装配式建筑 PC 构件工厂混凝土输送系统的设计与应用论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：针对当前PC构件工厂混凝土输送系统存在的适用性、灵活性、可靠性差等问题，从机械结构和控制系统着手，提出了基于模块化设计和多种控制方式的一体化解决方案，通过对输送通道进行模块化设计，研制新型混凝土输送车和研究不同的控制方法，研制了新型混凝土输送系统，说明了其控制原理以及与PC构件工厂不同系统(设备)的信息交互，介绍了带有3种不同控制模式的新型混凝土输送系统在佛山某建筑科技有限公司PC构件工厂中的应用。应用表明，经模块化设计的输送通道和混凝土运输车，可有效解决对不同用料布置的适用性问题；与单一的自动化控制相比，带多种控制方式的新型混凝土输送系统，可解决安装使用的灵活性、生产的可靠性和稳定性等问题，特别是可解决固定模台等柔性生产方式的自动化接料、运料问题，提高了机械化率和生产效率，具有较好的参考意义。

　　关键词：装配式建筑；PC构件工厂；混凝土输送系统；混凝土运输车；控制系统；设计与应用

　　Design and Application of Concrete Conveying System for Prefabricated Concrete Component Factory

　　Chen Fosheng1,2，Ou Zhaoqi1,2，Xiao Hongtao1,2

　　(1.Guangdong Construction Machinery Plant Co.,Ltd.,Guangzhou 510500,China;

　　2.Guangdong Jianghai Electrical and Mechanical Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510500,China)

　　Abstract:Aiming at the problems of poor applicability,flexibility and reliability of the concrete conveying system in the current prefabricated concrete component factory,starting from the mechanical structure and control system,an integrated solution based on modular design and multiple control modes was proposed.Through the modular design of the conveying channel,a new concrete conveying vehicle and different control methods were developed,and a new concrete conveying system was developed.Its control principle and information interaction with different systems(equipment)of prefabricated concrete component factory were explained,and the application of new concrete conveying system with three different control modes in prefabricated concrete component factory of Foshan Construction Technology Co.,Ltd.was introduced.The application shows that the modular design of conveying channel and concrete transport vehicle can effectively solve the applicability of different material layout.Compared with single automatic control,the new concrete transportation system with multiple control modes can solve the problems of flexibility in installation and use,reliability and stability of production,especially the problems of automatic material receiving and feeding of flexible production modes such as fixed mold platen,improve the mechanization rate and production efficiency,and has good reference significance.

　　Key words:prefabricated building;prefabricated concrete component factory;concrete transportation system;concrete transport vehicle;control system;design and application

　　0引言

　　推广装配式建筑是促进建筑业转型升级的有效手段，通过工业化推动建筑业由传统建造模式向智能建造、智能制造模式转变[1-4]。装配式建筑借助工厂化生产、现场装配，可以缩短建造周期，减少建筑垃圾的排放和促进资源、能源节约。在政府的引导和政策的推动下，近几年的装配式建筑年均增长率超过40%。但是，由于我国对装配建筑混凝土预制构件(简称为PC构件)生产设备研究的起步较晚，国外生产线是基于所在国的建筑体系而研发的，我国的PC构件生产工厂的各个系统还存在适用性、可靠性和方便性差的问题。

　　PC构件工厂的混凝土输送系统是从搅拌站接料，并将料运输至各用料点的设备及其控制系统。作为工业化生产方式，其混凝土输送应为有轨运输，以确保运输安全可靠和作业的流程化。

　　传统的PC构件工厂的混凝土输送系统局限于给自动化流水线定点供料，供料点数量有限，而且目前实现自动化生产的构件大多局限于墙板、叠合板等厚度不大的平板类构件，而大量的异型构件或超高超厚类构件还依赖于固定模台生产线。固定模台生产方式大多依赖叉车与起重机配合接料、运料，这种方式效率低，安全隐患大。已建成的PC构件工厂，不少混凝土输送系统为自动化控制的单通道闭环系统，如图1所示。单通道闭环系统为了避免运行过程中出现撞车现象，混凝土运输车通常只能单向运行，只要其中的一个混凝土运输车出现故障，整个混凝土输送系统将处于瘫痪状态，不利于工厂连续生产。并且大部分PC构件工厂，用料点只能通过对讲机呼叫送料，由搅拌站操作人员操纵混凝土运输车的运行，缺乏灵活性。

  

　　针对混凝土输送系统存在的自动化程度低、稳定性差等问题，乔俊南等[5]对其控制技术进行了研究，但仍然局限于停位准确及自动控制系统构建等方面，未论述如何提高混凝土输送系统适应不同布置等问题。

　　本文从输送通道的模块化设计[6-7]、混凝凝土运输车的研制和多种控制系统的研究等方面来构建综合性解决方案。基于模块化设计，提出了将行走轨道梁设计成直线模块和曲线模块，并将其按接料路径组合，可构建满足不同场地布置的行走通道；基于构件生产的现状，阐述了混凝土输送车结构、控制要求及混凝土输送系统的控制方法和原理。最后，介绍多模式多点控制的混凝土输送系统在佛山某建筑科技有限公司的应用情况，验证其可行性与有效性。

　　1新型混凝土输送系统组成

　　通过对混凝土输送系统存在的问题分析，结合实际工程应用，开展了多模式多点控制的新型混凝土输送系统的研制，以提高对用料布置的适应性、送料效率、生产的连续性、便利性、可靠性和生产的柔性化。多模式多点控制混凝土输送系统[8]的研制主要包括机械及结构和控制系统两个方面，由若干个行走通道、多个混凝土运输车和控制系统组成，如图2所示。

  

　　2机械结构

　　2.1行走通道

　　行走通道是混凝土输送系统适应不同布置的关键装置，主要包括立柱、混凝土运输车行走轨道梁和安全滑线，行走轨道梁设计成直线模块和一定角度的圆弧模块。通过模块化装配，可组合成“O”型的闭环通道或“L”“C”“S”型的曲线开环通道。在设计混凝土输送系统时，只要按接料点的布置对轨道梁进行组合，即可形成不同型式的行走通道。运输通道上的安全滑线容量可以根据生产构件时混凝土运输车同时运行的数量和电机容量来确定。

　　2.2混凝土输送车

　　混凝土输送车是混凝土输送系统的关键设备，主要由钢结构支架、行走机构、料斗、翻转机构和电气控制系统等几部分组成，如图3所示。混凝土运输车运行在行走通道上，在搅拌站下方接收搅拌好的混凝土，然后再将混凝土运送到布料机或其它用料设备上方，控制翻转机构使料斗翻转180°卸料，完成后回转到原位，然后回到搅拌站下方继续接料。

  

　　混凝土输送车的料斗容量应综合预制构件的所需混凝土方量和生产工艺做最经济的选择，一般为2 m3左右，主要技术参数如表1所示。

  

　　翻转机构主要由行星减速电机和传动轴组成。减速电机直接驱动与料斗焊接成一体的传动轴带动料斗旋转。为避免翻转过程中因混凝土流动性导致漏料，需要在料斗外侧设置挡板，并将翻转操作设置成分段翻转(对自动控制)或点动翻转(对手动控制)。

　　行走机构主要包括行走减速电机、导向轮和行走轮等。根据行走通道形状的不同，配置不同的行走机构，直线行走通道配置较为经济的直线型行走机构，曲线行走通道配置具有纠偏功能模块的曲线型行走机构。直线型行走机构较为简单，曲线型行走机构要考虑在曲线轨道上行走时内外轨道上行走轮的不同步问题，除了要设置能自动适用速度差异的机械装置外，在行走控制方面，还要根据行走机构驱动电机的布置，在电机或行走轮上设置编码器，通过编码器将内外侧电机或行走轮转速反馈给PLC，经PLC计算差异值，当差异值不符合转弯稳定性要求时，需要对驱动电机加以控制以实现自动纠偏。

　　3控制系统

　　混凝土输送车控制系统是PC构件生产系统中较为关键的控制系统，与单一生产线或设备的独立控制不同，其与构件生产线、搅拌站等生产线或设备系统均有相互控制关系，比如，只有混凝土输送车停至布料机等用料点后，混凝土输送车方可启动翻转机构进行卸料；只有混凝土输送车停至接料点并将到位信息反馈给搅拌站，搅拌站接收到混凝土运输车的到位信息后，方可打开卸料口进行卸料；搅拌站卸料完成并关闭仓门后，将信息反馈给混凝土运输车，方可启动行走机构，将混凝土运至指定位置。

　　3.1控制原理

　　为了使各系统(设备)有效整合，需要将与混凝土运输系统相关的系统(设备)纳入中央控制系统整体控制，其控制原理如图4所示。

  

　　整个系统采用Modbs TCP/IP工业以太网总线控制[5]，混凝土运输车、搅拌站、清洗装置(设备)和布料机等用料设备将位置及状态信息通过工业以太网传输到中央控制系统，并进行数据交换，通过无线通讯最终实现对混凝土运输车的行走机构、翻转机构实现顺序、逻辑及作业控制。

　　3.2自动化控制

　　自动化控制系统为PLC和触摸屏组合控制系统[9-13]，该系统通过PLC与触摸屏组合，可以根据各系统(设备)的数量及控制要求需要来扩展PLC的功能。同时利用触摸屏良好的人机交互界面，可减少按钮和开关的使用，通过操作可视化提高操作的灵活度，并能实现对多个混凝土运输车实时监控，自动化控制原理如图5所示。在自动化控制系统中，通过触摸屏向PLC发送操作指令，PLC通过计算、逻辑运行及顺序控制后，再将对应的指令发送给混凝土运输车的执行机构，同时将混凝土运输车的位置信息和执行情况经PLC数据转换后反馈给触摸屏，并在触摸屏上显示。在触摸屏上还可以设定自动控制、遥控控制和现地控制3种不同控制方式的优先顺序，实现不同控制方式的互锁，避免同一时间内因不同操作者选择不同的操作方式而产生安全隐患。

  

　　混凝土运输车通过设置在行走机构上的编码器、各停位点的感应器和PLC的计算来实现精确定位，停位后将相关信息反馈给搅拌站、清洗装置等。

　　3.3无线遥控

　　研发无线遥控控制系统是为了解决自动化控制系统和现地控制中停位有限的问题，通过遥控器操作，可实现任意点停位、卸料和返回等，可以提高安装调试的便利性和生产的灵活性，特别是高效解决固定模台生产线的多点用料问题。

　　无线遥控控制系统的控制原理如图6所示，操作者利用无线遥控器发送出信号，接收器接收发来的指令，并对指令进行解析后，输出对应的控制信号发送给混凝土运输车的PLC控制箱，从而实现对混凝土运输车的行走或翻转操作。

  

　　3.4现地遥控

　　研发现地控制系统是为了解决与搅拌站沟通的问题，在主要用料区间分区设置现地控制箱，可以实现现地与搅拌站远距离通讯。大多数的PC构件生产工厂，用料点通常是通过对讲机与搅拌站工作人员联系，生产过程中噪声大，利用对讲机对话存在沟通环境不好的问题，给生产带来不便。

　　现地控制系统控制原理如图7所示，操作者从就近的现地控制箱发送相关指令和位置信息，通过无线通讯将指令和位置信息传递给混凝土运输车的PLC控制箱，通过PLC数据交换和运行计算，将相关指令发送给混凝土运输车的执行机构，以实现对混凝土运输车的行走及翻转等操作。

  

　　3.5位置及交互信号的设置

　　混凝土运输系统与各系统(设备)的信息交互主要包括位置和停位后的信息反馈，对于自动化程度较高的混凝土输送系统，一般包括以下几个方面的信息交互。

　　(1)与搅拌站信息交互。主要包括混凝土运输车停位准确后，允许搅拌站下料口开仓卸料；搅拌站下料口卸料完成并关仓后，混凝土运输车允许离开，对应的信号提供如下。

　　搅拌站提供：卸料口卸料完毕信号，输出开关信号，点数与搅拌站卸料口的数量相同。

　　混凝土输送控制系统提供：卸料口卸料允许信号，输出开关信号，点数与搅拌站卸料口的数量相同。

　　(2)与清洗装置(设备)信息交互。主要包括混凝土运输车停位准确后，启动混凝土运输车的清洗系统(有些工厂还包括启动砂石分离系统)，清洗完成后，关闭清洗系统，混凝土运输车离开，在清洗位设置开关信号，其数量为通道数的2倍。

　　(3)与布料机等用料设备信息交互。主要包括布料机等用料设备就位后，混凝土运输车停位准确并翻转卸料，卸料完成后料斗回正并允许用料设备离开。需要在卸料点设置开关信号，其数量与卸料点数量相同。

　　4应用情况分析

　　所研制的混凝土输送系统首次应用于佛山某装配式绿色建筑基地项目，该项目位于佛山市南海区里水镇，年产PC构件12万m3。包括一条墙板柔性自动化生产线、一条预留自动化生产线(预留车间)和一条固定模台生产线，其布置如图8所示。

  

　　混凝土输送系统包括两条行走通道和4个混凝土运输小车(鱼雷罐)及其控制系统，其中一条行走通道为直线通道，设有2个混凝土运输小车和5个停位及控制点；另一条为“L”型通道，设有2个混凝土运输小车和9个停位及控制点，如图9所示。

  

　　混凝土输送系统应用PLC可编程控制技术、PLC通讯技术、无线遥控技术和操作模式优先等技术，设置了在中控室(放置在搅拌站机房内)控制的自动控制系统、无线遥控控制和现地控制3种不同的控制方式。

　　佛山某装配式绿色建筑基地项目的混凝土输送系统具有多通道、多控制模式的特点，很好地保证了生产的连续性和稳定性。自2017年11月投入使用以来，运行稳定可靠，效果良好，达到预期目标。

  

　　5结束语

　　(1)通过模块化设计，可组合成不同形状的行走通道，充分满足不同用料点布置的需要，满足了行走通道的个性化定制和不同生产线的用料需求，特别是结合无线遥控，解决了固定模台生产线等柔性化生产方式的自动化接料、运料问题，避免了因叉车等无轨运输方式所带来的安全隐患。

　　(2)设置了自动化控制、无线遥控、和现地控制的新型混凝土输送系统，解决了安装使用的灵活性、生产的可靠性和稳定性等问题，提高了机械化率和生产效率。

　　(3)混凝土输送系统应该根据年产量、生产线的布置、构件的方量等参数来进行设计。年产量决定了生产线的数量；生产线的数量决定了用料点的点数；生产线的布置决定了输送通道的数量和形状(如环形、“L”型、“C”型等)；构件的方量决定了运输车料斗的容量。

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