混凝土是建築工程中應用最廣泛的材料之一，其經濟、技術指標對於整個建築工程的質量和成本有著舉足輕重的關係。混凝土生產過程中的物料重量控製，一直是施工界的一個老大難問題。近十年來，隨著傳感器技術、計算機技術和自動控製技術等的飛速發展，國內不少單位開發出適合我國國情的各種混凝土自動配料機。利用它的配料功能，與用戶原有的攪拌機配套，增加上料設備，就構成一個組合式的自動攪拌站。由於它配置靈活，可充分利用用戶原有的設備資源，投資小，受到混凝土施工界的普遍歡迎。但是，國內市場上現有的幾種配料機，在使用中發現尚存在如下不盡人意之處：

    ·計量誤差較大，無法保證GB 10172第六條對混凝土物料計量誤差之要求。大部分產品說明書標注的計量誤差是小於±1% -2%，實際檢定誤差達±10%，甚至更高；

    ·設備體積大，重量重，上料高度高，不適於流動作業；

    ·配料物種少；

    ·易損件多，可靠性較差，維修工作量大；

    ·自動化程度較低，基本上無計算機控製管理係統或僅有簡單係統但人機界麵較差。

    通過研究分析，國內其它配料機的主要技術症結在於：小型配料機沿用大型攪拌站“提升上料，自落配料”的設計模型；在計量原理上都采用正秤計量；總體結構較複雜。基於此，我們在計量原理、總體結構上另辟蹊徑，首次將電子負秤原理應用於混凝土自動配料設備中，開發出電子負秤型混凝土自動配料機，從根本上克服上述種種弊端。

1電子負秤的基本原理

    電子正秤和電子負秤是電子秤的兩種不同類型。所謂正秤就是一般習慣的稱量方法，隨著被稱對象重量的增加，秤的讀數增加，負秤則隨被稱對象重量的減少，秤的讀數增加，它常用於排料時指示排料量，因此也可稱之為卸料秤。電子負秤型混凝土自動配料機采用的電子負秤是物料離開秤體計量，而其它配料機采用的正秤是物料進入秤體計量。下麵對比分析正秤和負秤在混凝土配料計量方麵的性能。

    混凝土配料正秤計量示意圖如圖l所示。首先將物料裝入料倉，然後將物料投入到秤體進行稱量，秤體中的物料不斷增加直到正秤指示到所要求的重量W才控製下料閥門停止投料，然後將物料卸入攪拌箱。由於料倉與秤體之間具有一定的落差，物料投入到秤體時總有一定的速度，因而會對秤體產生一定的衝擊力，設為F。另外，料倉每次卸料可能會殘留一部分，設秤體未卸空量為W留，秤體的皮重為W皮，物料實際重量為W料。上述參量存在以下關係式：

    W料=W－W皮 －W留－F    (1)

分析上式，可知物料計量誤差一方麵來自正秤本身的計量誤差，另一方麵來自物料衝擊力、秤體皮重變化以及秤體未卸空量變化。

    混凝土配料電子負秤計量示意圖如圖2所示。使用時首先將秤體直接裝滿物料，並由計算機質量控製係統借助稱重傳感器測量出物料總重量W_總，然後控製下料閥門由秤體往攪拌箱內投料，物料隻要離開秤體一個微小距離，計算機質量控製係統立即計量出此時秤體的重量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衝擊力、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。隨著傳感器技術和數據處理技術的發展，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，電子負秤用於混凝土配料相對於正秤具有計量原理上的優勢，它以計算機技術和傳感器技術為基礎而得以實現，是一種既有動態又有靜態計量特征的電子秤。

    由於采用電子負秤，可將正秤配料機上下安裝的料倉、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。亦可將正秤配料機使用中的配料、投料兩個分時、順序的工藝過程變成一個，即配料與投料同時進行。簡化了工藝過程，加快了配料速度。

2電子負秤型混凝土自動配料機的硬件組成

該混凝土自動配料機的硬件是由機械設計部分和計算機控製係統組成。由於篇幅所限，機械設計部分此處不再敘述。計算機控製係統是由工控機、信號采集、鍵盤及功能控製開關、控製執行和顯示打印等單元組成。
 

2.1 工控機

工控機是係統的核心單元。主要功能是接收各種參數及命令，采集數據並進行相應的處理，顯示打印各種運行結果，輸出各種控製信號和報警信號等等。

2.2信號采集單元

包括稱重傳感器、放大器和A/D轉換器。傳感器可將物料重量轉換成電信號。此信號經放大器放大後，由A/D轉換成數字信號，以便於計算機處理。

2.3鍵盤及功能控製開關

       作為實現各種功能、各種參數的預置和修改的控製部件。預置或修改後的參數由計算機在線寫入硬盤，可永久保存。

2.4控製執行單元

主要包括光電隔離器、功率放大器、電磁閥及交流接觸器等。微機輸出的電平信號，經光電隔離器隔離和功率放大器放大後，驅動電磁閥及交流接觸器，以達到控製執行機構，實現配料及上料之目的。

2.5顯示、打印單元

    主要功能是將各種設定參數值、計算機處理的數據結果以及工作狀態，通過漢字界麵顯示出來；也可以將各種物料的消耗量統計成各種形式的報表並打印。

3電子負秤型混凝土自動配料機的軟件設計

    由生產過程控製程序和輔助功能程序兩大部分組成。
 

  生產過程控製程序由五個工作流程組成，循環控製並完成水泥、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。每次出料的時間、產量和物料消耗等數據由工控機實時存儲，以備後用。

  輔助功能程序由八個功能模塊組成，通過主菜單進行選擇，承擔係統參數修改、通道標定、打印報表等工作。參數修改過程中，每項內容輸入後，在按回車確認前可隨意修改剛編輯的內容，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過程控製程序之間通過讀寫文件進行數據交換。

     係統開機之後，首先進行密碼校驗。若輸入的密碼不對或在規定時間內無密碼輸入，則進人生產過程控製程序；若輸入的密碼正確，則進入輔助功能程序。這樣可以避免非技術人員隨意進入輔助功能程序修改係統參數。

    整個程序設計具有良好的人機界麵。具有即時提示功能，動態顯示工作狀態，而且操作簡單，具有較強的容錯能力，工人稍加培訓即可上崗。

4誤差分析與修正

    為了提高混凝土自動配料機的配料精度，必須采取一定的措施來消除或減小係統的係統誤差和隨機誤差。

4.1消除係統誤差的方法

由於本係統采用電子負秤計量方式，因此可采取如下算法：將相鄰兩次采樣之間的差值進行累積求和，就可得到總的物料重量。假設第一次采樣值為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：

 

    采用這種算法的優點是可以消除係統誤差。假設每次采樣的係統誤差為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)

    求和後的總重量仍為式(3)，說明稱重結果與係統誤差無關，因而達到了消除係統誤差的目的。

4.2修正隨機誤差的方法

    由於混凝土自動配料機所處昀工作環境非常惡劣。傳感器信號中混雜有高頻噪聲以及50 Hz的工頻幹擾，這是降低係統配料精度的一個重要因素。我們采用軟硬件相結合的方法來消除或減少係統隨機誤差。

    (1)在信號放大通路中設計一個二階以上的有源低通濾波器。同時，對電源進行去耦濾波；

    (2)充分利用計算機豐富的軟件資源，對采樣得到的離散數據進行數值平滑（其實質就是低通濾波）。數值平滑的總原則是既要削弱幹擾成分，又要保持真實信號不失真。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平滑算法等。綜合考慮算法的實現速度、平滑效果以及保持真實信號不失真程序，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。

    當點數很多時，開始兩點和末尾兩點單獨用式(8)－(11)來計算。

    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)

    由於采取了上述措施，係統具有較強的抗幹擾能力和較高的配料精度。

    電子負秤型混凝土自動配料機首次采用電子負秤這一獨特的計量原理，結構設計簡單、合理，具有較高的性能價格比。配料機的高度、體積和重量不到市場上同類產品的1/2；配料速度比同類產品快1/3；配料誤差小於±1%，完全滿足CB10172第六條對混凝土物料計量誤差之要求。該產品對提高我國混凝土施工技術水平，確保工程質量，節約水混等方麵具有重大意義。

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