CN112659376B - 搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控方法和调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控方法和装置，包括：1、投料结束并开始搅拌，搅拌机电流调至正常工作电流的1/4、1/2、3/4和1并拍摄拌合物图像及拌合物静置图像；2、搅拌机调至正常电流进行流变参数测试；3、识别采集图像并与数据库图像匹配，初步确定拌合物坍落度范围；4、确定的坍落度范围内，通过流变参数与坍落度相关性模型对拌合物坍落度推导计算获得拌合物的准确坍落度；5、分析实测坍落度值与设计值差异；两者相差20mm时选择性进行补偿投料；6、补偿完成后，继续搅拌并重复步骤1～5至实测坍落度与设计坍落度差值小于20mm；7、混凝土拌合物全过程坍落度调整次数大于2次时，给出调整后的拌合物配合比变化较大的指示。

Description

搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控方法和调控系统

技术领域

本发明涉及预拌混凝土生产技术领域，具体涉及一种搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控方法和调控系统。

背景技术

随着建筑行业的飞速发展，预拌混凝土的用量越来越大，混凝土搅拌站的设备设施也越来越完善，但混凝土的坍落度控制一直是混凝土搅拌站供应混凝土过程中最头疼的问题，被施工单位投诉最多的就是混凝土坍落度不符合工地要求，有时偏大、有时偏小，尤其是对于坍落度偏大的混凝土，由于不能在现场进行调整，一般只能做退货处理，给混凝土搅拌站带来了巨大的损失。为了保证混凝土到现场的坍落度，除了减少在运输过程中的坍落度损失外，在搅拌站混凝土出料时对其坍落度的精准控制尤为重要。

混凝土搅拌站在生产某一具体强度等级混凝土的混凝土配合比前，通常会在实验室搅拌机上对该配合比进行试配进行调整。然而，调整完的配比到搅拌楼大搅拌机上搅拌时，由于搅拌功率的差别以及砂石含水率的偏差，大搅拌机的坍落度与实验室的坍落度具有较大甚至巨大的差异，且坍落度的波动非常大，因此需要一种方法对搅拌机内的混凝土拌合物的坍落度进行监测控制。

过去搅拌楼混凝土搅拌机内拌合物通常采用摄像头肉眼观察判别，具有较大的人为影响，判断误差较大。也有研究通过搅拌机电流与坍落度的关系进行判别，但由于不同强度等级混凝土拌合物的粘度有较大区别，相同坍落度不同强度等级的混凝土搅拌机工作电流差异较大，实测结果不够准确。且发现坍落度与预定目标有差别后需要人工加水搅拌后，放料测坍落度，操作较为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中搅拌站混凝土拌合物坍落度判别不准确、控制难、调控过程自动化程度低的问题，提供一种搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控方法，以实现搅拌楼搅拌机内混凝土拌合物坍落度的智能化判别和智能化精准调控。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控方法，其特点为，包括如下步骤：

(1)在搅拌楼投料结束，混凝土搅拌机开始搅拌60s后，将搅拌机电流分别调节至正常工作电流的1/4、1/2、3/4，分别拍摄混凝土在上述工作电流以及正常工作电流下的混凝土拌合物图像，然后将搅拌机停止后拍摄混凝土拌合物静置图像；

(2)将搅拌机调节至正常工作电流，进行流变参数测试；

(3)对步骤(1)采集到的混凝土拌合物图像进行自动识别并与数据库中的图像进行智能化匹配，在以下其中一个范围中初步确定混凝土拌合物的坍落度所在范围：0～50mm、50～100mm、100～160mm、160～200mm、200～240mm和240mm～300mm；

(4)调取数据库中目标强度等级混凝土在初步确定的坍落度范围内流变参数与坍落度的相关性模型，基于步骤(2)得到的流变参数对拌合物坍落度进行推导计算，进一步获得混凝土拌合物的准确坍落度；其中，相关性模型是基于经验值提前设定建立的数据库内容，推导计算的方法是基于现有的常规计算推导方式来实现的。

(5)分析实测坍落度值与设计坍落度值的差异；当两者相差20mm时，开始进行补偿投料操作；

其中，实测坍落度值小于100mm且低于设计坍落度值超过20mm时，进行水补偿；实测坍落度值大于等于100mm且低于设计坍落度值超过20mm时，进行减水剂补偿；实测坍落度值高于设计坍落度值超过20mm时，进行其他原材料的混合料补偿；

(6)补偿投料操作完成后，继续搅拌30s，重复步骤(1)～(5)直至实测坍落度与设计坍落度差值小于20mm；

(7)分析判断混凝土拌合物全过程坍落度调整次数，当大于2次时，给出调整后的混凝土拌合物配合比变化较大的提示。

作为本技术方案的进一步改进，步骤(5)中，进行水补偿时，水的补偿量为每次5kg/m³；进行减水剂补偿时，减水剂的补偿量为每次0.4kg/m³；进行其他原材料(指水和减水剂以外)的混合料补偿时，其他原材料按混凝土配合比混合后的补偿量为每次20kg/m³。

也作为本技术方案的更进一步改进，混凝土流变参数测定装置流入10L混凝土拌合物后进行流变参数测试。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种上述智能化调控方法的调控系统，该调控系统包括用于采集搅拌机内混凝土拌合物实时图像的图像采集模块、用于测试混凝土拌合物流变参数的流变性测试模块和用于分析所采集信息的数据分析模块，所采集信息经数据传输模块传送至所述数据分析模块，该调控系统还包括进行所述补偿投料操作的补偿投料模块。

作为本调控系统的优选实施例，所述图像采集模块具有一摄像头，所述摄像头固定在搅拌机上方位，所述摄像头带有一防尘装置。

作为本调控系统的进一步改进，所述流变性测试模块整体固定于搅拌机侧边，流变性测试模块内部装有混凝土流变参数测定装置，测试容量为10L,流变测试模块上部经阀门连接进料管路，底部设有将测完的物料重新投入搅拌机内的物料推送装置。

也作为本调控系统的优选实施例，所述数据传输模块采用无线传输方式。

作为本技术方案的进一步改进，所述数据分析模块包含不同强度等级、不同坍落度混凝土拌合物搅拌过程中的图像数据库和拌合物流变参数与坍落度相关性模型库，通过图像自动识别匹配功能和流变参数与坍落度相关性模型的推导计算功能，确定搅拌机内混凝土实际坍落度，分析实测坍落度值与设计坍落度值的差异值，并依据步骤(5)选择性给与补偿投料模块补偿投料指令。

也作为本技术方案的进一步改进，所述补偿投料模块包括三个储存腔，三个储存腔分别用于存放水、减水剂以及其他原材料的混合料，依据数据分析模块给出的指令选择性的连通其中的储存腔完成相应的原材料补偿投料。

本发明通过对搅拌机中混凝土拌合物采集图像的智能化识别和基于流变参数与坍落度相关性模型的推导计算，准确分析判断搅拌机中混凝土拌合物的实际坍落度，并根据实测坍落度与设计坍落度的差异，进行补偿投料，实现对搅拌机中混凝土拌合物流动性的智能化、精准化调控，提高混凝土出机坍落度的准确度，保障预拌混凝土生产质量。

附图说明

图1为搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控系统的运行流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。

本发明提供的搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控系统及方法。具体包括搅拌机内拌合物图像采集部分、拌合物流变性测试部分、数据传输部分、智能化数据分析部分和补偿投料部分。

下面对本发明搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控系统整个系统的各模块(子系统)的设计功能及控制方法做如下说明：

图像采集模块(子系统)的摄像头固定在搅拌机上方，并带有防尘装置，以防止进料过程中摄像头被粉体材料沾染，导致图像模糊。在进料完成搅拌15s后，粉料已全部变成浆料，此时可以防尘装置打开，露出摄像头。图像采集模块通过摄像头拍摄混凝土在搅拌过程中的图像特征来判别其坍落度。不同坍落度的混凝土在搅拌过程中会呈现不同的图像特征，如坍落度较小的混凝土在搅拌过程中呈胶粘状，可从图像中观察到骨料的存在，而坍落度较大的混凝土则呈打浆状，表层溅起的浆体较多，数据分析模块中的图像识别功能正是据此来进行坍落度的初步判别。但由于混凝土的拌合物在搅拌过程中的图像具有相似性，因此这里采用了搅拌机正常工作电流、正常工作电流的1/4、1/2、3/4以及静置状态下分别进行摄像，以此来减小图像识别过程中的偏差。不同电流搅拌后，混凝土的流变特征产生一定的差异，这种差异能反应到搅拌过程中的拌合物图像上，5幅图像反应了相同坍落度的混凝土在不同搅拌速率下的动力学特征，该动力学特征可反应到拌合物图像的差别，因此拍摄的系列图像进行智能化识别后，对坍落度所处范围的识别准确率可达到95％以上。

图像智能识别过程中，可以将混凝土坍落度的范围初步定在0～50mm、50～100mm、100～160mm、160～200mm、200～240mm、240～300mm六个范围。坍落度为0～50mm的混凝土偏向干硬性混凝土，浆体不能完整地包裹骨料，混凝土在搅拌过程中拍摄的图像颗粒感较重。坍落度为50～100mm的混凝土开始接近塑性，图像中尚能观察到骨料，在不同搅拌速度下图像的差异性较大；坍落度为100～160mm的混凝土在搅拌过程中混凝土拌合物表现图像可体现出混凝土兼具良好的粘聚性和流动性。坍落度为160～200mm的混凝土流动性较好，浆体易被搅拌机叶片带起，体系较为均匀，在不同搅拌速度下图像的差异性减小。坍落度为200～240mm的混凝土，接近泵送混凝土，混凝土在搅拌速度较大的条件下有泌水倾向，静置后表面有微微泛光。坍落度为240～300mm的混凝土，流动性达到自密实混凝土范围，自密实混凝土的在配方设计过程中砂率较高，砂浆含量多，粗骨料含量较少，可从图像上观察到混凝土的富浆状态。

拌合物流变性测试模块(子系统)固定于搅拌机侧边，测试容量为10L，内部装有混凝土流变参数测定装置，上方具有阀门用于进料，底部有物料推送系统将测完的物料重新投入搅拌机内。由于图像识别只能初步将拌合物的坍落度固定在某个特定的范围，在混凝土拌合物流动性智能化调控系统中还设置了拌合物流变性测试模块(子系统)。通过将拌合物流变性测试模块设置于混凝土搅拌仓侧边，内部装有用于测量混凝土拌合物流变学参数(屈服强度和粘度系数)的应变式动态扭矩传感器，当搅拌机内的混凝土拌合物搅拌至目标搅拌时间后，打开上方阀门，拌合物进入流变性测试模块(子系统)后开始流变学参数测定，测试完成后由底部物料推送装置将测完的物料重新投入搅拌机内，以保证在流动性调控过程中，基础混凝土配合比不出现变化。

数据采集模块通过无线传输方式将图像采集模块获得的拌合物图像和拌合物流变性测试模块采集的流变参数传输至智能化数据分析模块。

智能化数据分析模块包含不同强度等级、不同坍落度混凝土拌合物搅拌过程中的图像数据库和拌合物坍落度与流变参数相关性模型库(该模型库是基于经验值或数据积累提前建立的数据模型库)，并具有图像自动识别匹配功能和基于流变参数的拌合物坍落度推导计算功能(其推导计算过程和方式为本领域技术人员的常规计算手段，在此就不再详述)。由于原材料种类和水胶比、掺合料掺量、胶凝材料用量等配合比参数的差异，不同强度等级混凝土在相同坍落度范围内，拌合物流变性有较大差异，因而拌合物的图像也存在较大的差异，因此在开发此智能化调控系统前，应对不同强度等级混凝土在不同坍落度范围、不同搅拌机功率下混凝土的拌合物图像进行大量的前期拍摄汇总，建立拌合物图像数据库及其相关模型库，数据库中包含至少50000组不同强度等级不同配比不同坍落度的拌合物图像，从C20～C100共17个强度等级，每个强度等级10个配比，从坍落度0mm～300mm。在大量图像数据库的基础上，进一步通过图像智能识别技术，可以对搅拌机内目标混凝土拌合物的坍落度范围进行精确匹配。

智能化数据分析模块的图像识别功能只能准确定位混凝土的坍落度范围，但精确确定具体坍落度值还要基于拌合物流变参数与坍落度相关性模型的坍落度推导计算功能。虽然流变学模型可以直接推导出坍落度值，但并不意味着可以取消前面的智能化图像识别模块，主要是由于混凝土的流变学行为较为复杂，对于流动性较低的普通混凝土拌合物，一般用宾汉姆模型来计算其流变学参数，但对于高流态或自密实混凝土，Herschel-Bulkley模型与其流变学行为更为接近，事实上随着坍落度的增大，混凝土的流变学行为在不断的变化，采用同一模型对采集到的流变学参数进行大范围坍落度推演存在极大的偏差，可靠度较低。因此本发明首先通过图像识别将混凝土的坍落度定位在某个具体范围，在这个范围内，所建立的流变性参数和坍落度关系模型的适用性更强，从而可以推导计算得到准确的坍落度。拌合物流变参数与坍落度相关性模型库的建立可以最大程度地提高流变参数和坍落度关系模型和推演结果的准确性。

智能化数据分析模块根据图像识别和流变参数推导计算得到的坍落度进行匹配，分析实测坍落度值与设计坍落度值的差异。当两者相差20mm时，判定实测坍落度和设计的坍落度差异过大，足以影响到工程现场的施工，智能化数据分析模块将给与补偿投料模块(子系统)指令进行投料补偿来对搅拌机中的拌合物坍落调整。对于实测坍落度小于设计坍落度的情况，可通过减水剂或水来调控。当实测坍落度小于100mm时，由于拌合物粘度较大，减水剂补偿容易被吸附，所以采用水补偿，水的补偿量为每次5kg/m³，在这个补偿量下，混凝土的水胶比增加幅度在0.01～0.02之间，不会改变混凝土强度等级。当实测坍落度大于等于100mm时，用水补偿容易出现泌水或补偿后坍落度增加幅度过大的问题，所以用减水剂补偿，减水剂的每次补偿量为0.4kg/m³，换算到胶凝材料百分比为0.1％，在这个补偿量下，每次补偿后坍落度的变化值基本可控制在20mm左右。对于实测坍落度大于设计坍落度的情况，可通过除水和减水剂外的其他原材料按混凝土配合比混合后的混合料来补偿，每次补偿量为20kg/m³，在这个补偿量下，换算到水胶比的减小幅度为0.01左右，不会改变混凝土强度等级。搅拌机上方专门仓储三个水、减水剂和其他原材料的混合物仓，用于实时投料补偿。

通过控制每次补偿投料的量，做到了拌合物流动性的精准化调整，以防补偿过量继而再反向回调的问题。由于采用了智能化图像采集和分析，整个调整过程效率极高，不会影响混凝土正常生产，给搅拌站混凝土拌合物流动性的控制带来了极大的便利性。

当补偿投料系统的补偿调整次数过多后(大于2次)，混凝土的配合比由于过度的调整可能产生量变到质变的情况，应对调整后的混凝土配合比做变化幅度较大的提示。

下面将进一步对本发明的具体实施方式进行详细说明。此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

实施例1：

某设计坍落度为160mm的C30混凝土，按配合比称量放入搅拌机搅拌60s后，记录正常有效工作电流为9.2A，打开拌合物图像采集模块(子系统)的摄像头防尘装置，对正常工作电流搅拌下的拌合物进行图像采集，同时打开拌合物流变性测试模块中的上部阀门，流入10L混凝土拌合物后关闭阀门，对混凝土拌合物的流变学参数进行测试得到屈服强度为1166MPa，粘度系数为266Pa·s。随后将正常有效工作电流调节至6.9A、4.6A和2.3A，分别拍摄在上述三个工作电流下的图像。最后将搅拌机停止，拍摄拌合物静置下的图像。

通过无线传输方式将拌合物图像采集系统拍摄的5张拌合物图像以及拌合物流变性测试模块测得的混凝土拌合物屈服强度和粘度系数两个流变参数传输至智能化数据分析模块。智能化数据分析模块(子系统)首先对5张拌合物图像进行识别，并与拌合物图像数据库中的所有组别混凝土的拌合物图像进行快速匹配，初步确定搅拌机中实测的混凝土坍落度范围在100mm～160mm之间。智能化数据分析模块根据图像匹配得到的C30混凝土坍落度在100mm～160mm之间的信息，调取相应强度等级混凝土在该坍落度范围的流变参数与坍落度的相关性模型，推导计算得到屈服强度为1166MPa，粘度系数为266Pa·s的混凝土拌合物实际坍落度为120mm。根据最终计算结果，搅拌机中混凝土实际坍落度低于设计坍落度40mm，超过20mm的限定要求。智能化数据分析模块对补偿投料模块发出添加0.4kg/m³减水剂的指令进行补偿投料。

补偿投料之前，拌合物流变性测试模块(子系统)底部的物料推送装置将测完的物料重新投入搅拌机内，在补偿投料完成之后，继续搅拌30s。重复上述步骤，智能化数据分析模块得到的补偿投料后的混凝土拌合物的坍落度为150mm，与设计坍落度差值小于20mm，满足卸料要求。从搅拌机中卸出的混凝土拌合物经现场测试，混凝土拌合物的坍落度为150mm，与智能化数据分析模块得到的结果相一致。

实施例2：

某设计坍落度为200mm的C80混凝土，按配合比称量放入搅拌机搅拌60s后，记录正常有效工作电流为10A，打开拌合物图像采集模块的摄像头防尘装置，对正常工作电流搅拌下的拌合物进行图像采集，同时打开拌合物流变性测试模块(子系统)的上部阀门，流入10L混凝土拌合物后关闭阀门，对混凝土拌合物的流变学参数进行测试得到屈服强度为1166MPa，粘度系数为266Pa·s。随后将正常有效工作电流调节至7.5A、5A和2.5A，分别拍摄在上述三个工作电流下的图像。最后将搅拌机停止，拍摄拌合物静置下的图像。

通过无线传输方式将拌合物图像采集系统拍摄的5张拌合物图像以及拌合物流变性测试模块测得的混凝土拌合物屈服强度和粘度系数两个流变参数传输至智能化数据分析模块。智能化数据分析模块(子系统)首先对5张拌合物图像进行识别，并与拌合物图像数据库中的所有组别混凝土的拌合物图像进行快速匹配，初步确定搅拌机中实测的混凝土坍落度范围在240mm～300mm之间。智能化数据分析模块根据图像匹配得到的C80混凝土坍落度在240mm～300mm之间的信息，调取相应强度等级混凝土在该坍落度范围的流变参数与坍落度的相关性模型，计算得到屈服强度为750MPa，粘度系数为410Pa·s的混凝土拌合物实际坍落度为260mm。根据最终计算结果，搅拌机中混凝土实际坍落度低于设计坍落度60mm，超过20mm的限定要求。智能化数据分析模块(子系统)对补偿投料模块发出添加除水和减水剂以外其他原材料混合料20kg/m³的指令进行补偿投料。

补偿投料之前，拌合物流变性测试模块的底部物料推送装置将测完的物料重新投入搅拌机内，在补偿投料完成之后，继续搅拌30s。重复上述步骤，智能化数据分析模块(子系统)得到的补偿投料后的混凝土拌合物的坍落度为250mm，与设计坍落度差值仍大于20mm，系统给出再次添加20kg/m³其他原材料混合料的指令。由于初始坍落度与设计坍落度相差过大，经过两次补偿后系统得到的混凝土坍落度为230mm，与设计坍落度差异依旧大于20mm，系统第三次进行20kg/m³其他原材料混合料补偿投料，分析得到的坍落度为210mm，与设计差值小于20mm，满足卸料要求。从搅拌机中卸出的混凝土拌合物经现场测试，混凝土拌合物的坍落度为205mm，与智能化数据分析模块得到的结果基本一致。由于补偿投料达到3次，共添加了60kg/m³的混凝土拌合物，系统给出该C80混凝土拌合物配合比调整较大的提示。

Claims (9)

1.一种搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在搅拌楼投料结束，混凝土搅拌机开始搅拌60s后，将搅拌机电流分别调节至正常工作电流的1/4、1/2、3/4，分别拍摄混凝土在上述工作电流以及正常工作电流下的混凝土拌合物图像，然后将搅拌机停止后拍摄混凝土拌合物静置图像；

(2)将搅拌机调节至正常工作电流，进行流变参数测试；

(3)对步骤(1)采集到的混凝土拌合物图像进行自动识别并与数据库中的图像进行智能化匹配，在以下其中一个范围中初步确定混凝土拌合物的坍落度所在范围：0～50mm、50～100mm、100～160mm、160～200mm、200～240mm和240mm～300mm；

(4)调取数据库中目标强度等级混凝土在初步确定的坍落度范围内流变参数与坍落度的相关性模型，基于步骤(2)得到的流变参数对拌合物坍落度进行推导计算，进一步获得混凝土拌合物的准确坍落度；

(5)分析实测坍落度值与设计坍落度值的差异；当两者相差20mm时，开始进行补偿投料操作；

其中，实测坍落度值小于100mm且低于设计坍落度值超过20mm时，进行水补偿；实测坍落度值大于等于100mm且低于设计坍落度值超过20mm时，进行减水剂补偿；实测坍落度值高于设计坍落度值超过20mm时，进行其他原材料的混合料补偿；

(6)补偿投料操作完成后，继续搅拌30s，重复步骤(1)～(5)直至实测坍落度与设计坍落度差值小于20mm；

(7)分析判断混凝土拌合物全过程坍落度调整次数，当大于2次时，给出调整后的混凝土拌合物配合比变化较大的提示。

2.根据权利要求1所述的搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控方法，其特征在于，步骤(5)中，进行水补偿时，水的补偿量为每次5kg/m³；进行减水剂补偿时，减水剂的补偿量为每次0.4kg/m³；进行其他原材料的混合料补偿时，其他原材料按混凝土配合比混合后的补偿量为每次20kg/m³。

3.根据权利要求1所述的搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控方法，其特征在于，混凝土流变参数测定装置流入10L混凝土拌合物后进行流变参数测试。

4.一种用于实施权利要求1、2或3所述搅拌站混凝土拌合物流动性智能化调控方法的调控系统，其特征在于，包括用于采集搅拌机内混凝土拌合物实时图像的图像采集模块、用于测试混凝土拌合物流变参数的流变性测试模块和用于分析所采集信息的数据分析模块，所采集信息经数据传输模块传送至所述数据分析模块，该调控系统还包括进行所述补偿投料操作的补偿投料模块。

5.根据权利要求4所述的调控系统，其特征在于，所述图像采集模块具有一摄像头，所述摄像头固定在搅拌机上方位，所述摄像头带有一防尘装置。

6.根据权利要求4所述的调控系统，其特征在于，所述流变性测试模块整体固定于搅拌机侧边，流变性测试模块内部装有混凝土流变参数测定装置，测试容量为10L,流变测试模块上部经阀门连接进料管路，底部设有将测完的物料重新投入搅拌机内的物料推送装置。

7.根据权利要求4所述的调控系统，其特征在于，所述数据传输模块采用无线传输方式。

8.根据权利要求4所述的调控系统，其特征在于，所述数据分析模块包含不同强度等级、不同坍落度混凝土拌合物搅拌过程中的图像数据库和拌合物流变参数与坍落度相关性模型库，通过图像自动识别匹配功能和流变参数与坍落度相关性模型的推导计算功能，确定搅拌机内混凝土实际坍落度，分析实测坍落度值与设计坍落度值的差异值，并依据步骤(5)选择性给与补偿投料模块补偿投料指令。

9.根据权利要求4所述的调控系统，其特征在于，所述补偿投料模块包括三个储存腔，三个储存腔分别用于存放水、减水剂以及其他原材料的混合料，依据数据分析模块给出的指令选择性的连通其中的储存腔完成相应的原材料补偿投料。

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