CN108107931B - 一种混合料拌和质量控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合料拌和质量控制方法和系统，首先调节搅拌机转速在指定范围内，该指定范围为生产实际确定的转速范围；实时采集搅拌轴扭矩，计算不同搅拌时间下的搅拌功率；将采集的多个功率数据滤波处理后线性拟合求解拟合直线斜率；通过相邻拟合直线斜率变化判断数据出现的波峰波谷次数，判断第二次波谷出现的时间段为拌和质量达到最佳的时间段。本方法和系统由于采用通用设备自动检测，可以避免人为实验误差。并且避免了拌和时间短，混合料质量欠佳；拌和时间长，增加施工成本。

Description

一种混合料拌和质量控制方法和系统

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及混合料拌和质量控制技术，具体是一种混合料拌和质量控制方法和系统。

背景技术

搅拌机在拌和过程中，通过对混合料进行挤压、剪切、翻转作用，达到搅拌均匀、施工和易的目的。混凝土拌和质量主要由施工和易性表征，它是指新拌混凝土在施工过程中易于操作并能够获得质量均匀、成型密实效果的性能。混凝土拌和质量的好坏会对路面的平整度、压实度、强度等指标产生直接影响。

目前，工程实践中对于混凝土施工和易性的检测，采用塌落度法和维勃稠度法。虽然两者操作简易，但存在一些不足：第一，不同熟练程度的人员操作带来的实验结果有差异；第二，检测过程需要搅拌机停机卸料，耗时耗力；第三，不能实时监测混凝土拌和质量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种混合料拌和质量控制方法和系统，达到实时检测控制拌和质量的目的，减少人为因素对测量结果的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

本发明公开了一种混合料拌和质量控制方法，包括以下步骤：

步骤1：调节搅拌机转速在指定范围内，其中，所述指定范围为根据混合料生产实际确定的转速范围；

步骤2：每秒采集一次搅拌轴搅拌功率数据，获取第1至m个搅拌功率数据的斜率k₁，其中，m的大小根据采样频率确定；

继续采集搅拌功率数据，获取第2至m+1个搅拌功率数据的斜率k₂；若斜率k₁和k₂的正负相反，计数器加1；否则，计数器不变；

步骤3：重复上述步骤2，判断相邻斜率k_i和k_i+1的正负，i≥2，直到计数器累加至设定阈值，停止搅拌。

进一步的，对于水泥混凝土混合料，所述阈值为4；对于沥青混凝土混合料，所述阈值为2。

进一步的，所述的步骤1中调节搅拌机转速的具体过程为：由编码器采集调速电机转速信号，反馈给PLC，通过高速计数器和PID控制模块输出调节信号；变频器接收调节信号，调节电机频率，进而控制电机转速。

进一步的，每秒采集一次搅拌轴搅拌功率数据的具体过程为：将扭转传感器安装在搅拌机主轴上，使用LabVIEW软件和通讯线缆建立串口通讯，实时采集搅拌轴扭矩T，然后通过获得的扭矩计算搅拌功率P；

其中，搅拌功率P的计算方法为：采用公式P＝T*N/9549，计算搅拌功率；其中，T表示搅拌轴的扭矩，N表示搅拌机的转速。

本发明还公开了一种混合料拌和质量控制系统，包括：

搅拌机恒速控制单元，用于控制搅拌机的转速在指定范围内，该指定范围为生产实际确定的转速范围；

传感器通讯单元，用于上位机与扭住传感器进行数据交换；

功率监控单元，用于实时显示功率数值，并将数据进行存储；

滤波处理单元，用于滤波处理获得的搅拌功率数据；

波峰波谷检测单元，用于在线检测重构数据曲线中的波峰波谷，判断最佳拌和时间；

PLC通讯单元；用于在达到最佳拌和时间时，向PLC发送中断指令。

进一步的，所述的功率监控单元包括：

条件结构模块，用于排除字符串向数值转换程序中数据空的状态；

公式节点模块，用于将采集的扭矩与输入的转速信号，通过公式P＝TN/9549，求解出对应的功率数值；

逐点计数模块，用于累计搅拌功率数据采集个数；

数组插入模块，用于将采集的搅拌功率数据写入一维数组，其中每个搅拌功率数据在数组中的索引位置由逐点计数值决定；

波形图模块，用于实时显示搅拌功率数据的变化趋势；

数据存储模块，用于将搅拌时间和对应的搅拌功率数据存入指定位置文件中。

进一步的，所述的滤波处理单元包括：

数据截取模块，用于依次截取每m个一维数组中的功率数据为一组，进行后续的滤波处理；

顺序结构模块，用于指定数据截取程序的执行顺序先于小波处理程序，避免数据的干扰；

小波处理模块，用于对功率数据进行滤波处理；

波形图模块，用于实时显示滤波处理结果。

进一步的，所述的波峰波谷检测单元包括：

线性拟合模块，用于将小波处理后的重构数据进行线性拟合，求解出拟合斜率；

相邻拟合斜率符号判断模块，用于判断相邻两组重构数据的拟合斜率符号变化，若符号相反，逐点计数模块加1；若相同，逐点计数值不变；

逐点计数模块，用于累计相邻拟合斜率符号相反的次数；

累计结果触发模块，用于当逐点计数值达到设定值，触发PLC通讯单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开的方法根据搅拌过程中搅拌器功率变化，自动识别达到最佳拌和质量的时间。相比于现有工程上使用的塌落度法和维勃稠度法，本方法和系统由于采用通用设备自动检测，可以减少人为因素的影响。并且避免了拌和时间短，混合料质量欠佳；拌和时间长，增加施工成本。

另外，本发明方法具有良好的复现性和普适性，能够有效的用于指导生产实践工作。

附图说明

图1为搅拌功率在线监测与自动识别流程图

图2为本发明自动识别系统的LABVIEW流程图。

图3实验室用双卧轴搅拌机结构图。

图4为搅拌功率变化趋势图，(a)第一次实验，(b)第二次实验。

图5为利用现有的塌落度方法拟合得到的曲线图。

附图中各标号的含义：1—卸料箱；2—固定装置；3—齿轮传动箱；4—扭矩传感器；5—交流调速电机；6—减速箱，7—编码器；8—电控箱；9—搅拌缸。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施方式中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

本发明的混合料拌和质量控制方法适用于实验室中的立轴式搅拌机或卧轴式搅拌机；本发明中的待混合的混合料可以是混凝土混合料或沥青混合料等。

首先对本发明中的拌和质量进行说明，比如对于水泥混凝土，其拌和质量由施工和易性表征，和易性是指新拌混凝土在施工过程中易于操作并能够获得质量均匀、成型密实效果的性能。目前，行业内一般使用塌落度值作为评判混凝土的和易性是否达到最佳，并认为当塌落度值最大时，物料搅拌均匀，和易性达到最佳，即其拌和质量最佳。另外，阈值的取值与混凝土材料有关，不同的材料，选取的阈值也不同；例如对于水泥混凝土混合料，其阈值为4，对于沥青混凝土，阈值为2。以下对本发明所公开的获取最佳拌和质量的混合料的方法及其系统进行具体说明：

本发明公开了一种混合料拌和质量控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在空载状态，调节搅拌机转速在指定范围内，然后开启搅拌机依次加入待混合料进行搅拌，其中，所述指定范围为根据混合料生产实际确定的转速范围，一般为40～60r/min；

其中，根据电机的工作规格和输出要求，选定PLC、模拟量模块、变频器和编码器；由编码器采集调速电机转速信号，反馈给PLC，通过高速计数器和PID控制模块输出调节信号，PID控制参数确定采用临界比例法确定；变频器接收调节信号，调节电机频率，达到控制电机转速的目的。

步骤2：在搅拌机主轴上安装扭矩传感器，每秒采集一次搅拌轴搅拌功率数据，获取第1至m个搅拌功率数据滤波处理后线性拟合，求解拟合斜率k₁，m的大小根据采样频率而定，一般m＝5,6,…,10；继续采集搅拌功率数据，对第2至m+1个搅拌功率数据滤波处理后线性拟合，求解拟合斜率k₂；若斜率k₁和k₂的正负相反，计数器加1；否则，计数器不变；

其中，实时采集搅拌轴扭矩的具体过程为：将扭转传感器安装在搅拌机主轴上，使用LabVIEW软件和通讯线缆建立串口通讯，实时采集搅拌轴扭矩T；搅拌功率的计算方法为：采用公式P＝T*N/9549，计算搅拌功率；其中，T表示搅拌轴的扭矩，N表示搅拌机的转速。

步骤3：重复上述步骤2，判断相邻斜率k_i和k_i+1的符号，i≥2，直到计数器累加至设定阈值，停止搅拌，此时为拌和质量达到的最佳时间段或时间点。在本发明的一个具体实施例中，对于水泥混凝土混合料，当计数器的累加值(即阈值)为4时，获得最佳拌和质量的混合料；对于沥青混凝土混合料，当阈值为2时，获得最佳拌和质量的混合料。

在搅拌功率采集前，计数器、斜率、数据组用初始化为0。

本发明还公开了一种混合料拌和质量控制系统，包括：

搅拌机恒速控制单元，用于控制搅拌机的转速在指定范围内，该指定范围为生产实际确定的转速范围；

传感器通讯单元，用于上位机与扭矩传感器进行数据交换；

功率监控单元，用于实时显示功率数值，并将数据进行存储；

滤波处理单元，用于滤波处理获得的搅拌功率数据；

波峰波谷检测单元，用于在线检测重构数据曲线中的波峰波谷，判断最佳拌和时间；

PLC通讯单元；用于在达到最佳拌和时间时，向PLC发送中断指令。

其中，传感器通讯单元包括：

串口配置模块，用于进行VISA串口号、波特率、数据位、停止位、校验位和流程控制的初始化配置，配置参数与扭矩传感器串口配置参数一致；串口发送模块，由事件结构、VISA写入模块、VISA关闭模块、字符串组成，用于感知前面板控件动作，产生事件并作为上位机(可以直接发出操控命令的计算机)将产生的事件以字符串的形式发送给下位机(即传感器)；串口接收模块，用于接收传感器发送的数据，包括属性节点模块、条件结构模块、VISA读取模块，其中通过属性节点和条件结构的组合，排除数据空的状态；串口关闭模块，包括VISA清空I/O缓存区模块和VISA关闭模块；字符串向数值转换模块，是依据串口接收数据帧格式进行编程，用于将字符串中的数据，转换为十进制数值。

其中，功率监控单元包括：

条件结构模块，用于排除字符串向数值转换程序中数据空的状态；公式节点模块，用于将采集的扭矩与输入的转速信号，通过公式P＝TN/9549，求解出对应的功率数值；逐点计数模块，用于累计搅拌功率数据采集个数；数组插入模块，用于将采集的搅拌功率数据写入一维数组，其中每个搅拌功率数据在数组中的索引位置由逐点计数值决定；波形图模块，用于实时显示搅拌功率数据的变化趋势；数据存储模块，用于将搅拌时间和对应的搅拌功率数据存入指定位置文件中。

其中，滤波处理单元包括：

数据截取模块，用于依次截取每m个一维数组中的功率数据为一组，进行后续的滤波处理；顺序结构模块，用于指定数据截取程序的执行顺序先于小波处理程序，避免数据的干扰；小波处理模块，选用一维离散小波分析，并选择db5小波函数进行4级分解，用于对功率数据进行滤波处理；

波形图模块，用于实时显示滤波处理结果。

其中，波峰波谷检测单元包括：

线性拟合模块，用于将小波处理后的重构数据进行线性拟合，求解出拟合斜率；相邻拟合斜率符号判断模块，用于判断相邻两组重构数据的拟合斜率符号变化，若符号相反，逐点计数模块加1；若相同，逐点计数值不变；逐点计数模块，用于累计相邻拟合斜率符号相反的次数；累计结果触发模块，用于当逐点计数值达到设定值，触发PLC通讯单元。

其中，PLC通讯单元包括串口配置模块，用于进行VISA串口号、波特率、数据位、停止位、校验位和流程控制的初始化配置，这些配置参数与S7-200PLC串口配置参数一致；串口发送模块，由事件结构模块、VISA写入模块、VISA关闭模块组成。事件结构模块包含呼叫应答事件和累计结果触发事件，其中呼叫应答事件用于上位机向PLC发送寻呼指令，PLC做出应答，表示PLC与上位机能够进行数据交换；累计结果触发事件主要用于触发上位机以字符串形式向PLC发送中断指令；串口接收模块，用于接收PLC发送的回复指令，包括属性节点模块、条件结构模块、VISA读取模块，其中属性节点和条件结构的组合，用于排除指令空的状态；串口关闭模块，包括括VISA清空I/O缓存区模块和VISA关闭模块。

以下结合实施例对本发明的内容进行具体的说明：

实施例

(1)本实施例中采用的混合土配合比如下表1：

表1本实施例中混凝土的配合比

水(kg/m<sup>3</sup>)	水泥(kg/m<sup>3</sup>)	砂(kg/m<sup>3</sup>)	碎石(kg/m<sup>3</sup>)
				247	360	814.5	990.6

(2)本实施例所使用的搅拌设备：实验室用双卧轴搅拌机，如图3所示，其中电控箱8中安装有PLC和变频器及相关的低压元器件。

(3)实验过程：

按照混凝土配合比准备好各档物料；连接电气元件。

空载运行：利用交流调速PLC控制系统，控制搅拌机转速在合理范围。

拌和阶段：为了排除偶然性对实验的影响，在相同的搅拌时间(150s)下，实验2次，在搅拌过程中，按照砂、碎石、水泥、水的顺序进行投料，通过LabVIEW串口程序，实时检测搅拌功率；同时搅拌功率每5个一组进行小波处理，将处理的数据进行线性拟合，求解拟合斜率，判断相邻两组拟合斜率符号相反的变化次数，当次数达到4次时，混凝料的拌和质量达到了最佳状态。

获得的搅拌功率变化趋势如图4(a)和(b)所示，

代表原始数据，

表示滤波处理后的数据；从两次实验结果可以看出，滤波处理后的数据变化在前100s内出现两次波峰和两次波谷，对应出现拟合斜率符号相反的次数为4次，LabVIEW程序检测到第4次出现斜率符号相反的时间分别为90s和88s，位于80s～100s之间。

本发明还采用采用塌落度方法测定同一种配比的混凝土在不同搅拌时间内的塌落度值，数据见表2，实验数据经拟合见图5所示。

表2塌落度法测定混凝土在不同搅拌时间内的塌落度值

参见图5可知，在80s～100s，塌落度值出现最大，此时物料搅拌均匀，混凝土的和易性达到最佳。本发明方法第4次出现斜率符号相反的时间分别为90s和88s，且正好位于80s～100s之间。对比塌落度实验，可以认为本发明方法第4次斜率出现符号相反的时刻，混凝土的拌和质量达到了最佳。因此，本发明的方法可以较为准确的检测出混凝土拌和性达到最佳的时间，并对自动控制搅拌过程的停止。

Claims (5)

1.一种混合料拌和质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：调节搅拌机转速在指定范围内，其中，所述指定范围为根据混合料生产实际确定的转速范围；

步骤2：每秒采集一次搅拌轴搅拌功率数据，具体过程为：将扭矩传感器安装在搅拌机主轴上，使用LabVIEW软件和通讯线缆建立串口通讯，实时采集搅拌轴扭矩T，然后通过获得的扭矩计算搅拌功率P；搅拌功率P的计算方法为：采用公式P＝T*N/9549计算搅拌功率；其中，T表示搅拌轴的扭矩，N表示搅拌机的转速；

获取第1至m个搅拌功率数据的斜率k₁，其中，m的大小根据采样频率确定；

继续采集搅拌功率数据，获取第2至m+1个搅拌功率数据的斜率k₂；若斜率k₁和k₂的正负相反，计数器加1；否则，计数器不变；

步骤3：重复上述步骤2，判断相邻斜率k_i和k_i+1的正负，i≥2，直到计数器累加至设定阈值，停止搅拌。

2.如权利要求1所述的混合料拌和质量控制方法，其特征在于，对于水泥混凝土混合料，所述阈值为4；对于沥青混凝土混合料，所述阈值为2。

3.如权利要求1所述的混合料拌和质量控制方法，其特征在于，所述的步骤1中调节搅拌机转速的具体过程为：由编码器采集调速电机转速信号，反馈给PLC，通过高速计数器和PID控制模块输出调节信号；变频器接收调节信号，调节电机频率，进而控制电机转速。

4.一种混合料拌和质量控制系统，其特征在于，包括：

搅拌机恒速控制单元，用于控制搅拌机的转速在指定范围内，该指定范围为生产实际确定的转速范围；

传感器通讯单元，用于上位机与扭住传感器进行数据交换；

功率监控单元，用于实时显示功率数值，并将数据进行存储，包括：

条件结构模块，用于排除字符串向数值转换程序中数据空的状态；

公式节点模块，用于将采集的扭矩与输入的转速信号，通过公式P＝TN/9549，求解出对应的功率数值；

逐点计数模块，用于累计搅拌功率数据采集个数；

数组插入模块，用于将采集的搅拌功率数据写入一维数组，其中每个搅拌功率数据在数组中的索引位置由逐点计数值决定；

波形图模块，用于实时显示搅拌功率数据的变化趋势；

数据存储模块，用于将搅拌时间和对应的搅拌功率数据存入指定位置文件中；

滤波处理单元，用于滤波处理获得的搅拌功率数据；

波峰波谷检测单元，用于在线检测重构数据曲线中的波峰波谷，判断最佳拌和时间，包括：

线性拟合模块，用于将小波处理后的重构数据进行线性拟合，求解出拟合斜率；

相邻拟合斜率符号判断模块，用于判断相邻两组重构数据的拟合斜率符号变化，若符号相反，逐点计数模块加1；若相同，逐点计数值不变；

逐点计数模块，用于累计相邻拟合斜率符号相反的次数；

累计结果触发模块，用于当逐点计数值达到设定值，触发PLC通讯单元；

PLC通讯单元；用于在达到最佳拌和时间时，向PLC发送中断指令。

5.如权利要求4所述的混合料拌和质量控制系统，其特征在于，所述的滤波处理单元包括：

数据截取模块，用于依次截取每m个一维数组中的功率数据为一组，进行后续的滤波处理；

顺序结构模块，用于指定数据截取程序的执行顺序先于小波处理程序，避免数据的干扰；

小波处理模块，用于对功率数据进行滤波处理；

波形图模块，用于实时显示滤波处理结果。

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