混凝土是建筑工程中应用最广泛的材料之一，其经济、技术指标对于整个建筑工程的质量和成本有着举足轻重的关系。混凝土生产过程中的物料重量控制，一直是施工界的一个老大难问题。近十年来，随着传感器技术、计算机技术和自动控制技术等的飞速发展，国内不少单位开发出适合我国国情的各种混凝土自动配料机。利用它的配料功能，与用户原有的搅拌机配套，增加上料设备，就构成一个组合式的自动搅拌站。由于它配置灵活，可充分利用用户原有的设备资源，投资小，受到混凝土施工界的普遍欢迎。但是，国内市场上现有的几种配料机，在使用中发现尚存在如下不尽人意之处：

    ·计量误差较大，无法保证GB 10172第六条对混凝土物料计量误差之要求。大部分产品说明书标注的计量误差是小于±1% -2%，实际检定误差达±10%，甚至更高；

    ·设备体积大，重量重，上料高度高，不适于流动作业；

    ·配料物种少；

    ·易损件多，可靠性较差，维修工作量大；

    ·自动化程度较低，基本上无计算机控制管理系统或仅有简单系统但人机界面较差。

    通过研究分析，国内其它配料机的主要技术症结在于：小型配料机沿用大型搅拌站“提升上料，自落配料”的设计模型；在计量原理上都采用正秤计量；总体结构较复杂。基于此，我们在计量原理、总体结构上另辟蹊径，首次将电子负秤原理应用于混凝土自动配料设备中，开发出电子负秤型混凝土自动配料机，从根本上克服上述种种弊端。

1电子负秤的基本原理

    电子正秤和电子负秤是电子秤的两种不同类型。所谓正秤就是一般习惯的称量方法，随着被称对象重量的增加，秤的读数增加，负秤则随被称对象重量的减少，秤的读数增加，它常用于排料时指示排料量，因此也可称之为卸料秤。电子负秤型混凝土自动配料机采用的电子负秤是物料离开秤体计量，而其它配料机采用的正秤是物料进入秤体计量。下面对比分析正秤和负秤在混凝土配料计量方面的性能。

    混凝土配料正秤计量示意图如图l所示。首先将物料装入料仓，然后将物料投入到秤体进行称量，秤体中的物料不断增加直到正秤指示到所要求的重量W才控制下料阀门停止投料，然后将物料卸入搅拌箱。由于料仓与秤体之间具有一定的落差，物料投入到秤体时总有一定的速度，因而会对秤体产生一定的冲击力，设为F。另外，料仓每次卸料可能会残留一部分，设秤体未卸空量为W留，秤体的皮重为W皮，物料实际重量为W料。上述参量存在以下关系式：

    W料=W－W皮 －W留－F    (1)

分析上式，可知物料计量误差一方面来自正秤本身的计量误差，另一方面来自物料冲击力、秤体皮重变化以及秤体未卸空量变化。

    混凝土配料电子负秤计量示意图如图2所示。使用时首先将秤体直接装满物料，并由计算机质量控制系统借助称重传感器测量出物料总重量W_总，然后控制下料阀门由秤体往搅拌箱内投料，物料只要离开秤体一个微小距离，计算机质量控制系统立即计量出此时秤体的重量W_剩，则投入到搅拌箱中的料重W_抖，可用下式表示：

    W_料=W_总－ W_剩    (2)

    分析上式，可知配料精度不受物料冲击力、秤体皮重变化以及秤体未卸空量变化等因素的影响，影响物料计量误差的唯一因素是称重传感器的误差，误差源大大减少。随着传感器技术和数据处理技术的发展，由称重传感器引起的误差可降低到很小的程度。

    从以上分析可以看出，电子负秤用于混凝土配料相对于正秤具有计量原理上的优势，它以计算机技术和传感器技术为基础而得以实现，是一种既有动态又有静态计量特征的电子秤。

    由于采用电子负秤，可将正秤配料机上下安装的料仓、秤体合二为一，这样能大大降低整体高度，也就降低了上料高度，缩小了体积，减轻了重量。亦可将正秤配料机使用中的配料、投料两个分时、顺序的工艺过程变成一个，即配料与投料同时进行。简化了工艺过程，加快了配料速度。

2电子负秤型混凝土自动配料机的硬件组成

该混凝土自动配料机的硬件是由机械设计部分和计算机控制系统组成。由于篇幅所限，机械设计部分此处不再叙述。计算机控制系统是由工控机、信号采集、键盘及功能控制开关、控制执行和显示打印等单元组成。
 

2.1 工控机

工控机是系统的核心单元。主要功能是接收各种参数及命令，采集数据并进行相应的处理，显示打印各种运行结果，输出各种控制信号和报警信号等等。

2.2信号采集单元

包括称重传感器、放大器和A/D转换器。传感器可将物料重量转换成电信号。此信号经放大器放大后，由A/D转换成数字信号，以便于计算机处理。

2.3键盘及功能控制开关

       作为实现各种功能、各种参数的预置和修改的控制部件。预置或修改后的参数由计算机在线写入硬盘，可永久保存。

2.4控制执行单元

主要包括光电隔离器、功率放大器、电磁阀及交流接触器等。微机输出的电平信号，经光电隔离器隔离和功率放大器放大后，驱动电磁阀及交流接触器，以达到控制执行机构，实现配料及上料之目的。

2.5显示、打印单元

    主要功能是将各种设定参数值、计算机处理的数据结果以及工作状态，通过汉字界面显示出来；也可以将各种物料的消耗量统计成各种形式的报表并打印。

3电子负秤型混凝土自动配料机的软件设计

    由生产过程控制程序和辅助功能程序两大部分组成。
 

  生产过程控制程序由五个工作流程组成，循环控制并完成水泥、砂子、各种石料、外加剂、外掺料和水等物料的上料、配料、投料、搅拌及出料等工作。每次出料的时间、产量和物料消耗等数据由工控机实时存储，以备后用。

  辅助功能程序由八个功能模块组成，通过主菜单进行选择，承担系统参数修改、通道标定、打印报表等工作。参数修改过程中，每项内容输入后，在按回车确认前可随意修改刚编辑的内容，按ESC键可回到上一级菜单，按两次回到主菜单，具有较灵活的编辑修改功能。

    辅助功能程序与生产过程控制程序之间通过读写文件进行数据交换。

     系统开机之后，首先进行密码校验。若输入的密码不对或在规定时间内无密码输入，则进人生产过程控制程序；若输入的密码正确，则进入辅助功能程序。这样可以避免非技术人员随意进入辅助功能程序修改系统参数。

    整个程序设计具有良好的人机界面。具有即时提示功能，动态显示工作状态，而且操作简单，具有较强的容错能力，工人稍加培训即可上岗。

4误差分析与修正

    为了提高混凝土自动配料机的配料精度，必须采取一定的措施来消除或减小系统的系统误差和随机误差。

4.1消除系统误差的方法

由于本系统采用电子负秤计量方式，因此可采取如下算法：将相邻两次采样之间的差值进行累积求和，就可得到总的物料重量。假设第一次采样值为W₁，第二次采样值为W₂，……第n次采样值为W_n，第一次与第二次采样的差值为△W₁= W₁ －W_２，……，第n-l次与第n次采样的差值为△W_ｎ－1＝W_ｎ－１－W_ｎ，则物料的总重量为：

 

    采用这种算法的优点是可以消除系统误差。假设每次采样的系统误差为δ，则：

    △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)

    求和后的总重量仍为式(3)，说明称重结果与系统误差无关，因而达到了消除系统误差的目的。

4.2修正随机误差的方法

    由于混凝土自动配料机所处昀工作环境非常恶劣。传感器信号中混杂有高频噪声以及50 Hz的工频干扰，这是降低系统配料精度的一个重要因素。我们采用软硬件相结合的方法来消除或减少系统随机误差。

    (1)在信号放大通路中设计一个二阶以上的有源低通滤波器。同时，对电源进行去耦滤波；

    (2)充分利用计算机丰富的软件资源，对采样得到的离散数据进行数值平滑（其实质就是低通滤波）。数值平滑的总原则是既要削弱干扰成分，又要保持真实信号不失真。平滑算法很多，如直接平均平滑算法、最小二乘拟合平滑算法以及自适应平滑算法等。综合考虑算法的实现速度、平滑效果以及保持真实信号不失真程序，我们选择了最小二乘拟合平滑算法。用最小二乘法求出的五点三次平滑公式为：

    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为样本长度。

    当点数很多时，开始两点和末尾两点单独用式(8)－(11)来计算。

    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，系统具有较强的抗干扰能力和较高的配料精度。

    电子负秤型混凝土自动配料机首次采用电子负秤这一独特的计量原理，结构设计简单、合理，具有较高的性能价格比。配料机的高度、体积和重量不到市场上同类产品的1/2；配料速度比同类产品快1/3；配料误差小于±1%，完全满足CB10172第六条对混凝土物料计量误差之要求。该产品对提高我国混凝土施工技术水平，确保工程质量，节约水混等方面具有重大意义。

 

 

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