維碼掃描裝置及各種外設(shè)傳感器組成，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控鋼筋加工設(shè)備信息采集與處理、邏輯控制、人機(jī)交互及鋼筋加工任務(wù)信息讀取等功能。

傳感器布置在鋼筋加工設(shè)備上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，伺服驅(qū)動(dòng)器通過CAN 總線與PLC 控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，PLC控制器實(shí)時(shí)采集傳感器及伺服數(shù)據(jù)。通過二維碼掃描裝置，可實(shí)現(xiàn)人工掃碼接收鋼筋加工任務(wù)標(biāo)簽信息，標(biāo)簽信息由無線模塊經(jīng)無線路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

3.2 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層由核心交換機(jī)、智能網(wǎng)關(guān)、無線路由器等網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備組成，用于實(shí)現(xiàn)鋼筋加工調(diào)度系統(tǒng)與鋼筋加工設(shè)備間的雙向數(shù)據(jù)交互。

采集數(shù)據(jù)主要包含鋼筋加工任務(wù)信息、工作狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)信息等內(nèi)容。任務(wù)信息包括項(xiàng)目信息、鋼筋加工參數(shù)等內(nèi)容，通過二維碼掃碼裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸。工作狀態(tài)包含設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)加工參數(shù)、故障報(bào)警提示等信息。運(yùn)行狀態(tài)包含電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、功率、軸承溫度、油溫、主軸振動(dòng)等信息，通過讀取伺服驅(qū)動(dòng)器中的電信號(hào)參數(shù)及外置轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)等傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。

3.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

數(shù)據(jù)應(yīng)用層包含存儲(chǔ)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、客戶端及標(biāo)簽打印機(jī)等裝置，用于實(shí)現(xiàn)鋼筋加工數(shù)據(jù)預(yù)處理、設(shè)備采集信息存儲(chǔ)與匹配、加工任務(wù)下達(dá)、二維碼標(biāo)簽打印等功能。

根據(jù)鋼筋加工整體工藝流程，調(diào)度系統(tǒng)匯聚鋼筋加工上下游數(shù)據(jù)，通過鋼筋翻樣、鋼筋算量、下料優(yōu)化，完成一系列數(shù)據(jù)計(jì)算和信息整理，自動(dòng)生成批量鋼筋二維碼生產(chǎn)標(biāo)簽。調(diào)度系統(tǒng)接收到二維碼掃描信息后，自動(dòng)匹配加工任務(wù)參數(shù)并下達(dá)至對(duì)應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)加工信息閉環(huán)處理。

3.4 通訊協(xié)議

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建的鋼筋智能加工通訊系統(tǒng)建立在可編程邏輯控制器PLC、Modbus、MQTT等協(xié)議技術(shù)基礎(chǔ)上。智能網(wǎng)關(guān)與設(shè)備PLC 控制器之間通過Modbus 協(xié)議進(jìn)行通訊，由于接口型式不同，同時(shí)采用RS 485/RS 232兩種方式連接，實(shí)時(shí)讀取設(shè)備工作及運(yùn)行狀態(tài)，并可同步將加工參數(shù)下載至設(shè)備PLC控制器。

智能網(wǎng)關(guān)與調(diào)度系統(tǒng)間采用MQTT協(xié)議通訊，通過訂閱和發(fā)布不同的Topic 主題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備不同數(shù)據(jù)上傳與下達(dá)，有效避免消息重復(fù)、丟失和網(wǎng)絡(luò)傳輸錯(cuò)誤等，滿足通訊實(shí)時(shí)性和可靠性要求。

二維碼掃碼裝置通過Web Socket 與服務(wù)器建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，使用心跳機(jī)制等手段保持連接狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸和收發(fā)。

4 智能鋼筋加工方法

智能化鋼筋加工設(shè)備是鋼筋加工的載體，也是生產(chǎn)成型鋼筋制品的核心，通過智能網(wǎng)關(guān)連接鋼筋加工設(shè)備和調(diào)度系統(tǒng)，結(jié)合二維碼掃描技術(shù)，從以下方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，可最大程度實(shí)現(xiàn)鋼筋加工設(shè)備集中調(diào)度和優(yōu)化，減少人為和設(shè)備因素引起的生產(chǎn)效率低下的風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)。

4.1 調(diào)度系統(tǒng)功能集成

智能鋼筋加工調(diào)度系統(tǒng)集成BIM、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)，以BIM 平臺(tái)作為數(shù)據(jù)層，收集鋼筋及其加工設(shè)備的幾何信息、物理信息、傳感器數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等，建立相應(yīng)的物理模型；以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(shí)傳輸至云平臺(tái)，建立行為模型并進(jìn)行分析，完成信息的交互和融合，便于進(jìn)一步控制鋼筋加工過程；使用人工智能作為中間層，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)信息、訂單優(yōu)化匹配、生產(chǎn)管理、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)鋼筋加工數(shù)字展示、安全預(yù)警、圖紙識(shí)別、物料管理、軟件對(duì)接等全流程數(shù)字化管理，完成智能鋼筋加工自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控的核心任務(wù)。調(diào)度系統(tǒng)還可為鋼筋生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持和決策分析，協(xié)調(diào)設(shè)備產(chǎn)能，優(yōu)化生產(chǎn)過程。智能鋼筋加工調(diào)度系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能鋼筋加工調(diào)度系統(tǒng)功能架構(gòu)

4.2 鋼筋加工多任務(wù)實(shí)現(xiàn)

數(shù)控鋼筋加工設(shè)備PLC 控制器內(nèi)可預(yù)制多種加工圖形，且具備多任務(wù)信息存儲(chǔ)功能。鋼筋生產(chǎn)加工時(shí)，PLC控制器可批量下達(dá)任務(wù)參數(shù)（數(shù)量、規(guī)格等），結(jié)合預(yù)制圖形，自動(dòng)完成鋼筋調(diào)直、彎曲、切斷全過程，并按數(shù)量和批次自動(dòng)生產(chǎn)。鋼筋加工多任務(wù)參數(shù)的下達(dá)，最大程度減少了現(xiàn)場(chǎng)人工調(diào)整和參數(shù)設(shè)置時(shí)間，提高了生產(chǎn)的靈活性和適應(yīng)性。鋼筋加工多任務(wù)工作流程如圖3所示。

圖3 鋼筋加工多任務(wù)工作流程

4.3 HMI信息提示

鋼筋加工設(shè)備HMI 觸摸屏除了具備常規(guī)的參數(shù)設(shè)置和信息顯示功能外，結(jié)合掃碼設(shè)備和多任務(wù)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(fù)掃碼、任務(wù)不匹配、多任務(wù)信息錄入等），方便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(shí)圖

雖然自動(dòng)化鋼筋加工設(shè)備的生產(chǎn)效率較高，但現(xiàn)場(chǎng)大部分鋼筋加工仍依靠人工讀取CAD 圖紙，手動(dòng)輸入并調(diào)整參數(shù)進(jìn)行鋼筋加工，加工質(zhì)量很大程度上取決于人工讀圖效率，自動(dòng)化程度較低。采用鋼筋加工調(diào)度系統(tǒng)，可集成CAD鋼筋圖紙自動(dòng)翻譯方法，通過原始CAD 數(shù)據(jù)整理、BIM 建模、數(shù)據(jù)識(shí)別與提取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與輸出等步驟，打通了CAD 圖紙到鋼筋加工設(shè)備間的一體化自動(dòng)流轉(zhuǎn)流程，真正實(shí)現(xiàn)了鋼筋加工智能化。鋼筋加工智能識(shí)圖方法示例如圖5 所示。

圖5 鋼筋加工智能識(shí)圖方法示例

4.5 智能鋼筋加工設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維

智能鋼筋加工設(shè)備存在生產(chǎn)成本高、運(yùn)行工況惡劣、操作人員水平不一等問題，一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。掌握鋼筋加工設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)是輔助決策、分析產(chǎn)能和提高效率的關(guān)鍵?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，鋼筋加工智能系統(tǒng)將參數(shù)超限報(bào)警和設(shè)備故障信息實(shí)時(shí)采集至調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度系統(tǒng)通過整合已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行異常狀態(tài)，并借助智能報(bào)警策略，自動(dòng)通過短信或APP 報(bào)警推送給相關(guān)設(shè)備管理人員，將設(shè)備的定期維護(hù)變?yōu)橐暻闆r維護(hù)，從而提高設(shè)備的可靠性和可用性，降低維修成本、延長設(shè)備使用壽命。智能鋼筋加工設(shè)備故障診斷流程示意如圖6所示。

圖6 智能鋼筋加工設(shè)備故障診斷流程示意

5 結(jié)語

目前，基于物聯(lián)網(wǎng)的鋼筋加工技術(shù)已在我公司多個(gè)EPC項(xiàng)目中應(yīng)用，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼筋加工設(shè)備與調(diào)度系統(tǒng)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(chǎn)線為例，鋼筋加工總量約9 000t，通過應(yīng)用智能鋼筋加工技術(shù)，粗略估計(jì)噸成本可降低20～30元；考慮項(xiàng)目人員、施工進(jìn)度等影響，加工周期可縮短1～2個(gè)月；同時(shí)可有效避免由于人工操作誤差導(dǎo)致的加工質(zhì)量問題，鋼筋損耗率整體控制在2%以內(nèi)，極大提升了生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制。