**：《混凝土世界》杂志。
韩东阳1， 沈雪1， 郭洁南1， 刘泽鹏1， 苗雪峰2， 马余1， 齐鹏3
1.北京建材行业信息中心.
2.深圳爱玲网*** 广东深圳。
3.上海蒙博智能物联网技术 *** 上海.
总结：针对预制混凝土制品（混凝土预制件、PC构件、PC预制构件）生产的各个步骤以及整体厂房系统架构和网络架构的要求，梳理了混凝土制品厂的智能化需求，分析了混凝土制品厂工艺智能化的必要性以及5G技术在混凝土制品智能工厂中的可行性， 并介绍了基于5G技术的混凝土智能工厂的系统功能架构和网络架构。针对预制混凝土构件生产过程中各工艺环节提出了智能解决方案。 为混凝土智能工厂的建设提供了实用参考。
关键字：5g；智能工厂; 混凝土制品; 混凝土预制构件。
介绍混凝土产品作为建材行业的重要组成部分，广泛应用于交通（公路、铁路、机场、桥梁）、矿山、住房建设、军事和国防工程等众多基础设施和工程项目的建设。 近年来，随着5G和众多智能制造技术在制造业的深入应用[1-2]，建材领域的企业也积极探索转型[3-8]，混凝土制品企业也与建材领域的其他企业一起积极探索5G和智能制造技术在行业的应用。 目前，我国混凝土制品行业政策利好，产品需求量迅速增加，已从过去的建筑企业附属部门逐步成长为一个独立的行业，未来发展潜力巨大。
与工业 40、随着智能制造技术的不断发展，混凝土制品行业的信息化、网络化、智能化发展迅速，近年来国内外科研人员提出了许多相关研究。 杜珂等[9]梳理了装配构件的生产工艺、行业发展历程和未来发展方向。 陈峰等[10]** MES和ERP系统在装配式建筑构件生产线中的应用; 朱志华[11]介绍了近年来预制构件新技术、预制构件数字化生产设备技术、预制构件信息管理系统技术的发展情况。 Nv Kurakina[12]梳理了欧盟和俄罗斯在该领域现有的端到端数字前沿技术，如CAX、BIM等技术的应用; Sara Reichenbach[13]描述了该领域自动化技术的现状。 然而，现有研究主要集中在MES、ERP等系统在预制构件生产线中的应用，以及预制构件与BIM技术相结合，使安装过程更加智能化，以提升整体效率为目标，针对整个生产工艺链的智能化解决方案和行业内关键智能制造技术的研发和应用尚有所欠缺。
本文基于混凝土制品行业智能化需求，阐述了混凝土制品生产工艺的现状和工厂的智能化需求，提出了混凝土预制构件智能工厂的设计原则，设计阐述了混凝土预制构件完整智能工厂的完整功能架构; 为基于5G各环节智能方案的混凝土装配构件产品企业智能工厂建设提供参考。
1 混凝土制品厂的智能化要求及设计原则
1.1、混凝土制品生产过程智能化的必要性
不同类型混凝土制品所用的工艺会略有不同，本文仅以混凝土件的生产为例，介绍其一般工艺。 混凝土零部件生产的一般工艺流程包括混凝土准备、模具组装、钢筋和网安装、混凝土浇筑、养护、脱模和吊装、成品验收、仓储等，如图1所示。
图1 一般生产流程。
基于上述流程和步骤，混凝土制品厂智能化升级改造的必要性包括：（1）通过各环节的智能化改造升级，提高生产效率，减少成品，增强市场竞争力; （2）实现生产线柔性化生产，快速满足市场需求; （3）进一步提高设备联网程度，实现设备实时状态获取，降低维护难度; （4）通过智能系统实现安全生产监控，减少安全隐患; （5）通过对智能系统产品的实时质量检测，确保产品质量。
针对上述需求，本文将构建一整套基于5G的具体产品智能工厂解决方案，包括智能工厂整体架构的设计和产线自动化、信息化、智能化的改造，从而实时获取生产设备状态，连接各种隔离流程和数据孤岛， 为行业智能工厂的进一步发展奠定基础。
1.2 5G技术在混凝土产品智能工厂中的可行性同时，5G与云计算、边缘计算、大数据、人工智能等技术的深度融合，使其成为各行业数字化转型的关键基础设施之一。 5G技术弥补了传统工业无线速度低、覆盖范围小、可靠性差等缺点，成为工厂设备频繁移动、生产环境恶劣等场景下设备连接的首选，成为工业网络的重要组成部分。 工厂内5G网络建设模式有三种：（1）虚拟专网模式。 基于公网，通过网络切片、定制DNN等技术，为企业提供差异化的网络连接服务。 在这种模式下，基站和核心网在工厂和公网用户之间共享，5G设备部署在运营商的机房，工厂业务数据和5G控制面信令将离开工厂园区，适合对时延和隐私要求不高的用户。 （2）混合专用网络模式。 基于公网，将5G用户面功能设备的UPF部署到工厂，实现工厂数据的本地卸载，从而达到数据不出厂园区，支持时延敏感业务的目的。 在这种模式下，工厂和公网用户共享基站和核心控制面的功能，因此5G控制面信令将离开工厂园区。 适用于对延迟和隐私要求较高的用户。 （3）5G本地网络模式。 它是与公网完全隔离的独立物理专网，5G网络的所有设备，包括基站、传输网络、核心网，均独立部署在工厂内。 非常适合对高延迟和数据隐私要求或希望完全控制其网络的用户。 在这种模式下，用户一次性投资建网，未来无需支付数据传输费用。 5G 本地网络提供商通常提供简单易用的配置和维护界面，可供工业用户操作。 这种模式通常采用定制化的轻量级核心网，及时满足工业用户的个性化需求。 德国、日本、韩国等国家纷纷为垂直行业分配了专门的5G专网频段，建设自己的5G专网，形成了与运营商网络共存的多形态格局。 通过5G本地网络，工厂内具有自主可控安全性、自主可控成本、自主可控能力的专网，逐渐成为工业用户的选择。
由于应用场景广泛，具体产品对不同企业智能工厂的时延和数据隐私有不同的要求，可以根据自己的具体需求选择合适的网络建设模式。
1.3 预制混凝土构件智能工厂设计原则基于以上对装配式混凝土构件工厂智能化要求的描述和5G预制混凝土构件智能工厂应具备的特点，以及GB T 37393-2019《数字化车间通用技术要求》的要求，本文提出5G装配式混凝土构件智能工厂的建设原则如下： （1）满足混凝土制品厂在设备、生产工艺、产品和管理等方面的全方位智能化需求，保证可扩展性;（2）采用智能化生产设备，实现更高效、更高质量的生产; （3）在合规条件下，运用智能技术和设备，实现脱工、节约成本、提高效率; （4）基于工业5G现场网络，实现工厂全流程一体化; （5）构建基于智能装备和系统的智能工厂管理，逐步实现具体产品智能工厂的精益化、敏捷化管理。
基于以上原理，混凝土制品行业智能工厂的整体功能框架如图2所示，在系统层面纵向完成各模块的数据交互，在横向完成生命周期各环节的系统集成。
图2 整体功能框架。
设备设施层：包括与5G模块集成的混凝土产品生产智能设备，如模具台、摆渡设备、拆封设备、喷涂设备、贴片机、工业相机、工业机器人等，以及信息基础设施、通用计算基础设施等。
感知控制层：SCADA等控制系统、边缘计算平台、控制优化系统等。 负责采集混凝土制品厂的物料、仓库、模具表、工艺、工艺路径、生产线等数据，通过数据融合和平台通信，将数据传输到相应的智能生产层功能模块或工业应用软件。
智能生产层：包括以MES或MOM为核心的混凝土产品工厂智能化，实现基础数据管理、项目管理、生产订单管理、原材料管理、质量管理、生产计划管理、生产绩效管理、堆场管理等关键应用场景，实现高效、优质、低成本生产。
精益管理层：包括采购层、销售层、客户层、碳资产管理层等，结合业务分析工具，帮助具体产品工厂做出智能决策。
敏捷服务层：包括混凝土制品原材料第一链协同、灵活定制等，加速工厂将生产优势输出辐射到混凝土制品行业。
2 基于5G的装配式混凝土构件的智能工厂系统架构
本文提出的基于5G的装配式混凝土工厂的系统架构分为以下三个部分：（1）物联网工业设备。 包括生产线的各种智能生产设备，如布料机、各种机械手、各种传感器、用于运输零部件的自动运输车等; 它还包括为支持智能制造而部署的附加设备，例如摄像机、工业相机、RFID 标签阅读器等。 工业设备可以嵌入5G模块接入5G网络，但目前此类设备相对较少，大多数情况下，工业设备通过外部5G终端实现5G网络接入。 （2）工业5G现场网络。 它由5G终端、5G接入网、5G核心网、5G网管等部分组成，基于5G本地网络建设模式，将5G核心网控制面和数据面功能以虚拟化和微服务的形式部署，并存在于各进程环节的边缘计算中心。 5G核心网的各个组件也是本地5G工业网络的一部分。 根据现场条件和应用场景，可部署室内小站或室外宏站。 5G网络至少应具备以下能力：1）5G网络应完全覆盖工厂内的业务区域;2）5G网络应确保业务处理能力满足高峰期业务需求;3）5G网络应保证网络各项业务的性能要求;4）5G网络应保证5G终端在网络覆盖区域内移动时保持业务连续性;5）5G网络应确保敏感数据不离开工厂区域;6）5G网络应确保通信过程中的安全;7）应提供易于操作的图形化维护界面。（3）部署在云端的工业边缘智能中心。 基于边缘计算平台，部署虚拟化的5G核心网功能和各种工业应用。 边缘智能中心基于虚拟机、容器等微数据中心的超融合架构，以及本地化5G网络接入能力的构建，工业边缘智能中心可部署云端，形成基于5G本地网络的ICT和OT融合解决方案。
3 基于5G的装配式混凝土构件智能工厂生产过程智能化
混凝土预制构件智能工厂的智能生产过程涉及模具平台的流量跟踪、模具的装配、钢筋和网的安装、混凝土浇筑模块、养护、脱模和吊装、质量检验、成品的入库、安全监控等过程。
3.1.模具工作台流量跟踪在模具台的侧面布置RFID电子标签，并在每个工位布置RFID标签阅读器。 RFID标签阅读器通过5G终端设备连接到5G网络。 当模台流向相应的工位时，RFID标签阅读器读取标签ID，通过5G网络上报给上位机，然后通知MES，以便MES掌握特定产品在生产过程中的位置。 如图 3 所示。
图3 模具流量跟踪功能。
3.2.模具组装通过5G网络，连接模台清洗站的模具工作台清洗机械手、模具工作台放置机械手、模具工作台喷涂机等设备，实现喷涂、模具工作台清洗等状态信息的传输和后续工艺切换的触发。 如图 4 所示。
图4 模具装配功能。
3.3.钢筋和网的安装当模台流向钢筋网放置工位时，模盘循环跟踪系统扫描模盘编号，MES根据订单通过5G网络通知DCS，指示机械手根据订单的加固要求在模具中布置钢筋网。 安排完成后，机械手通过5G网络向DCS发送完成消息。 如图 5 所示。
图5 钢筋和网状安装功能。
3.4 混凝土浇筑模块贴片机通过5G网络连接DCS和MES，在混凝土浇筑站上方布置工业摄像头和光源，在边缘计算平台上部署织物质量检测应用。 工业相机通过5G网络连接到织物质量检测应用和DCS。 如图 6 所示。
图6 混凝土浇筑模块的功能。
3.5 固化环境监测设备通过5G网络将环境监测数据上报给部署在边缘计算平台上的上位机，上位机软件存储环境信息，调用边缘计算平台提供的数据分析，对业务计算需要采取的行为进行处理，然后指示DCS对环境控制设备进行精准控制，稳定维护环境通过5G网络。如图 7 所示。
图7 维护功能。
3.6 脱模和提升压板开启装置和板升降机通过5G网络连接到DCS。 MES通过5G网络控制编码设备。 零件维护完成后，DCS通过5G网络指示平板开模器拆模，平板开孔装置完成后通过5G网络反馈给DCS。 DCS控制升降机通过5G网络提升零件。 MES生成代码并控制编码设备对零件进行编码。 如图 8 所示。
图8 脱模和提升功能。
3.7.质量检验工业相机对待检测的零件进行拍照，并通过5G网络将其发送到智能质量管理应用程序。 智能质检管理应用对采集到的图像进行分析，并输出质检结果。 智能质检管理应用可以检测零件的尺寸，包括长、宽、截面高度、对角线长度等指标，并通过零件的外观质检，基于不良品的全流程生产工艺参数，结合人工智能算法，可以预测故障点，及时解决问题， 并避免再次出现产品缺陷。如图 9 所示。
图9 质量检测功能。
3.8.成品入库在物流运输设备上安装定位设备，在边缘计算平台上部署位置跟踪管理应用程序。 当零件入库时，MES将零件的起始位置信息和目标位置信息发送到位置跟踪管理应用程序。 位置跟踪管理应用程序控制物流运输设备将零部件运输到指定位置，实现自动化运输。 定位设备通过5G网络定期向位置跟踪管理应用上报坐标信息，使定位跟踪应用实时掌握物流运输设备的位置。 如图 10 所示。
图10 成品入库。
3.9 安全监控高清摄像设备通过5G网络将模具车、渡船、窑车等设备的运行状态实时传输到边缘计算平台到安防监控应用，通过人工智能算法准确识别模具车、渡船车和窑车的碰撞脱轨情况，并及时通知DCS，控制产线停机，避免生产事故。
4 基于5G的预制混凝土构件智能工厂建设的具体建议
以5G、边缘计算、人工智能为代表的新一代ICT技术融入具体产品生产过程，将为行业转型升级带来强劲动力。 目前，这种整合还处于起步阶段，也需要行业各方密切合作，在实践中积极探索，共同推动行业健康发展。 针对未来2-3年产业发展的关键时期，建议如下：（1）制造商、解决方案提供商和研究机构应紧密合作，探索创新应用场景，在生产上创新，以创新促生产。 （二）建立标杆企业和标杆应用，形成示范效应和带动效应，加快成熟场景和方案的落地和推广。 （三）加快标准化工作，以标准推进推广。
结论
5G和智能制造技术的深入应用将是混凝土装配构件工厂发展转型的重要里程碑之一。 5G时代，混凝土制品行业将全面升级，以5G为核心的融合创新将成为我国混凝土制品行业高质量发展的强大动力和有力支撑。
引用