论工程混凝土搅拌站技术现状及信息化发展趋势

杨小兵

（中铁五局集团第五工程有限责任公司，湖南 长沙 410100）

随着社会经济的发展和科学技术的进步，人们对出行效率的要求越来越高。为了满足人们的出行需求，我国建成了世界上最大的高速铁路网络，并且在未来还会继续提速。高性能混凝土在铁路建设中的应用，充分发挥了它的高耐久性、高工作性和高体积稳定性的优势，同时也对高性能混凝土的生产设备——工程混凝土搅拌站提出了更高的技术要求。因此，迫切需要推进搅拌站技术升级，解决精度问题和效率问题，不断创新管理手段与信息化的应用，减少环境影响，有效保障施工工期和主体工程安全。

目前，工程混凝土搅拌站使用的国家标准是《建筑施工机械与设备混凝土搅拌站(楼)》（GB 10171-2016），各种物料的动态计量精度在等于或大于称量30%量程内单独配料或累计配料称量应符合以下要求：骨料（约定）真值的±3%；
水、水泥（约定）真值的±1%；
掺和料、外加剂（约定）真值的±2%。铁路混凝土各种原材料允许计量偏差要求更严格，搅拌站采集终端必须具备断网续采并缓存数据的功能，物料计量偏差采用分级管控，所有生产数据需上传到信息化平台。

2.1 混凝土骨料计量精度

由于天然砂资源越来越紧张，机制砂的使用较为普遍。在实际生产中，各种砂的细度模数、含粉量、含泥量不同，导致砂的流动性也不同。砂、石骨料配料过程中，由于流动速度不稳定，落差就会出现波动，砂和石骨料的计量也会出现波动，甚至在配料过程中出现砂骨料不下砂的现象。为此，研发人员经过深入研究，首先研制出一套低频振动均化装置，有效地解决了下砂难或不下砂的问题。同时研发了“三档三速卸料技术”，根据不同的配料量采用不同的卸料方式，如当砂、石骨料配料量为2 000kg时，采用“先开大闸门，后开小闸门”的配料方式；
当砂用量为400kg时，则采用“开小闸门+脉动补料”的配料方式。此外，搅拌站控制软件对砂石的实际卸料速度进行监测，通过大数据算法自动总结出使用的砂、石骨料的卸料流速，并对称量落差值（即提前量）自动调节。如生产过程中调用不同种砂时，软件又自动执行上述操作，从而实现自适应计量。

2.2 混凝土粉料计量精度

粉料主要采用筒仓储存，由于粉料秤与螺旋输送机、搅拌主机等装置连接，又与骨料待料斗相邻，因此，供料速度、气压、拉秤、钢结构形变等都会影响粉料的计量精度。为了提高粉料的计量精度，首先需控制螺旋输送机的供料速度。这里有一个效率与精度的矛盾：当生产效率要求较高时，螺旋输送机的供料速度要快；
而为保证计量准确，螺旋输送机的供料速度要慢。为了解决这个矛盾，必须采用大小螺旋输送机（子母螺旋输送机）组合方式。在计量值的90%前部分均采用大螺旋输送机快速输送，后面10%部分转为小螺旋输送机进行补料。在这个转换过程中，搅拌站控制软件的程序会根据混凝土配料通知单中不同粉料的用量设计大小螺旋输送机的工作分配或落差参数。同时，在螺旋输送向粉料秤斗内供料时，秤斗内的空气应及时排出，与秤斗下料口相连的主机内腔压强应与外界大气压保持一致，避免拉秤或托秤，影响粉料的计量精度。此外，在计量粉料时，为了提高配料速度，粉料与骨料需同时配料和投料，由于砂、石骨料的用量大，以3方搅拌站为例：砂、石骨料用量将近6 000kg，当砂、石骨料冲入待料斗内时，可能引起其支撑钢平台向下形变，这个形变会影响旁边粉料秤秤架的变化，这样，粉料秤的3个传感器就不会在同一个平面上，计量秤失准，造成实际物料用量比秤体显示值大，因此，工程混凝土搅拌站应加强钢结构的刚性或提高钢材的型号，甚至采用不易偏载的拉式传感器替代压式传感器。试验结果表明：采用上述方案，3方搅拌站的粉料计量绝对误差值可以控制在0.5%以内，完全满足高速铁路混凝土原材料计量精度要求。

2.3 混凝土用水计量精度

水的流动性相对稳定且波动小，容易计量准确，但由于制砂或采砂场都是露天存放砂石，因此，受天气影响，不同批次砂的含水率也不一样。为了解决这个问题，技术人员尝试用砂含水率测量仪测量含水率，即在砂的下料斗内安装含水率测量仪，如图1所示。但由于砂在斗体内不同位置的含水率不一样，同时，这种接触式的含水率测量仪上极易黏结砂粒，因此，使用效果一直不好。目前，国内工程机械龙头公司的搅拌站智能化研发小组研发了非接触式微波含水率检测仪，如图2所示，它直接安装在输送皮带上部，当输送皮带机上有砂通过时，检测仪不用接触砂就可直接探测出砂的含水量，测量结果受干扰小、准确率高，并将含水率检测数值导入搅拌站软件控制系统，实现自适应控水。

图1 含水率测量仪

图2 微波含水率检测仪

搅拌主机是搅拌站的核心部件，近年来，搅拌技术不断创新，研制出了新一代双螺带卧轴搅拌主机。与传统搅拌主机相比，内外螺带叶片实现靠近搅拌轴的物料与靠近罐壁的物料径向逆流，从而增加物料之间的碰撞和揉搓，获得最佳的混凝土搅拌均质性，提高搅拌质量；
采用最新的搅拌主机除尘技术和罐内视频监控技术，可实时监控搅拌主机内混凝土的搅拌状态。后续可采用AI图像识别技术或其他坍落度检测仪器，确定搅拌均质最佳搅拌时间，以节省搅拌时间，提高工程混凝土搅拌站生产效率。还可以根据不同的混凝土配方要求或地域、外部温度、外加剂反应时间等因素，结合搅拌主机变频技术，实现快速搅拌，大大降低工程成本。

通过对工程混凝土搅拌站工况进行分析，开发智能化控制系统，实现少人化甚至无人化的混凝土生产。

4.1 一机双控技术或一机多控技术

打破现有双站控制系统互相独立、互不关联的壁垒，采用智慧互联、大数据、自学习等手段，开发搅拌站一机双控系统，实现智能下单、一机多控、双机同步、双站协同等功能；
一台电脑可同时控制两台搅拌主机的生产；
当工控电脑出现故障时，可一键切换至备用电脑“无缝”生产，极大地提高了生产系统的稳定性、可靠性和安全性。在工程施工中，可将几座搅拌站组成搅拌站群，利用一机多控技术和物联网技术，物料智能管理系统、运输车辆GPS定位系统、ERP管理系统、健康诊断系统无缝集成，构建拌和站大数据，实现一键下单，智能分配并支持不同任务单、不同配合比的连续生产及不间断配料。一人可以操作多台搅拌机组，大幅降低了生产成本。当然，一机多控技术不是简单地将几台搅拌机组的操作手集中在某一个拌和站，实现这一功能的基础是提高软件的一机多控技术和拌和站智能化水平。

4.2 预测性维护技术

预测性维护技术是对设备实时监测，进行大数据分析，提前感知设备故障，而且可以远程服务，提前排查故障隐患，使维护更加智能化，运行更加可靠，这比日常或定期进行的维保更能降低成本。我们可以在搅拌机组的关重件（如搅拌主机、皮带输送机、螺旋输送机）加装各种传感器，采集设备运行数据，通过对运行数据进行处理和分析，实现对电机故障、齿轮箱故障、搅拌主轴故障、轴承故障、基础类故障等早期故障系统提供预警功能以及对关重件健康状态的评估，智能识别关键设备的早期故障，合理安排检修，减少停工损失，预测结果可通过网页或手机端推送。

4.3 设备健康管家系统

传统的工程混凝土搅拌站一般采用定期维护、故障后维修的模式，且对搅拌站各零部件的健康状况没有量化指标。如果在生产高峰期出现故障导致停产，会大幅降低生产效率。一些关重件需要维护人员定期检查，但维护保养工作缺乏针对性，维护效率较低。通过检测输送机、水泵、外加剂泵的进料速度、累计工作时间、累计输送量，利用数据分析算法评估设备的健康指数，提前预警故障。

故障预测：监测输送机、泵、卸料门的生产工况，评估健康指数，提前预警故障。

维护智能提醒：分析各零部件的生产工况及异常报警次数，智能提醒维护时间。

搅拌机组的健康评估：对精度、效率等进行分析，提供生产建议。

4.4 智能回溯技术

智能回溯技术通过设备外挂方式，结合数字视频设备的硬件模块和信号控制软件模板，实现对包括控制系统桌面在内的各生产界面的实时监控和历史回溯，不占用系统资源，不影响生产运行，实现报表与录制文件的关联查询，生产过程全景追溯，生产争议查证有据，操作便捷，稳定可靠，引领企业精细化管理升级。

4.5 设备远程升级技术

技术是不断更新的，为了使先进的技术能够快速地更新和使用，软件必须具备远程升级技术。系统远程升级技术的研发与应用，通过搭载ECC云服务平台，利用SBOX进行数据传输，实现工程混凝土搅拌站程序远程升级；
升级过程操作简单、稳定可靠。

一座高标准的工程混凝土搅拌站必须具有良好的环保性能。

（1）必须保证粉料储仓内粉尘不外冒。粉料储仓的粉尘外冒一般有两个原因：一是仓顶除尘器的过滤能力不足；
二是向粉料储仓输送粉料时，粉料已满仓而输料仍在继续。解决的方案是：选择过滤能力强的脉冲反吹仓顶除尘器，按目前粉粒物料运输车的粉料输送能力，与之匹配的收尘机过滤面积要求在24m2以上。因此，宜选用过滤面积大于24m2的收尘机，且脉冲反吹仓顶除尘器必须带强制清灰功能，以保证在使用过程中过滤能力不会降低，同时实时监测粉料储仓内的压力，当收尘机过滤能力不足时，仓内压力升高，压力计就会报警。此外，应增加粉料储仓料位检测，实时监测粉仓内的料位。目前，最先进、最准确的方法是在粉料储仓支柱上加装应变式压力传感器，具有物联物通、实时采集、实时监控的功能。

（2）粉尘点是站内的砂石骨料储备场，可采用水雾喷淋系统，它是集手自一体化控制系统、喷枪、电磁阀、伺服泵和其他辅助部分于一体的系统。水雾喷淋系统用于实现对高粉尘浓度环境中的喷雾降尘，操作设置极为方便，根据粉尘浓度传感器采集到的粉尘浓度数据控制喷淋水泵的启闭，实现无人值守运行，对现场喷雾降尘自动化控制。

（3）环保型搅拌站内应配置废水废料回收系统，实现零排放。采用旋风分离器将浆水中的细砂颗粒全部分解回收，保证细小颗粒含水率低于1%，该系统可实现自动清洗搅拌运输车罐体内部，砂石自动分离、浆水自动搅拌均匀，砂石、废水循环再利用，减少清水使用量。回收后的浆水无需再进行三级沉淀处理，省去了清淤、排淤过程，分解出来的原材料可用于临时设施的混凝土生产，真正实现零排放，并为企业节省成本。

面临激烈的市场竞争，施工企业要生存发展，就必须提高竞争力，运用现代技术手段降本增效，施工过程中加强信息化管理，自动优化资源配置，减少人员、设备投入，从而降低施工成本。而工程混凝土搅拌站的最大特点是地处偏远山区、项目工程分散，混凝土供应为隧道、桥梁、路基等线性工程，施工作业面点多线长、生产方量大、混凝土性能要求高、配送及时。传统的工程混凝土搅拌站主要为多个岗位人员利用电话指挥协同管理，人工费占比较高。

为了提高搅拌站的工作效率，加强搅拌站和施工现场的衔接与沟通，解决传统搅拌站可能存在的原材料未检先用、配合比施工不能严格执行、生产消耗统计困难，混凝土申请、生产、施工信息不畅，分项工程实际用量不清楚等问题，应用“搅拌站ERP信息系统”可以接收原材料进场、取样送检、试验检测、生产任务单下达、审核审批、施工配比关联、混凝土拌制、物资消耗统计、库存材料动态显示等关键业务数据。然后依托物联网、互联网、超级计算机建立云端大数据管理平台，形成“终端+云端+大数据”的业务体系和新的管理模式，建立智慧工地综合管理平台，打通从一线操作与远程监管的数据链条。通过“搅拌站ERP信息系统”建设，降低现场管理成本，降低施工事故发生率，使施工单位、业主、政府、企业等各级管理部门及时准确地了解工地现场情况，有效提高项目管理和现场管理的效率。

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