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混凝土是建筑工程中應(yīng)用最廣泛的材料之一，其經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)對于整個(gè)建筑工程的質(zhì)量和成本有著舉足輕重的關(guān)系?；炷辽a(chǎn)過程中的物料重量控制，一直是施工界的一個(gè)老大難問題。近十年來，隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等的飛速發(fā)展，國內(nèi)不少單位開發(fā)出適合我國國情的各種混凝土自動(dòng)配料機(jī)。利用它的配料功能，與用戶原有的攪拌機(jī)配套，增加上料設(shè)備，就構(gòu)成一個(gè)組合式的自動(dòng)攪拌站。由于它配置靈活，可充分利用用戶原有的設(shè)備資源，投資小，受到混凝土施工界的普遍歡迎。但是，國內(nèi)市場上現(xiàn)有的幾種配料機(jī)，在使用中發(fā)現(xiàn)尚存在如下不盡人意之處：

    ·計(jì)量誤差較大，無法保證GB 10172第六條對混凝土物料計(jì)量誤差之要求。大部分產(chǎn)品說明書標(biāo)注的計(jì)量誤差是小于±1% -2%，實(shí)際檢定誤差達(dá)±10%，甚至更高；

    ·設(shè)備體積大，重量重，上料高度高，不適于流動(dòng)作業(yè)；

    ·配料物種少；

    ·易損件多，可靠性較差，維修工作量大；

    ·自動(dòng)化程度較低，基本上無計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)或僅有簡單系統(tǒng)但人機(jī)界面較差。

    通過研究分析，國內(nèi)其它配料機(jī)的主要技術(shù)癥結(jié)在于：小型配料機(jī)沿用大型攪拌站“提升上料，自落配料”的設(shè)計(jì)模型；在計(jì)量原理上都采用正秤計(jì)量；總體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜?；诖耍覀冊谟?jì)量原理、總體結(jié)構(gòu)上另辟蹊徑，首次將電子負(fù)秤原理應(yīng)用于混凝土自動(dòng)配料設(shè)備中，開發(fā)出電子負(fù)秤型混凝土自動(dòng)配料機(jī)，從根本上克服上述種種弊端。

1電子負(fù)秤的基本原理

    電子正秤和電子負(fù)秤是電子秤的兩種不同類型。所謂正秤就是一般習(xí)慣的稱量方法，隨著被稱對象重量的增加，秤的讀數(shù)增加，負(fù)秤則隨被稱對象重量的減少，秤的讀數(shù)增加，它常用于排料時(shí)指示排料量，因此也可稱之為卸料秤。電子負(fù)秤型混凝土自動(dòng)配料機(jī)采用的電子負(fù)秤是物料離開秤體計(jì)量，而其它配料機(jī)采用的正秤是物料進(jìn)入秤體計(jì)量。下面對比分析正秤和負(fù)秤在混凝土配料計(jì)量方面的性能。

    混凝土配料正秤計(jì)量示意圖如圖l所示。首先將物料裝入料倉，然后將物料投入到秤體進(jìn)行稱量，秤體中的物料不斷增加直到正秤指示到所要求的重量W才控制下料閥門停止投料，然后將物料卸入攪拌箱。由于料倉與秤體之間具有一定的落差，物料投入到秤體時(shí)總有一定的速度，因而會(huì)對秤體產(chǎn)生一定的沖擊力，設(shè)為F。另外，料倉每次卸料可能會(huì)殘留一部分，設(shè)秤體未卸空量為W留，秤體的皮重為W皮，物料實(shí)際重量為W料。上述參量存在以下關(guān)系式：

    W料=W－W皮 －W留－F    (1)

分析上式，可知物料計(jì)量誤差一方面來自正秤本身的計(jì)量誤差，另一方面來自物料沖擊力、秤體皮重變化以及秤體未卸空量變化。

    混凝土配料電子負(fù)秤計(jì)量示意圖如圖2所示。使用時(shí)首先將秤體直接裝滿物料，并由計(jì)算機(jī)質(zhì)量控制系統(tǒng)借助稱重傳感器測量出物料總重量W_總，然后控制下料閥門由秤體往攪拌箱內(nèi)投料，物料只要離開秤體一個(gè)微小距離，計(jì)算機(jī)質(zhì)量控制系統(tǒng)立即計(jì)量出此時(shí)秤體的重量W_剩，則投入到攪拌箱中的料重W_抖，可用下式表示：

    W_料=W_總－ W_剩    (2)

    分析上式，可知配料精度不受物料沖擊力、秤體皮重變化以及秤體未卸空量變化等因素的影響，影響物料計(jì)量誤差的唯一因素是稱重傳感器的誤差，誤差源大大減少。隨著傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，由稱重傳感器引起的誤差可降低到很小的程度。

    從以上分析可以看出，電子負(fù)秤用于混凝土配料相對于正秤具有計(jì)量原理上的優(yōu)勢，它以計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)而得以實(shí)現(xiàn)，是一種既有動(dòng)態(tài)又有靜態(tài)計(jì)量特征的電子秤。

    由于采用電子負(fù)秤，可將正秤配料機(jī)上下安裝的料倉、秤體合二為一，這樣能大大降低整體高度，也就降低了上料高度，縮小了體積，減輕了重量。亦可將正秤配料機(jī)使用中的配料、投料兩個(gè)分時(shí)、順序的工藝過程變成一個(gè)，即配料與投料同時(shí)進(jìn)行。簡化了工藝過程，加快了配料速度。

2電子負(fù)秤型混凝土自動(dòng)配料機(jī)的硬件組成

該混凝土自動(dòng)配料機(jī)的硬件是由機(jī)械設(shè)計(jì)部分和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。由于篇幅所限，機(jī)械設(shè)計(jì)部分此處不再敘述。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由工控機(jī)、信號采集、鍵盤及功能控制開關(guān)、控制執(zhí)行和顯示打印等單元組成。
 

2.1 工控機(jī)

工控機(jī)是系統(tǒng)的核心單元。主要功能是接收各種參數(shù)及命令，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理，顯示打印各種運(yùn)行結(jié)果，輸出各種控制信號和報(bào)警信號等等。

2.2信號采集單元

包括稱重傳感器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器。傳感器可將物料重量轉(zhuǎn)換成電信號。此信號經(jīng)放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便于計(jì)算機(jī)處理。

2.3鍵盤及功能控制開關(guān)

       作為實(shí)現(xiàn)各種功能、各種參數(shù)的預(yù)置和修改的控制部件。預(yù)置或修改后的參數(shù)由計(jì)算機(jī)在線寫入硬盤，可永久保存。

2.4控制執(zhí)行單元

主要包括光電隔離器、功率放大器、電磁閥及交流接觸器等。微機(jī)輸出的電平信號，經(jīng)光電隔離器隔離和功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)電磁閥及交流接觸器，以達(dá)到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)配料及上料之目的。

2.5顯示、打印單元

    主要功能是將各種設(shè)定參數(shù)值、計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)結(jié)果以及工作狀態(tài)，通過漢字界面顯示出來；也可以將各種物料的消耗量統(tǒng)計(jì)成各種形式的報(bào)表并打印。

3電子負(fù)秤型混凝土自動(dòng)配料機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

    由生產(chǎn)過程控制程序和輔助功能程序兩大部分組成。
 

  生產(chǎn)過程控制程序由五個(gè)工作流程組成，循環(huán)控制并完成水泥、砂子、各種石料、外加劑、外摻料和水等物料的上料、配料、投料、攪拌及出料等工作。每次出料的時(shí)間、產(chǎn)量和物料消耗等數(shù)據(jù)由工控機(jī)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，以備后用。

  輔助功能程序由八個(gè)功能模塊組成，通過主菜單進(jìn)行選擇，承擔(dān)系統(tǒng)參數(shù)修改、通道標(biāo)定、打印報(bào)表等工作。參數(shù)修改過程中，每項(xiàng)內(nèi)容輸入后，在按回車確認(rèn)前可隨意修改剛編輯的內(nèi)容，按ESC鍵可回到上一級菜單，按兩次回到主菜單，具有較靈活的編輯修改功能。

    輔助功能程序與生產(chǎn)過程控制程序之間通過讀寫文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

     系統(tǒng)開機(jī)之后，首先進(jìn)行密碼校驗(yàn)。若輸入的密碼不對或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無密碼輸入，則進(jìn)人生產(chǎn)過程控制程序；若輸入的密碼正確，則進(jìn)入輔助功能程序。這樣可以避免非技術(shù)人員隨意進(jìn)入輔助功能程序修改系統(tǒng)參數(shù)。

    整個(gè)程序設(shè)計(jì)具有良好的人機(jī)界面。具有即時(shí)提示功能，動(dòng)態(tài)顯示工作狀態(tài)，而且操作簡單，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，工人稍加培訓(xùn)即可上崗。

4誤差分析與修正

    為了提高混凝土自動(dòng)配料機(jī)的配料精度，必須采取一定的措施來消除或減小系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。

4.1消除系統(tǒng)誤差的方法

由于本系統(tǒng)采用電子負(fù)秤計(jì)量方式，因此可采取如下算法：將相鄰兩次采樣之間的差值進(jìn)行累積求和，就可得到總的物料重量。假設(shè)第一次采樣值為W₁，第二次采樣值為W₂，……第n次采樣值為W_n，第一次與第二次采樣的差值為△W₁= W₁ －W_２，……，第n-l次與第n次采樣的差值為△W_ｎ－1＝W_ｎ－１－W_ｎ，則物料的總重量為：

 

    采用這種算法的優(yōu)點(diǎn)是可以消除系統(tǒng)誤差。假設(shè)每次采樣的系統(tǒng)誤差為δ，則：

    △W₁ =（W₁ +δ）－（W₂+δ）= W₁ －W₂      (4)

△W₂ =（W₂+δ）－（W₃+δ）= W₂ －W₃       (5)

……

     △W_n-1 =（W_n-1 +δ）－（W_n+δ）= W_n-1 －W_n      (4)

    求和后的總重量仍為式(3)，說明稱重結(jié)果與系統(tǒng)誤差無關(guān)，因而達(dá)到了消除系統(tǒng)誤差的目的。

4.2修正隨機(jī)誤差的方法

    由于混凝土自動(dòng)配料機(jī)所處昀工作環(huán)境非常惡劣。傳感器信號中混雜有高頻噪聲以及50 Hz的工頻干擾，這是降低系統(tǒng)配料精度的一個(gè)重要因素。我們采用軟硬件相結(jié)合的方法來消除或減少系統(tǒng)隨機(jī)誤差。

    (1)在信號放大通路中設(shè)計(jì)一個(gè)二階以上的有源低通濾波器。同時(shí)，對電源進(jìn)行去耦濾波；

    (2)充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，對采樣得到的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值平滑（其實(shí)質(zhì)就是低通濾波）。數(shù)值平滑的總原則是既要削弱干擾成分，又要保持真實(shí)信號不失真。平滑算法很多，如直接平均平滑算法、最小二乘擬合平滑算法以及自適應(yīng)平滑算法等。綜合考慮算法的實(shí)現(xiàn)速度、平滑效果以及保持真實(shí)信號不失真程序，我們選擇了最小二乘擬合平滑算法。用最小二乘法求出的五點(diǎn)三次平滑公式為：

    y(n)= 1/35 [-3x(n－2)+12ｘ(ｎ－1)+17x(n)+ 12ｘ（ｎ+1）－3x(n+2)]    (7)

式中n=2，3，…n-4，n-3；N為樣本長度。

    當(dāng)點(diǎn)數(shù)很多時(shí)，開始兩點(diǎn)和末尾兩點(diǎn)單獨(dú)用式(8)－(11)來計(jì)算。

    y(0)= 1/70 [69x(0)+4ｘ(1)－6x(2)+ 4ｘ（3）－x(4)]    (8)

    y(1)= 1/35 [2x(0)+27ｘ(1)+12x(2)－ 8ｘ（3）+2x(4)]    (9)

y(N－2)= 1/35 [2x((N－5) － 8ｘ(N－4)+12x(N－3)+ 27ｘ（N－2）+2x(N－1)]   ( 10)

    y((N－1)= 1/70 [－x(N－5)+4ｘ(N－4) －6x(N－3)+4ｘ（N－2）+69x(N－1)]    (11)

    由于采取了上述措施，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的配料精度。

    電子負(fù)秤型混凝土自動(dòng)配料機(jī)首次采用電子負(fù)秤這一獨(dú)特的計(jì)量原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、合理，具有較高的性能價(jià)格比。配料機(jī)的高度、體積和重量不到市場上同類產(chǎn)品的1/2；配料速度比同類產(chǎn)品快1/3；配料誤差小于±1%，完全滿足CB10172第六條對混凝土物料計(jì)量誤差之要求。該產(chǎn)品對提高我國混凝土施工技術(shù)水平，確保工程質(zhì)量，節(jié)約水混等方面具有重大意義。

 

 

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