CN103878882A - 动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法及装置 - Google Patents

动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法及装置。水流量传感器、泥浆流量传感器和药液流量传感器连接信号采集板，信号采集板连接单片机控制器；单片机控制器还连接检测液体流量的浮球检测开关、连接药液泵电机的药液泵控制器、控制按钮、进水电磁阀、三个变频器；所述进水电磁阀连接浮球检测开关中的水位上限浮球检测开关F5；变频器连接变频交流电机和接触器，接触器的另一端连接空气开关，空气开关的另一端连接三相电源端子；接触器KM1、接触器KM2、接触器KM3和接触器KM4的线圈连接单片机控制器。本发明的泥浆各种成分混合比例稳定，不随供料多少波动变化，并能减轻操作者劳动强度，减少干料、水、及药液的浪费，提高工作效率。

Description

动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种控制装置，具体的说是一种动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法及装置。 
背景技术
混凝土的组分包括干料、水、及药液。在组分混合过程中，对组分的比例控制一般由工人通过称重控制。这就容易产生比例控制不稳定，干料、水、及药液的浪费的问题，且劳动强度大，工作效率低。 
发明内容
针对现有技术的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种泥浆各种成分混合比例稳定，不随供料多少波动变化，并能减轻操作者劳动强度，减少干料、水、及药液的浪费，提高工作效率的动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法及装置。 
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的装置，水流量传感器、泥浆流量传感器和药液流量传感器连接信号采集板，信号采集板连接单片机控制器；单片机控制器还连接检测液体流量的浮球检测开关、与药液泵电机连接的药液泵控制器、控制按钮、进水电磁阀、变频器D2、变频器D3、变频器D4；所述进水电磁阀连接浮球检测开关中的水位上限浮球检测开关F5；所述变频器D2连接绞龙变频交流电机和接触器KM2，接触器KM2的另一端连接空气开关QF2，空气开关QF2的另一端连接三相电源端子；所述变频器D3连接水泵变频交流电机和接触器KM3，接触器KM3的另一端连接空气开关QF3，空气开关QF3的另一端连接三相电源端子；所述变频器D4连接落料变频交流电机和接触器KM4，接触器KM4的另一端连接空气开关QF4，空气开关QF4的另一端连接三相电源端子；所述三相电源端子还连接空气开关QF1，空气开关QF1的另一端连接接触器KM1，接触器KM1的另一端连接电机保护器D1，电机保护器D1的另一端连接泥浆泵交流电 机；所述接触器KM1、接触器KM2、接触器KM3和接触器KM4的线圈连接单片机控制器。 
所述浮球检测开关包括药液上限浮球检测开关F1、药液下限浮球检测开关F2、泥浆液位上限浮球检测开关F3、泥浆液位下限浮球检测开关F4、水位上限浮球检测开关F5和水位下限浮球检测开关F6。 
所述水流量传感器、泥浆流量传感器和药液流量传感器的输出均为4-20mA的电流信号，该电流信号输入到信号采集板上I/V转换电路，处理成为0-5V的模拟电压信号，再输入到单片机控制器的AD转换引脚。 
所述控制按钮包括药液泵按钮、冲水按钮、停止按钮、启动按钮、紧急停车开关按钮和人机界面；所述药液泵按钮连接药液泵控制器。 
所述单片机控制器还连接状态指示灯，包括待机状态指示灯、运行状态指示灯、冲水状态指示灯和药液手动指示灯。 
所述单片机控制器为STC5A60S2双串口单片机。 
一种动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法，包括以下步骤： 
各接触器吸合，并通过控制按钮设定干料、水和药液的配比； 
通过水流量传感器检测水箱水位是否高于上限位，如果否，单片机控制器控制进水电磁阀得电，开始向水箱注水；如果是，单片机控制器控制进水电磁阀断电，停止向水箱注水；同时，通过药液流量传感器检测药液液位是否低于下限位，如果是，则报警； 
单片机控制器判断控制按钮中的启动键是否按下，如果是，则水泵变频交流电机转动，由水箱向混料器内供水；同时通过水流量传感器检测水流量，根据水流量控制水泵电机的转速；水流量传感器检测水箱水位是否低于下限位，如果是，关闭落料电机，将泥浆箱内剩余的泥浆抽空； 
延时后，落料变频交流电机转动，向混料器供干料；根据设定的原料配比调节落料电机转速； 
通过泥浆流量传感器检测泥浆液位，直到泥浆液位到达上限位，开启泥浆 泵交流电机，根据泥浆流量控制泥浆泵交流电机的转速；同时开启药液泵电机，根据药液流量传感器检测到的药液流量控制药液泵电机的转速。 
所述根据水流量控制水泵电机的转速，具体为：设定一个水流量参考值，当水流量大于参考值时，降低水泵电机转速；当水流量小于参考值时，提高水泵电机转速，使水流量在参考值附近稳定。 
所述根据设定的原料配比调节落料供料电机转速，具体为：设定一个原料配比参考值，当原料配比大于参考值时，降低落料电机转速，当原料配比小于参考值时，提高落料电机转速，使原料配比总在参考值附近稳定。 
所述根据泥浆流量控制泥浆泵交流电机的转速，具体为：设定一个泥浆流量参考值，当泥浆流量大于参考值时，降低泥浆泵电机转速，当泥浆流量小于参考值时，提高泥浆泵电机转速，使泥浆流量总在参考值附近稳定。 
所述根据药液流量传感器检测到的药液流量控制药液泵电机的转速，具体为：设定一个药液流量参考值，当药液流量大于参考值时，降低药液泵电机转速，当药液流量小于参考值时，提高药液泵电机转速，使药液流量总在参考值附近稳定。 
本发明具有以下优点： 
1.出厂时已经将混凝土组份配比输入设置完成，无需用户调节。 
2．泥浆各种成分混合比例稳定，不随供料多少波动变化。 
3.减轻操作者劳动强度，减少干料、水、及药液的浪费。 
4.提高工作效率，保证施工质量。 
附图说明
图1为本发明结构框图； 
图2为本发明方法实施例的流程图。 
具体实施方式
泥浆的含水量与干料和水的比例有关，混凝土发泡程度与泥浆和药液比例有关。对这几种材料的比例可以通过流量传感器来控制，流量传感器可检测到 水的流量，泥浆的流量，药液的流量。干料、水、药液量的大小可以通过单片机控制器用RS485通讯对变频器（或控制板）进行控制，由于采用单片机控制其元件的可编程性，使单片机数字调节相当灵活，便于配方参数据修正。本系统选用的是STC5A60S2双串口单片机（一个串口用于人机界面通讯，另一个串口用于RS485与变频器等外挂设备通讯）。干料可通过变频器对供料速度进行控制，从而控制供料的比例，水和药液可以通过变频器（或控制板）对水泵电机和药液泵电机的速度进行调节，从而达到流量控制目的。这样将流量传感器作为反馈，将所测流量的数据送给单片机，单片机内再按照程序设定的配方比例来控制供料变频器，从而控制水和药液的流量，并使其成为闭环控制，达到稳定的动态比例控制。 
整个控制系统由六个部分组成：流量传感器取样部分、浮球开关检测部分、单片机控制部分、变频器与电机驱动部分、人机界面显示控制部分、电源部分电路。下面结合图1详细说明本发明是如何实现的。 
流量传感器取样部分其工作原理如下： 
流量传感器共有三个传感器，分别为水流量传感器、泥浆流量传感器和药液流量传感器。水流量传感器和药液流量传感器为涡轮流量计，泥浆流量传感器采用电磁流量计，上述传感器输出均为4-20mA的信号经信号采集板上I/V转换电路处理成为0-5V的模拟信号,送给单片机控制器的AD转换引脚进行数据采集。 
浮球检测开关检测部分其工作原理如下： 
浮球检测开关分成三组，每组两个开关共六支检测开关，分别是药液上限浮球检测开关F1、药液下限浮球检测开关F2、泥浆液位上限浮球检测开关F3、泥浆液位下限浮球检测开关F4、水位上限浮球检测开关F5和水位下限浮球检测开关F6。 
F1、F2药液浮球开关工作过程描述：药液上限浮球检测开关F1负责药液上限检测。补充药液加到药液箱内，药液高度由药液浮球检测开关检测。超过 上限时，药液上限浮球检测开关F1将信号送到单片机控制器，单片控制器通过报警器和人机界面进行报警和提示，提示药液高度已到上限，停止加注药液（药液人工添加，不用电磁阀控制）。药液下限浮球检测开关F2负责药液下限检测。当药液使用到低于下限位时，药液下限浮球检测开关F2将信号送到单片机控制器，单片机控制器按设定程序发出报警（报警提示尽快补充药液，报警后药液还可维持5分钟）。报警3分钟后，单片机控制器通过程序控制首先关掉落料电机，经延时3秒关掉水泵电机。在关掉落料电机的同时，泥浆泵按控制程序输出泥浆，由于泥浆出料很快，当泥浆液位下限浮球检测开关F4检到下限位时，如果药液没有及时补充，系统会按设定程序启动冲洗程序，启动冲洗程序前报警器发出声音报警，人机界面也有相应的图像提示。冲洗环节是为了防止混凝土凝固粘在搅拌装置内，具体实施算法在后面描述。 
F3、F4泥浆浮球检测开关工作过程描述：泥浆液位上限浮球检测开关F3负责泥浆上限位检测。当泥浆箱内的泥浆到上限位时，泥浆液位上限浮球检测开关F3到将信号送到单片机控制器，单片机控制器按程序设定关闭落料电机，延时3秒后关闭水泵（泥浆液位上限浮球检测开关F3检测到泥浆液位到达上限位后，泥浆箱体还有一定容积，可以再进料10秒左右）。泥浆液位下限浮球检测开关F4负责泥浆泵的下限检测。当泥浆箱内泥浆下降到下限位时，泥浆液位下限浮球检测开关F4将信号发给单片机控制器，单片机控制器按程序设定先关闭泥浆泵电机和药液泵电机，关闭泥浆泵电机的目的是防止泥浆泵电机空转（泥浆泵空转会影响泥浆泵寿命，关闭药液泵电机是保证输出的泥浆和药液的配比成比例）。泥浆泵电机和药液泵电机关闭后，程序继续检测泥浆液位下限浮球检测开关F4状态，如浮球开关状态在10秒中无变化，说明供料或搅拌系统有问题，单片机控制器会按设定进入冲洗环节，防止混凝土凝固粘在搅拌装置内（进入冲洗程序前报警器发出声音报警，人机界面也有相应的图像提示）。 
冲洗控制算法如下：单片机启动冲洗程序后，落料电机和药液泵电机停转，单片机控制器控制水泵以最大流量向搅拌系统供水。此时绞龙电机也在变频器 的控制下高速运行。当泥浆箱中冲洗下来的水位到达F3浮球检测范围，水泵和绞龙电机停转。泥浆泵启动将泥浆中的水抽出，直到泥浆液位下限浮球检测开关F4检测到，泥浆泵即停止转动，冲洗过程完成，整个装置进入待机状态。 
水位上限浮球检测开关F5和水位下限浮球检测开关F6 
F5、F6泥浆浮球开关工作过程描述：水位上限浮球检测开关F5负责水位上限检测。水位超过上限时，浮球检测开关将信号送到单片机控制器，单片控制器将检测到的信息经过程序处理，再通过人机界面进行显示和报警提示，同时进水电磁阀关闭停止加注水。水位下限浮球检测开关F6负责水位下限检测。当水使用到低于下限位时，水位下限浮球检测开关F6将信号送到单片机控制器，单片机控制器按设定程序立即关闭落料电机，并控制报警器发出声音报警，人机界面也做相应提示。泥浆泵电机和药液泵电机在完成泥浆箱泥浆抽出后，也停止工作，整机进入保护待机状态。（此时如果供水还没有恢复正常，人机界面将提示人工注水冲洗）。 
单片机控制器部分其工作过程描述：单片机部分是整个控制系统的核心，由STC5A60S2单片机和外围器件组成，能够对水、泥浆和药液流量传感器检测到的模拟量4-20MA信号进行I/V转换，A/D转换，并根据配方的要求（配方通过人机界面可以设定）通过单片机内部程序的运算并通过串口（RS485）通讯调节变频器的频率或是通过PWM脉冲宽度来控制水、泥浆、药液的流量，以保持发泡混凝土中材料比例。同时对药液，泥浆，水的液位进行监控，并根据程序设定做出相应处理（过程描述前面已经介绍）。单片机控制器还负责通过按键和人机界面对系统进行自动或手动控制，异常工作的报警提示等。 
变频器及电机驱动部分其工作过程描述：变频器是把工频电源(50H或60Hz)转换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的控制。单片机控制器通过RS485接口及MODBUS通讯协议对变频器进行频率控制，从而可控制各电机的转速，并通过调节各电机的转速来保持发泡混凝土中材料配比比例。电机驱动部分还包括空气开关、直流操作接触器、电机保护器。直流操作接触器受 单片机控制器控制，当变频器有故障或电机保护器过流保护时，单片机控制器切断直流操作接触器电源，并按程序设置进入保护待机状态。 
人机界面显示控制部分其工作过程描述：人机界面是工业真彩触摸屏，负责显示系统的工作状态。有报警提示，配方参数设置，各泵电机的手动控制。 
电源部分电路：本系统电源部分使用的是开关电源，使用开关电源有利于系统抗干扰性的提高，本系统开关电源提供两组电源，分别为直流输出24V电源和直流输出5V电源，24V电源与5V电源之间不共地，24V电源为传感器和直流操作接触器供电，5V电源为单片机控制器供电。 

Claims (11)

1.一种动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的装置，其特征在于，水流量传感器、泥浆流量传感器和药液流量传感器连接信号采集板，信号采集板连接单片机控制器；单片机控制器还连接检测液体流量的浮球检测开关、与药液泵电机连接的药液泵控制器、控制按钮、进水电磁阀、变频器D2、变频器D3、变频器D4；所述进水电磁阀连接浮球检测开关中的水位上限浮球检测开关F5；所述变频器D2连接绞龙变频交流电机和接触器KM2，接触器KM2的另一端连接空气开关QF2，空气开关QF2的另一端连接三相电源端子；所述变频器D3连接水泵变频交流电机和接触器KM3，接触器KM3的另一端连接空气开关QF3，空气开关QF3的另一端连接三相电源端子；所述变频器D4连接落料变频交流电机和接触器KM4，接触器KM4的另一端连接空气开关QF4，空气开关QF4的另一端连接三相电源端子；所述三相电源端子还连接空气开关QF1，空气开关QF1的另一端连接接触器KM1，接触器KM1的另一端连接电机保护器D1，电机保护器D1的另一端连接泥浆泵交流电机；所述接触器KM1、接触器KM2、接触器KM3和接触器KM4的线圈连接单片机控制器。
2.根据权利要求1所述的动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的装置，其特征在于，所述浮球检测开关包括药液上限浮球检测开关F1、药液下限浮球检测开关F2、泥浆液位上限浮球检测开关F3、泥浆液位下限浮球检测开关F4、水位上限浮球检测开关F5和水位下限浮球检测开关F6。
3.根据权利要求1所述的动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的装置，其特征在于，所述水流量传感器、泥浆流量传感器和药液流量传感器的输出均为4-20mA的电流信号，该电流信号输入到信号采集板上I/V转换电路，处理成为0-5V的模拟电压信号，再输入到单片机控制器的AD转换引脚。
4.根据权利要求1所述的动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的装置，其特征在于，所述控制按钮包括药液泵按钮、冲水按钮、停止按钮、启动按钮、紧急停车开关按钮和人机界面；所述药液泵按钮连接药液泵控制器。
5.根据权利要求1所述的动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的装置，其特征在于，所述单片机控制器还连接状态指示灯，包括待机状态指示灯、运行状态指示灯、冲水状态指示灯和药液手动指示灯。
6.根据权利要求1所述的动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的装置，其特征在于，所述单片机控制器为STC5A60S2双串口单片机。
7.一种动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法，其特征在于，包括以下步骤：
各接触器吸合，并通过控制按钮设定干料、水和药液的配比；
通过水流量传感器检测水箱水位是否高于上限位，如果否，单片机控制器控制进水电磁阀得电，开始向水箱注水；如果是，单片机控制器控制进水电磁阀断电，停止向水箱注水；同时，通过药液流量传感器检测药液液位是否低于下限位，如果是，则报警；
单片机控制器判断控制按钮中的启动键是否按下，如果是，则水泵变频交流电机转动，由水箱向混料器内供水；同时通过水流量传感器检测水流量，根据水流量控制水泵电机的转速；水流量传感器检测水箱水位是否低于下限位，如果是，关闭落料电机，将泥浆箱内剩余的泥浆抽空；
延时后，落料变频交流电机转动，向混料器供干料；根据设定的原料配比调节落料电机转速；
通过泥浆流量传感器检测泥浆液位，直到泥浆液位到达上限位，开启泥浆泵交流电机，根据泥浆流量控制泥浆泵交流电机的转速；同时开启药液泵电机，根据药液流量传感器检测到的药液流量控制药液泵电机的转速。
8.根据权利要求7所述的一种动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法，其特征在于，所述根据水流量控制水泵电机的转速，具体为：设定一个水流量参考值，当水流量大于参考值时，降低水泵电机转速；当水流量小于参考值时，提高水泵电机转速，使水流量在参考值附近稳定。
9.根据权利要求7所述的一种动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法，其特征在于，所述根据设定的原料配比调节落料供料电机转速，具体为：设定一个原料配比参考值，当原料配比大于参考值时，降低落料电机转速，当原料配比小于参考值时，提高落料电机转速，使原料配比总在参考值附近稳定。
10.根据权利要求7所述的一种动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法，其特征在于，所述根据泥浆流量控制泥浆泵交流电机的转速，具体为：设定一个泥浆流量参考值，当泥浆流量大于参考值时，降低泥浆泵电机转速，当泥浆流量小于参考值时，提高泥浆泵电机转速，使泥浆流量总在参考值附近稳定。
11.根据权利要求7所述的一种动态智能控制发泡混凝土组份配比混合的方法，其特征在于，所述根据药液流量传感器检测到的药液流量控制药液泵电机的转速，具体为：设定一个药液流量参考值，当药液流量大于参考值时，降低药液泵电机转速，当药液流量小于参考值时，提高药液泵电机转速，使药液流量总在参考值附近稳定。
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