智能钢筋加工技术在水泥工程EPC 项目建设中的应用

张鹏迪，李君言，孙亚超

1 前言

近年来，随着我国建筑行业的数字化、智能化转型升级，钢筋加工技术逐渐由“人工+半自动”生产模式向自动化、智能化生产模式转变。将BIM技术、物联网、云计算等数字智能技术，与智能钢筋加工设备无缝对接，可实现从钢筋成品设计到原材料供应、钢筋下料与套材优化、钢筋成型与成品加工、质量检验与打包配送等全流程钢筋智能化加工。基于物联网的智能钢筋加工技术在降低钢筋损耗、节约工程项目成本等方面具有广阔的应用前景，我公司建立的智能钢筋加工体系已在多个水泥工程EPC项目中应用。

2 常用钢筋加工设备

常用的钢筋加工设备可分为数控钢筋加工设备和非数控小型半自动化钢筋加工设备。数控钢筋加工设备具有高精度、高效率和高自动化等优势，但同时也存在设备成本高、对操作员技术水平要求高、维护保养难、电能消耗大等问题。在水泥工程EPC 项目建设中，为保证项目进度，通常同时使用两类设备，相互补充。

2.1 数控钢筋加工设备

常用的数控钢筋加工设备主要包括数控弯箍机、数控调直剪切机、数控弯曲机、数控锯切套丝机等，可实现钢筋盘圆及棒材钢筋强化、自动调直、定尺切断、弯曲、焊接、螺纹加工等单一或组合功能，可极大减轻工人劳动强度，提高生产效率。

数控钢筋加工设备控制单元主要由PLC 控制器、HMI触摸屏和伺服驱动器等组成。PLC控制器可实现数据处理、逻辑判断及动作执行等功能，HMI 触摸屏包含数据录入和信息提示两部分。操作人员通过HMI 触摸屏设定需加工钢筋的尺寸和角度，并将参数及指令下达至PLC 控制器，PLC 控制器按照已设定尺寸和角度，通过脉冲方式控制伺服电机行走或弯曲，自动完成钢筋加工任务。

2.2 非数控小型半自动化钢筋加工设备

非数控小型半自动化钢筋加工设备主要包括弯弧机、弯曲机、切断机、套丝机、弯箍机等设备，主要实现钢筋调直、弯箍、切断、弯曲和续接等功能。非数控小型半自动化钢筋加工设备采用“人工+半自动”的操作方式，设备具有独立控制器，但不具备对外通讯接口，需额外加装传感器和通讯装置，才能实现与其他控制系统的数据交互。

3 智能钢筋加工体系架构

针对水泥工程EPC 项目钢筋加工设备的自身特性及其运行环境特性，我公司结合二维码、无线传输和工业以太网等技术，通过集成智能传感器、数据采集模块、射频识别等物联网相关设备，建立了基于物联网技术的智能钢筋加工体系，实现了智能钢筋加工调度系统与设备的双向数据通讯，为钢筋加工设备数据上云、设备云化控制奠定了基础。智能钢筋加工体系架构如图1所示。

图1 智能钢筋加工体系架构

3.1 现场设备层

现场设备层主要由数控钢筋加工设备PLC 控制器、HMI触摸屏、伺服驱动器、二维码扫描装置及各种外设传感器组成，用于实现数控钢筋加工设备信息采集与处理、逻辑控制、人机交互及钢筋加工任务信息读取等功能。

传感器布置在钢筋加工设备上，实时监测设备的运行状态，伺服驱动器通过CAN 总线与PLC 控制器进行数据通信，PLC控制器实时采集传感器及伺服数据。通过二维码扫描装置，可实现人工扫码接收钢筋加工任务标签信息，标签信息由无线模块经无线路由器实现数据上传。

3.2 数据采集层

数据采集层由核心交换机、智能网关、无线路由器等网络连接设备组成，用于实现钢筋加工调度系统与钢筋加工设备间的双向数据交互。

采集数据主要包含钢筋加工任务信息、工作状态和运行状态信息等内容。任务信息包括项目信息、钢筋加工参数等内容，通过二维码扫码装置实现数据采集与传输。工作状态包含设备运行状态、实时加工参数、故障报警提示等信息。运行状态包含电机转速、电流、功率、轴承温度、油温、主轴振动等信息，通过读取伺服驱动器中的电信号参数及外置转速、温度、振动等传感器数据实现。

3.3 数据应用层

数据应用层包含存储服务器、应用服务器、客户端及标签打印机等装置，用于实现钢筋加工数据预处理、设备采集信息存储与匹配、加工任务下达、二维码标签打印等功能。

根据钢筋加工整体工艺流程，调度系统汇聚钢筋加工上下游数据，通过钢筋翻样、钢筋算量、下料优化，完成一系列数据计算和信息整理，自动生成批量钢筋二维码生产标签。调度系统接收到二维码扫描信息后，自动匹配加工任务参数并下达至对应设备，实现加工信息闭环处理。

3.4 通讯协议

基于物联网技术搭建的钢筋智能加工通讯系统建立在可编程逻辑控制器PLC、Modbus、MQTT等协议技术基础上。智能网关与设备PLC 控制器之间通过Modbus 协议进行通讯，由于接口型式不同，同时采用RS 485/RS 232两种方式连接，实时读取设备工作及运行状态，并可同步将加工参数下载至设备PLC控制器。

智能网关与调度系统间采用MQTT协议通讯，通过订阅和发布不同的Topic 主题，实现设备不同数据上传与下达，有效避免消息重复、丢失和网络传输错误等，满足通讯实时性和可靠性要求。

二维码扫码装置通过Web Socket 与服务器建立实时数据通讯，使用心跳机制等手段保持连接状态监测，实现扫描数据的即时传输和收发。

4 智能钢筋加工方法

智能化钢筋加工设备是钢筋加工的载体，也是生产成型钢筋制品的核心，通过智能网关连接钢筋加工设备和调度系统，结合二维码扫描技术，从以下方面进行优化改进，可最大程度实现钢筋加工设备集中调度和优化，减少人为和设备因素引起的生产效率低下的风险，提高生产效率和品质。

4.1 调度系统功能集成

智能钢筋加工调度系统集成BIM、物联网和人工智能技术，以BIM 平台作为数据层，收集钢筋及其加工设备的几何信息、物理信息、传感器数据、运行数据等，建立相应的物理模型；以物联网平台作为通信层，获取智能加工过程中各物理量的变化，并将信息及时传输至云平台，建立行为模型并进行分析，完成信息的交互和融合，便于进一步控制钢筋加工过程；使用人工智能作为中间层，统筹协调设计信息、订单优化匹配、生产管理、设备管理等业务流程，实现钢筋加工数字展示、安全预警、图纸识别、物料管理、软件对接等全流程数字化管理，完成智能钢筋加工自动化远程监控的核心任务。调度系统还可为钢筋生产提供数据支持和决策分析，协调设备产能，优化生产过程。智能钢筋加工调度系统功能架构如图2所示。

图2 智能钢筋加工调度系统功能架构

4.2 钢筋加工多任务实现

数控钢筋加工设备PLC 控制器内可预制多种加工图形，且具备多任务信息存储功能。钢筋生产加工时，PLC控制器可批量下达任务参数（数量、规格等），结合预制图形，自动完成钢筋调直、弯曲、切断全过程，并按数量和批次自动生产。钢筋加工多任务参数的下达，最大程度减少了现场人工调整和参数设置时间，提高了生产的灵活性和适应性。钢筋加工多任务工作流程如图3所示。

图3 钢筋加工多任务工作流程

4.3 HMI信息提示

钢筋加工设备HMI 触摸屏除了具备常规的参数设置和信息显示功能外，结合扫码设备和多任务加工信息，HMI 触摸屏还可提供更加全面、更加智能化的画面提示（扫码器断开、重复扫码、任务不匹配、多任务信息录入等），方便操作人员及时发现并解决问题，提高工作效率。HMI触摸屏信息提示画面示例如图4所示。

图4 HIM触摸屏信息提示画面示例

4.4 钢筋加工智能识图

虽然自动化钢筋加工设备的生产效率较高，但现场大部分钢筋加工仍依靠人工读取CAD 图纸，手动输入并调整参数进行钢筋加工，加工质量很大程度上取决于人工读图效率，自动化程度较低。采用钢筋加工调度系统，可集成CAD钢筋图纸自动翻译方法，通过原始CAD 数据整理、BIM 建模、数据识别与提取、数据转换与输出等步骤，打通了CAD 图纸到钢筋加工设备间的一体化自动流转流程，真正实现了钢筋加工智能化。钢筋加工智能识图方法示例如图5 所示。

图5 钢筋加工智能识图方法示例

4.5 智能钢筋加工设备远程运维

智能钢筋加工设备存在生产成本高、运行工况恶劣、操作人员水平不一等问题，一旦出现故障，将会严重影响工程进度。掌握钢筋加工设备的实时运行状态是辅助决策、分析产能和提高效率的关键。基于物联网技术，钢筋加工智能系统将参数超限报警和设备故障信息实时采集至调度系统，调度系统通过整合已有监测数据，及时发现设备的运行异常状态，并借助智能报警策略，自动通过短信或APP 报警推送给相关设备管理人员，将设备的定期维护变为视情况维护，从而提高设备的可靠性和可用性，降低维修成本、延长设备使用寿命。智能钢筋加工设备故障诊断流程示意如图6所示。

图6 智能钢筋加工设备故障诊断流程示意

5 结语

目前，基于物联网的钢筋加工技术已在我公司多个EPC项目中应用，通过物联网技术实现钢筋加工设备与调度系统高度融合，在降低成本、缩短工期、提高安全管理水平等方面做出了显著成效。以5 000t/d 水泥生产线为例，钢筋加工总量约9 000t，通过应用智能钢筋加工技术，粗略估计吨成本可降低20～30元；考虑项目人员、施工进度等影响，加工周期可缩短1～2个月；同时可有效避免由于人工操作误差导致的加工质量问题，钢筋损耗率整体控制在2%以内，极大提升了生产效率和质量控制。