陳佛生，區(qū)兆琪，肖鴻韜

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

0 引言

推廣裝配式建筑是促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的有效手段，通過工業(yè)化推動建筑業(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化生產(chǎn)、現(xiàn)場裝配，可以縮短建造周期，減少建筑垃圾的排放和促進資源、能源節(jié)約。在政府的引導(dǎo)和政策的推動下，近幾年的裝配式建筑年均增長率超過40%。但是，由于我國對裝配建筑混凝土預(yù)制構(gòu)件（簡稱為PC構(gòu)件）生產(chǎn)設(shè)備研究的起步較晚，國外生產(chǎn)線是基于所在國的建筑體系而研發(fā)的，我國的PC構(gòu)件生產(chǎn)工廠的各個系統(tǒng)還存在適用性、可靠性和方便性差的問題。

PC構(gòu)件工廠的混凝土輸送系統(tǒng)是從攪拌站接料，并將料運輸至各用料點的設(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)為有軌運輸，以確保運輸安全可靠和作業(yè)的流程化。

傳統(tǒng)的PC構(gòu)件工廠的混凝土輸送系統(tǒng)局限于給自動化流水線定點供料，供料點數(shù)量有限，而且目前實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的構(gòu)件大多局限于墻板、疊合板等厚度不大的平板類構(gòu)件，而大量的異型構(gòu)件或超高超厚類構(gòu)件還依賴于固定模臺生產(chǎn)線。固定模臺生產(chǎn)方式大多依賴叉車與起重機配合接料、運料，這種方式效率低，安全隱患大。已建成的PC構(gòu)件工廠，不少混凝土輸送系統(tǒng)為自動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)為了避免運行過程中出現(xiàn)撞車現(xiàn)象，混凝土運輸車通常只能單向運行，只要其中的一個混凝土運輸車出現(xiàn)故障，整個混凝土輸送系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，不利于工廠連續(xù)生產(chǎn)。并且大部分PC構(gòu)件工廠，用料點只能通過對講機呼叫送料，由攪拌站操作人員操縱混凝土運輸車的運行，缺乏靈活性。

圖1 單通道閉環(huán)混凝土輸送系統(tǒng)

針對混凝土輸送系統(tǒng)存在的自動化程度低、穩(wěn)定性差等問題，喬俊南等[5]對其控制技術(shù)進行了研究，但仍然局限于停位準確及自動控制系統(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)不同布置等問題。

本文從輸送通道的模塊化設(shè)計[6-7]、混凝凝土運輸車的研制和多種控制系統(tǒng)的研究等方面來構(gòu)建綜合性解決方案?；谀K化設(shè)計，提出了將行走軌道梁設(shè)計成直線模塊和曲線模塊，并將其按接料路徑組合，可構(gòu)建滿足不同場地布置的行走通道；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，驗證其可行性與有效性。

1 新型混凝土輸送系統(tǒng)組成

通過對混凝土輸送系統(tǒng)存在的問題分析，結(jié)合實際工程應(yīng)用，開展了多模式多點控制的新型混凝土輸送系統(tǒng)的研制，以提高對用料布置的適應(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。多模式多點控制混凝土輸送系統(tǒng)[8]的研制主要包括機械及結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩個方面，由若干個行走通道、多個混凝土運輸車和控制系統(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、混凝土運輸車行走軌道梁和安全滑線，行走軌道梁設(shè)計成直線模塊和一定角度的圓弧模塊。通過模塊化裝配，可組合成“O”型的閉環(huán)通道或“L”“C”“S”型的曲線開環(huán)通道。在設(shè)計混凝土輸送系統(tǒng)時，只要按接料點的布置對軌道梁進行組合，即可形成不同型式的行走通道。運輸通道上的安全滑線容量可以根據(jù)生產(chǎn)構(gòu)件時混凝土運輸車同時運行的數(shù)量和電機容量來確定。

2.2 混凝土輸送車

混凝土輸送車是混凝土輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要由鋼結(jié)構(gòu)支架、行走機構(gòu)、料斗、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)等幾部分組成，如圖3所示。混凝土運輸車運行在行走通道上，在攪拌站下方接收攪拌好的混凝土，然后再將混凝土運送到布料機或其它用料設(shè)備上方，控制翻轉(zhuǎn)機構(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 混凝土輸送車結(jié)構(gòu)圖

混凝土輸送車的料斗容量應(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 混凝土輸送車主要技術(shù)參數(shù)

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)主要由行星減速電機和傳動軸組成。減速電機直接驅(qū)動與料斗焊接成一體的傳動軸帶動料斗旋轉(zhuǎn)。為避免翻轉(zhuǎn)過程中因混凝土流動性導(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)（對自動控制）或點動翻轉(zhuǎn)（對手動控制）。

行走機構(gòu)主要包括行走減速電機、導(dǎo)向輪和行走輪等。根據(jù)行走通道形狀的不同，配置不同的行走機構(gòu)，直線行走通道配置較為經(jīng)濟的直線型行走機構(gòu)，曲線行走通道配置具有糾偏功能模塊的曲線型行走機構(gòu)。直線型行走機構(gòu)較為簡單，曲線型行走機構(gòu)要考慮在曲線軌道上行走時內(nèi)外軌道上行走輪的不同步問題，除了要設(shè)置能自動適用速度差異的機械裝置外，在行走控制方面，還要根據(jù)行走機構(gòu)驅(qū)動電機的布置，在電機或行走輪上設(shè)置編碼器，通過編碼器將內(nèi)外側(cè)電機或行走輪轉(zhuǎn)速反饋給PLC，經(jīng)PLC計算差異值，當差異值不符合轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性要求時，需要對驅(qū)動電機加以控制以實現(xiàn)自動糾偏。

3 控制系統(tǒng)

混凝土輸送車控制系統(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)線或設(shè)備的獨立控制不同，其與構(gòu)件生產(chǎn)線、攪拌站等生產(chǎn)線或設(shè)備系統(tǒng)均有相互控制關(guān)系，比如，只有混凝土輸送車停至布料機等用料點后，混凝土輸送車方可啟動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行卸料；只有混凝土輸送車停至接料點并將到位信息反饋給攪拌站，攪拌站接收到混凝土運輸車的到位信息后，方可打開卸料口進行卸料；攪拌站卸料完成并關(guān)閉倉門后，將信息反饋給混凝土運輸車，方可啟動行走機構(gòu)，將混凝土運至指定位置。

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

整個系統(tǒng)采用Modbs TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)總線控制[5]，混凝土運輸車、攪拌站、清洗裝置（設(shè)備）和布料機等用料設(shè)備將位置及狀態(tài)信息通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，并進行數(shù)據(jù)交換，通過無線通訊最終實現(xiàn)對混凝土運輸車的行走機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)順序、邏輯及作業(yè)控制。

3.2 自動化控制

自動化控制系統(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擴展PLC的功能。同時利用觸摸屏良好的人機交互界面，可減少按鈕和開關(guān)的使用，通過操作可視化提高操作的靈活度，并能實現(xiàn)對多個混凝土運輸車實時監(jiān)控，自動化控制原理如圖5所示。在自動化控制系統(tǒng)中，通過觸摸屏向PLC發(fā)送操作指令，PLC通過計算、邏輯運行及順序控制后，再將對應(yīng)的指令發(fā)送給混凝土運輸車的執(zhí)行機構(gòu)，同時將混凝土運輸車的位置信息和執(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，實現(xiàn)不同控制方式的互鎖，避免同一時間內(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 自動化控制原理

混凝土運輸車通過設(shè)置在行走機構(gòu)上的編碼器、各停位點的感應(yīng)器和PLC的計算來實現(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 無線遙控

研發(fā)無線遙控控制系統(tǒng)是為了解決自動化控制系統(tǒng)和現(xiàn)地控制中停位有限的問題，通過遙控器操作，可實現(xiàn)任意點停位、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生產(chǎn)線的多點用料問題。

無線遙控控制系統(tǒng)的控制原理如圖6所示，操作者利用無線遙控器發(fā)送出信號，接收器接收發(fā)來的指令，并對指令進行解析后，輸出對應(yīng)的控制信號發(fā)送給混凝土運輸車的PLC控制箱，從而實現(xiàn)對混凝土運輸車的行走或翻轉(zhuǎn)操作。

圖6 無線遙控控制原理

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題，在主要用料區(qū)間分區(qū)設(shè)置現(xiàn)地控制箱，可以實現(xiàn)現(xiàn)地與攪拌站遠距離通訊。大多數(shù)的PC構(gòu)件生產(chǎn)工廠，用料點通常是通過對講機與攪拌站工作人員聯(lián)系，生產(chǎn)過程中噪聲大，利用對講機對話存在溝通環(huán)境不好的問題，給生產(chǎn)帶來不便。

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，通過無線通訊將指令和位置信息傳遞給混凝土運輸車的PLC控制箱，通過PLC數(shù)據(jù)交換和運行計算，將相關(guān)指令發(fā)送給混凝土運輸車的執(zhí)行機構(gòu)，以實現(xiàn)對混凝土運輸車的行走及翻轉(zhuǎn)等操作。

圖7 現(xiàn)地控制原理

3.5 位置及交互信號的設(shè)置

混凝土運輸系統(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，對于自動化程度較高的混凝土輸送系統(tǒng)，一般包括以下幾個方面的信息交互。

（1）與攪拌站信息交互。主要包括混凝土運輸車停位準確后，允許攪拌站下料口開倉卸料；攪拌站下料口卸料完成并關(guān)倉后，混凝土運輸車允許離開，對應(yīng)的信號提供如下。

攪拌站提供：卸料口卸料完畢信號，輸出開關(guān)信號，點數(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，輸出開關(guān)信號，點數(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。主要包括混凝土運輸車停位準確后，啟動混凝土運輸車的清洗系統(tǒng)（有些工廠還包括啟動砂石分離系統(tǒng)），清洗完成后，關(guān)閉清洗系統(tǒng)，混凝土運輸車離開，在清洗位設(shè)置開關(guān)信號，其數(shù)量為通道數(shù)的2倍。

（3）與布料機等用料設(shè)備信息交互。主要包括布料機等用料設(shè)備就位后，混凝土運輸車停位準確并翻轉(zhuǎn)卸料，卸料完成后料斗回正并允許用料設(shè)備離開。需要在卸料點設(shè)置開關(guān)信號，其數(shù)量與卸料點數(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目，該項目位于佛山市南海區(qū)里水鎮(zhèn)，年產(chǎn)PC構(gòu)件12萬m3。包括一條墻板柔性自動化生產(chǎn)線、一條預(yù)留自動化生產(chǎn)線（預(yù)留車間）和一條固定模臺生產(chǎn)線，其布置如圖8所示。

圖8 佛山某裝配式綠色建筑基地項目工廠三維模型

混凝土輸送系統(tǒng)包括兩條行走通道和4個混凝土運輸小車（魚雷罐）及其控制系統(tǒng)，其中一條行走通道為直線通道，設(shè)有2個混凝土運輸小車和5個停位及控制點；另一條為“L”型通道，設(shè)有2個混凝土運輸小車和9個停位及控制點，如圖9所示。

圖9 混凝土輸送車自動化控制界面

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)、無線遙控技術(shù)和操作模式優(yōu)先等技術(shù)，設(shè)置了在中控室（放置在攪拌站機房內(nèi)）控制的自動控制系統(tǒng)、無線遙控控制和現(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目的混凝土輸送系統(tǒng)具有多通道、多控制模式的特點，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，運行穩(wěn)定可靠，效果良好，達到預(yù)期目標。

5 結(jié)束語

（1）通過模塊化設(shè)計，可組合成不同形狀的行走通道，充分滿足不同用料點布置的需要，滿足了行走通道的個性化定制和不同生產(chǎn)線的用料需求，特別是結(jié)合無線遙控，解決了固定模臺生產(chǎn)線等柔性化生產(chǎn)方式的自動化接料、運料問題，避免了因叉車等無軌運輸方式所帶來的安全隱患。

（2）設(shè)置了自動化控制、無線遙控、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)定性等問題，提高了機械化率和生產(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)線的布置、構(gòu)件的方量等參數(shù)來進行設(shè)計。年產(chǎn)量決定了生產(chǎn)線的數(shù)量；生產(chǎn)線的數(shù)量決定了用料點的點數(shù)；生產(chǎn)線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)件的方量決定了運輸車料斗的容量。