CN107840589B - 一种彩色透水混凝土的制备系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，包括如下步骤：步骤1：按照一定比例将一定粒径的粗骨料与细骨料在混合设备中混合，混合均匀后输送至搅拌设置；混合设备出口处的含水率检测传感器检测混合骨料的含水率，并传输到控制器；步骤2：控制器根据加入搅拌设备中的混合骨料的粒径、比例及混合骨料的含水率，控制填加的水泥重量、彩色颜料重量及预加水量；将水泥、彩色颜料及预加水分别投加至搅拌设备中，之后预搅拌一定时间；步骤3：控制器计算外加剂量及剩余水量，投加外加剂及剩余水并搅拌三分钟以上。本发明提供的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，能够实时调节原料添加量及制备工艺，使制备的混凝土质量达到预期效果。

Description

一种彩色透水混凝土的制备系统的控制方法

技术领域

本发明属于彩色混凝土加工制备技术领域，特别涉及一种彩色透水混凝土的制备系统的控制方法。

背景技术

彩色透水混凝土是由小石子、水泥、掺和透水外加剂、水、彩色强化剂以及稳定剂等经一定比例调配拌制而成的一种多孔轻质的新型环保地面铺装材料。透水混凝土是用粗骨料表面包裹着一层薄浆料相互粘结成蜂窝状，能让雨水流入地下，有效补充地下水；并能有效的消除地面上的油类化合物等对环境污染的危害；且色彩缤纷，景观融合，使城市环境建设更加和谐是保护自然、维护生态平衡、能缓解城市热岛效应的优良的透水地坪材料。在城市雨水管理与水污染防治等工作上，具有极其深远的意义，有利于人类生存环境的良性发展。

透水性和强度是彩色透水混凝土配合比设计时首先考虑因素，而透水性和强度均与混凝土的孔隙率有关，孔隙率越大，透水性能越好，强度较低；相反，孔隙率越小，透水性能变差，强度提高。研究表明，彩色透水混凝土在骨灰比(骨料与水泥的重量比)不变的情况下，随水灰比(水与水泥的重量比)的改变，混凝土的孔隙率、强度、透水系数也发生改变，对一定粒径的骨料而言，存在着最佳配合比。相对现有技术中多采用单粒级骨料，采用双粒级骨料配置的透水混凝土性能明显优于单粒级骨料，而双粒级骨料的掺配也存在最佳比例。

而彩色混凝土生产过程中，由于环境及制备工艺等原因，会产生一定的飞灰量，导致彩色混凝土制备达不到预设比例，而骨料含水率不同，也会影响混凝土的质量；所以需要根据现场情况对混凝土制备过程进行实时调整。因此，研究一种自动化程度高同时又能够使彩色透水混凝土具有较高强度及透水性能的彩色透水混凝土制备系统的控制方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是克服现有彩色透水混凝土的制备系统制备的混凝土强度及透水率无法达到预期效果的缺陷，提供了一种能够根据骨料的参数变化实时调节原料添加量及制备工艺的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法。

本发明提供的技术方案为：

一种彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1.1：按照一定比例将一定粒径的粗骨料与细骨料在混合设备中混合，混合均匀后输送至搅拌设备；混合设备出口处的含水率检测传感器检测混合骨料的含水率，并传输到控制器；

步骤1.2：控制器根据加入搅拌设备中的混合骨料的粒径、比例及混合骨料的含水率，控制填加的水泥重量、彩色颜料重量及预加水量；将水泥、彩色颜料及预加水分别投加至搅拌设备中，之后预搅拌一定时间；

步骤1.3：控制器计算外加剂量及剩余水量，投加外加剂及剩余水并搅拌三分钟以上。

优选的是，所述步骤1.2中控制水泥重量、彩色颜料重量及预加水量的方法包括如下步骤：

步骤2.1：按照采样周期，采集进入搅拌设备的粗骨料粒径d₁、细骨料粒径d₂，粗骨料与细骨料的比例C以及混合骨料的含水率W；

步骤2.2：依次将进入搅拌设备的粗骨料粒径d₁、细骨料粒径d₂，粗骨料与细骨料的比例C以及混合骨料的含水率W进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁，x₂，x₃，x₄}；其中，x₁为粗骨料粒径系数，x₂为粗骨料粒径系数，x₃粗骨料与细骨料的比例系数，x₄为混合骨料的含水率系数；

步骤2.3：所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量 y＝{y₁，y₂，…，y_m}；m为中间层节点个数；

步骤2.4：得到输出层向量z＝{z₁，z₂，z₃}；其中，z₁为水泥重量调节系数， z₂为彩色颜料重量调节系数，z₃为预加水量调节系数；使

m_i+1＝z₁ ⁱm_max，

m′_i+1＝z₂ ⁱm′_max，

Q_i+1＝z₃ ⁱQ_max，

其中，z₁ ⁱ、z₂ ⁱ、z₃ ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，m_max、m′_max、Q_max分别为设定水泥的最大重量、彩色颜料的最大重量、预加水的最大量，m_i+1、 m′_i+1、Q_i+1分别为第i+1个采样周期的水泥的重量、彩色颜料的重量、预加水量。

优选的是，所述步骤1.2中，在加水进行预搅拌之前对混合骨料、水泥及彩色颜料进行初搅拌，并在初搅拌一定时间后进行预加水。

优选的是，所述初搅拌时间根据混合骨料的含水率进行调整，具体调整方式为：

当混合骨料含水率≤3％，初搅拌时间为0；

当混合骨料含水率为3％～6％，初搅拌时间为1～2分钟；

当混合骨料含水率6％～10％，初搅拌时间为2～3分钟。

优选的是，根据混合骨料的含水率、粗骨料的粒径、细骨料的粒径及粗骨料与细骨料比例，调节初搅拌的搅拌速度，所述初搅拌的搅拌速度调节系数为：

其中，n为出搅拌的搅拌速度调节系数，W为混合骨料的含水率，d₁为粗骨料粒径；d₂为细骨料的粒径，C为粗骨料与细骨料比例。

优选的是，所述粗骨料粒径d₁与细骨料的粒径d₂采用平均值进行估算：

其中，d_{1_max}，d_{1_min}分别为同时加入的粗骨料粒径的最大值及最小值； d_{2_max}，d_{2_min}为同时加入的细骨料粒径的最大值及最小值。

优选的是，在所述步骤2.2中，将进入搅拌设备的粗骨料粒径d₁、细骨料粒径d₂，粗骨料及细骨料的比例C以及混合骨料的含水率W进行规格化的公式为：

其中，X_j为输入层向量中的参数，X_j分别代表测量参数d₁、d₂、C、W， j＝1，2，3，4；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

优选的是，在所述步骤2.3中，初始运行状态下，水泥的重量m、彩色颜料的重量m′、预加水量Q满足经验值：

m₀＝0.67m_max，

m′₀＝0.67m′_max，

Q₀＝0.70Q_max，

其中，m₀、m′₀、Q₀分别为水泥的初始重量、彩色颜料的初始重量、预加水的初始量；m_max、m′_max、Q_max分别为设定的水泥的最大重量、彩色颜料的最大重量、预加水的最大量。

优选的是，在所述步骤2.3中，所述中间层节点个数m为4个。

优选的是，所述粗骨粒及细骨粒在进入所述搅拌设备前进行分别含水率检测，确保进入所述搅拌设备的粗骨粒及细骨粒含水率分别低于9％。

本发明的有益效果是：本发明提供的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，能够根据骨料的参数变化实时调节原料添加量及制备工艺，使制备的彩色透水混凝土的强度、透水率及色彩达到预期效果。

附图说明

图1为本发明所述的彩色透水混凝土制备系统总体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，所述彩色透水混土的制备系统包括混合骨料输送部分，其为皮带输送机，在所述皮带输送机之前设有两个定量投料装置，分别用于投加粗骨料及细骨料。所述定量投料装置上设有重量检测器及含水率检测器，按一定比例分别投加一定粒径范围的粗骨粒及细骨粒后，如果含水率检测器到粗骨料或细骨料含水率高于9％，判定含水率超标。定量投料装置放料口打开，将含水率超标的骨料放出并转移到所述制备系统之外； 当细骨料及细骨料含水率均低于9％时，粗骨料及细骨料被放置到混合设备中，在混合设备中搅拌均匀后经皮带输送机输送至搅拌设备中。混合设备出口设置含水率检测器，用于检测混合骨料的含水率， 并将混合骨料的含水率传输至控制器。其中，骨料定量投料装置的重量传感器连接控制器；粗骨料及细骨料的粒径， 采用粗骨料及细骨料粒径范围的最大值及最小值的平均值进行计算，

其中，d_{1_max}，d_{1_min}分别为同时投加的粗骨料粒径的最大值及最小值；d_{2_max}，d_{2_min}为同时投加的细骨料粒径的最大值及最小值。骨粒粒径范围可以采用人工输入控制器。

采用封闭式螺旋输送机进行水泥的输送，螺旋输送机之前连接定量料斗，所述定量料斗上设有重量传感器，定量料斗的控制开关及重量传感器连接控制器，定量料斗的出料口连接螺旋输送机入口，控制器可控制定量料斗放置到螺旋输送机的水泥的重量，当重量达到控制器的设置重量时，定量料斗的出料口关闭，螺旋输送机将水泥输送至搅拌设备。搅拌设备上方设有颜料定量投加器，控制器控制加入搅拌设备的彩色颜料投加重量。

预加水装置及剩余加水装置分别采用两套变频水泵加进水管，进水管上设有电磁阀，水泵变频器及电磁阀分别连接控制器，控制器可调节进入搅拌装置的预加水量及剩余加水量。

本发明提供的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，括以下步骤：

步骤1.1：按照一定比例将一定粒径的粗骨料与细骨料在混合设备中混合，混合均匀后输送至搅拌设置；混合设备出口处的含水率检测传感器检测混合骨料的含水率，并传输到控制器；

步骤1.2：控制器根据加入搅拌设备中的混合骨料的粒径、比例及混合骨料的含水率，控制填加的水泥重量、彩色颜料重量及预加水量；其具体过程包括以下步骤：

步骤2.1：建立BP神经网络模型；

本发明采用的BP网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备工作状态的n个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出。第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入层向量：x＝(x₁，x₂，…，x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁，y₂，…，y_m)^T

输出层向量：z＝(z₁，z₂，…，z_p)^T

本发明中，输入层节点数为n＝4，输出层节点数为p＝3。隐藏层节点数m 由下式估算得出：

按照采样周期，输入的4个参数为：进入搅拌设备的粗骨料粒径d₁、细骨料粒径d₂，粗骨料与细骨料的比例C以及混合骨料的含水率W；

由于传感器获取的数据属于不同的物理量，其量纲各不相同。因此，在数据输入神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。

具体而言，对于粗骨料粒径d₁，进行规格化后，得到粗骨料粒径系数x₁：

其中，d_{1_min}和d_{1_max}分别为粗骨料粒径的最小值和最大值。

对细骨料粒径d₂，进行规格化后，得到细骨料粒径系数x₂：

其中，d_{2_min}和d_{2_max}分别为细骨料粒径的最小值和最大值。

对粗骨料与细骨料的比例C，进行规格化后，得到粗骨料与细骨料的比例系数x₃：

其中，C_min和C_max分别为粗骨料与细骨料的比例的最小值和最大值。

对混合骨料的含水率W，进行规格化后，得到混合骨料的含水率系数x₄：

其中，W_min和W_max分别为混合骨料的含水率的最小值和最大值。

输出信号的3个参数分别表示为：z₁为水泥重量调节系数，z₂为彩色颜料重量调节系数，z₃为预加水量调节系数。

水泥重量调节系数z₁表示为下一个采样周期中的水泥重量与当前采样周期中设定的水泥重量的最大值之比，即在第i个采样周期中，采集到的水泥重量为m_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的水泥重量调节系数z₁ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中水泥重量为m_i+1，使其满足m_i+1＝z₁ ⁱm_max，

彩色颜料重量调节系数z₂表示为下一个采样周期中的彩色颜料重量与当前采样周期中设定的彩色颜料重量最大值之比，即在第i个采样周期中，采集到的彩色颜料重量为m′_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的彩色颜料重量调节系数z₂ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中彩色颜料重量为m′_i+1，使其满足 m′_i+1＝z₂ ⁱm′_max；

预加水量调节系数z₃表示为下一个采样周期中的预加水量与当前采样周期中设定的预加水量最大值之比，即在第i个采样周期中，采集到的预加水量为Q_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的预加水量调节系数z₃ ⁱ后，控制第i+1个采样周期预加水量为Q_i+1，使其满足Q_i+1＝z₃ ⁱQ_max。

步骤2.2：进行BP神经网络的训练。

建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据产品的经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值w_ij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值w_jk，隐层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值w_ij、w_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正w_ij和w_jk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。

表1训练过程各节点值

步骤2.3：采集数据运行参数输入神经网络得到调控系数。

训练好的人工神经网络固化在芯片之中，使硬件电路具备预测和智能决策功能，从而形成智能硬件。智能硬件加电启动后，投加水泥重量、彩色颜料的重量、预加水量均以初始值开始运行：水泥重量为m₀＝0.67m_max，彩色颜料中量为m′₀＝0.67m′_max，预加水量为Q₀＝0.70Q_max。

同时，传感器测量初始粗骨料粒径d₁、细骨料粒径d₂，粗骨料与细骨料的比例C以及混合骨料的含水率W，通过将上述参数规格化，得到BP神经网络的初始输入向量

通过BP神经网络的运算得到初始输出向量

步骤2.4：得到初始输出向量

后，即可调节水泥重量，彩色颜料的重量，预加水量。使下一个采样周期的水泥重量，彩色颜料的重量，预加水量分别为：

m₁＝z₁ ⁰m_max

m′₁＝z₂ ⁰m′_max

获取第i个采样周期中的进入搅拌设备的粗骨料粒径d₁、细骨料粒径d₂，粗骨料与细骨料的比例C以及混合骨料的含水率W，通过进行规格化得到第i个采样周期的输入向量xⁱ＝(x₁ ⁱ，x₂ ⁱ，x₃ ⁱ，x₄ ⁱ)，通过BP神经网络的运算得到第i个采样周期的输出向量zⁱ＝(z₁ ⁱ，z₂ ⁱ，z₃ ⁱ)，然后控制水泥重量m，彩色颜料的重量m′，预加水量Q，使第i+1个采样周期时水泥重量m，彩色颜料的重量m′，预加水量Q，分别为：

m_i+1＝z₁ ⁱm_max，

m′_i+1＝z₂ ⁱm′_max，

Q_i+1＝z₃ ⁱQ_max，

其中，z₁ ⁱ、z₂ ⁱ、z₃ ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，m_max、m′_max、Q_max分别为设定水泥的最大重量、彩色颜料的最大重量、预加水的最大量，m_i+1、 m＇_i+1、Q_i+1分别为第i+1个采样周期的水泥的重量、彩色颜料的重量、预加水量。

通过上述设置，根据加入搅拌设备中的混合骨料的粒径、比例及混合骨料的含水率，控制填加的水泥重量、彩色颜料重量及预加水量。

步骤1.2还包括在加水进行预搅拌之前对混合骨料、水泥及彩色颜料进行初搅拌，并在初搅拌一定时间后进行预加水。所述初搅拌时间根据混合骨料的含水率进行调整，具体调整方式为：

当混合骨料含水率≤3％，初搅拌时间为0；

当混合骨料含水率为3％～6％，初搅拌时间为1～2分钟；

当混合骨料含水率6％～10％，初搅拌时间为2～3分钟。

根据混合骨料的含水率、粗骨料的粒径、细骨料的粒径及粗骨料与细骨料比例，调节初搅拌的搅拌速度，所述初搅拌搅拌速度的调节系数为：

其中，n为出搅拌搅拌速度调节系数，W为混合骨料的含水率，d₁为粗骨料粒径；d₂为细骨料的粒径，C为粗骨料与细骨料比例。

初搅拌的实际搅拌速度ω＝nω₀；其中，ω₀为根据经验值确定的初搅拌速度。

初搅拌之后，根据神经网络确定的预加水量加入预加水进行预搅拌，预搅拌时间为1分钟以上。

步骤1.3：控制器计算外加剂量及剩余水量，投加外加剂及剩余水并搅拌三分钟以上，彩色透水混凝土制备完成。之后即可使用制备完成彩色透水混凝土进行施工。

本发明提供的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，能够根据骨料的参数变化实时调节原料添加量及制备工艺，使制备的彩色透水混凝土的强度、透水率及色彩达到预期效果。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.1：按照一定比例将一定粒径的粗骨料与细骨料在混合设备中混合，混合均匀后输送至搅拌设备；混合设备出口处的含水率检测传感器检测混合骨料的含水率，并传输到控制器；

步骤1.2：控制器根据加入搅拌设备中的混合骨料的粒径、比例及混合骨料的含水率，控制填加的水泥重量、彩色颜料重量及预加水量；将水泥、彩色颜料及预加水分别投加至搅拌设备中，之后预搅拌一定时间；

步骤1.3：控制器计算外加剂量及剩余水量，投加外加剂及剩余水并搅拌三分钟以上。

所述步骤1.2中控制水泥重量、彩色颜料重量及预加水量的方法包括如下步骤：

步骤2.1：按照采样周期，采集进入搅拌设备的粗骨料粒径d₁、细骨料粒径d₂，粗骨料与细骨料的比例C以及混合骨料的含水率W；

步骤2.2：依次将进入搅拌设备的粗骨料粒径d₁、细骨料粒径d₂，粗骨料与细骨料的比例C以及混合骨料的含水率W进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁，x₂，x₃，x₄}；其中，x₁为粗骨料粒径系数，x₂为粗骨料粒径系数，x₃粗骨料与细骨料的比例系数，x₄为混合骨料的含水率系数；

步骤2.3：所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁，y₂，…，y_m}；m为中间层节点个数；

步骤2.4：得到输出层向量z＝{z₁，z₂，z₃}；其中，z₁为水泥重量调节系数，z₂为彩色颜料重量调节系数，z₃为预加水量调节系数；使

m_i+1＝z₁ ⁱm_max，

m′_i+1＝z₂ ⁱm′_max，

Q_i+1＝z₃ ⁱQ_max，

其中，z₁ ⁱ、z₂ ⁱ、z₃ ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，m_max、m′_max、Q_max分别为设定水泥的最大重量、彩色颜料的最大重量、预加水的最大量，m_i+1、m′_i+1、Q_i+1分别为第i+1个采样周期的水泥的重量、彩色颜料的重量、预加水量。

2.根据权利要求1所述的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1.2中，在加水进行预搅拌之前对混合骨料、水泥及彩色颜料进行初搅拌，并在初搅拌一定时间后进行预加水。

3.根据权利要求2所述的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，其特征在于，所述初搅拌时间根据混合骨料的含水率进行调整，具体调整方式为：

当混合骨料含水率≤3％，初搅拌时间为0；

当混合骨料含水率为3％～6％，初搅拌时间为1～2分钟；

当混合骨料含水率6％～10％，初搅拌时间为2～3分钟。

4.根据权利要求3所述的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，其特征在于，根据混合骨料的含水率、粗骨料的粒径、细骨料的粒径及粗骨料与细骨料比例，调节初搅拌的搅拌速度，所述初搅拌的搅拌速度调节系数为：

其中，n为出搅拌的搅拌速度调节系数，W为混合骨料的含水率，d₁为粗骨料粒径；d₂为细骨料的粒径，C为粗骨料与细骨料比例。

5.根据权利要求4所述的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，其特征在于，所述粗骨料粒径d₁与细骨料的粒径d₂采用平均值进行估算：

其中，d_{1_max}，d_{1_min}分别为同时加入的粗骨料粒径的最大值及最小值；d_{2_max}，d_{2_min}为同时加入的细骨料粒径的最大值及最小值。

6.根据权利要求1所述的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤2.2中，将进入搅拌设备的粗骨料粒径d₁、细骨料粒径d₂，粗骨料及细骨料的比例C以及混合骨料的含水率W进行规格化的公式为：

其中，X_j为输入层向量中的参数，X_j分别代表测量参数d₁、d₂、C、W，j＝1，2，3，4；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

7.根据权利要求1所述的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤2.3中，初始运行状态下，水泥的重量m、彩色颜料的重量m′、预加水量Q满足经验值：

m₀＝0.67m_max，

m′₀＝0.67m′_max，

Q₀＝0.70Q_max，

其中，m₀、m′₀、Q₀分别为水泥的初始重量、彩色颜料的初始重量、预加水的初始量；m_max、m′_max、Q_max分别为设定的水泥的最大重量、彩色颜料的最大重量、预加水的最大量。

8.根据权利要求1所述的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤2.3中，所述中间层节点个数m为4个。

9.根据权利要求1～8任意一项所述的彩色透水混凝土的制备系统的控制方法，其特征在于，所述粗骨料 及细骨料 在进入所述搅拌设备前进行分别含水率检测，确保进入所述搅拌设备的粗骨料 及细骨料 含水率分别低于9％。

Images