孫玉齊，鄭木蓮，薛 茹

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學院，楊凌 712100；2.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064；3.陜西交通建設(shè)養(yǎng)護工程有限公司，西安 710119）

0 引言

近些年建筑業(yè)發(fā)展迅猛，工程材料使用量迅速增加，高質(zhì)量建筑原材材料由于其自然屬性導致存量急劇下降，使拌合站不得不選擇質(zhì)量一般的粗細集料。粗細集料占混凝土體積的70%以上，對混凝土性能有著重要的影響[1]。含泥量是質(zhì)量標準[2,3]中最基本的評價指標，含泥量的大小將影響混凝土拌合物性能和后期強度[4～6]。試驗結(jié)果的準確性將影響材料選擇和施工過程的質(zhì)量控制，對建筑的質(zhì)量至關(guān)重要。

設(shè)計開發(fā)出的混凝土用粗細集料含泥量自動測定儀，可以達到全自動化試驗和可視化控制[7]參數(shù)設(shè)定界面調(diào)整相結(jié)合，試驗結(jié)果自動處理及儲存輸出智能化為一體。消除以人工清洗和經(jīng)驗判斷清洗狀態(tài)作為試驗結(jié)果，造成試驗過程中不可控風險增大，導致試驗結(jié)果差異性大的風險。利于減輕試驗人員勞動量，降低操作經(jīng)驗要求。在現(xiàn)代試驗室標準化建設(shè)中有深遠意義。

1 儀器總體設(shè)計方案

粗細集料含泥量全自動測定儀是按照規(guī)范試驗過程進行整體設(shè)計，利用機械結(jié)構(gòu)替代人為操作，排除了干擾試驗結(jié)果準確性因素。把清洗、干燥、稱量和數(shù)據(jù)處理過程利用中央控制系統(tǒng)進行集中管理控制，形成全自動化試驗和可視化控制參數(shù)設(shè)定的智能試驗儀，其中央控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中央控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

儀器包括硬件的的8個不同功能單元和軟件的一個中央控制系統(tǒng)（PAC）。各功能單元同中央控制系統(tǒng)（PAC）[8]之間的信號關(guān)系如圖1中箭頭所示。實體結(jié)構(gòu)框架為圓柱形保溫箱，將各功能單元依據(jù)功能需要合理布置在內(nèi)外結(jié)構(gòu)體上。自動稱量單元只將最初干燥粗細集料質(zhì)量值和清洗干燥后終值反饋給中央控制系統(tǒng)[9]。給水單元接受中央控制系統(tǒng)信號完成開關(guān)給水過程。自動抬升私服驅(qū)動旋轉(zhuǎn)單元接受中央控制系統(tǒng)信號進行啟動和關(guān)閉[10]。清洗單元接收信號后進行儀器內(nèi)部清洗。水位測定信號單元發(fā)出水位信號到中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)編碼程序發(fā)出信號給排水單元進行排水。水質(zhì)單元將清洗粗細集料水的水質(zhì)數(shù)值反饋給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)數(shù)值確定是否繼續(xù)清洗粗細集料。自動加熱測溫系統(tǒng)接收中央控制系統(tǒng)信號[11]進行加熱烘干粗細集料，當測溫反饋信號達到規(guī)定溫度時，中央控制系統(tǒng)控制加熱，保證恒溫狀態(tài)，粗細集料干燥結(jié)束停止加熱。自動稱量單元將質(zhì)量終值反饋給中央控制系統(tǒng)，試驗數(shù)據(jù)收集完成，中央控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)輸出結(jié)果，保存數(shù)據(jù)結(jié)果，試驗結(jié)束。

2 各單元結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 自動稱量單元

自動稱量單元采用懸掛式電子稱量計，稱量電信號直接輸入到中央控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)顯示稱量數(shù)值。稱量分為兩階段：1）初值稱量。在最初加入試驗材料開始試驗時稱量，中央控制系統(tǒng)獲得初值后記錄儲存數(shù)值，并發(fā)出信號給水單元和自動抬升私服驅(qū)動旋轉(zhuǎn)單元，自動抬升私服驅(qū)動旋轉(zhuǎn)單元運行抬升懸掛體分離與電子計量計連接，初值稱量結(jié)束；2）終值稱量。自動抬升私服驅(qū)動旋轉(zhuǎn)單元收到中央控制系統(tǒng)信號返回原位，懸掛體下降同電子計量計連接，稱量出結(jié)果信號發(fā)送到中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)獲得終值后記錄儲存數(shù)值，并切斷自動稱重單元電源。自動稱重單元完成一次試驗過程稱重功能。

2.2 給水單元

采用SLGPC5404-04-AC24V-D電磁閥，使用環(huán)境溫度（-5℃～180℃），管直徑1/2英寸。接收到中央控制系統(tǒng)發(fā)出電信號啟動電磁閥向粗細集料洗篩中注水，達到設(shè)定水位高度后，激發(fā)水位測定信號單元發(fā)出信號給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)發(fā)出信號斷開電磁閥，停止注水。達到石料浸泡時間后，中央控制系統(tǒng)發(fā)出電信號控制排水系統(tǒng)單元排水和啟動給水管電磁閥向砂石洗篩中注水，直至清洗完成斷開電磁閥，給水單元一次試驗過程工作完成。

2.3 自動抬升私服驅(qū)動單元

自動抬升私服驅(qū)動包括驅(qū)動私服電機及尾部合頁固定裝置、錐形偏心驅(qū)動齒盤、水平圓弧滑動導軌、驅(qū)動軸軸承支座、彈簧復位裝置和電磁吸附裝置。各結(jié)構(gòu)組合完成懸掛體抬升、懸掛體旋轉(zhuǎn)、及懸掛體的上下晃動。

采用私服電機尾部加合頁固定裝置，保證電機及前端提升和懸掛體旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置可以繞合頁軸沿水平圓弧滑動導軌轉(zhuǎn)動。電磁吸附裝置采用XDA-1564-DC24v長時間通電長行程框架推拉式電磁鐵，其吸附力提供水平轉(zhuǎn)動驅(qū)動力。轉(zhuǎn)動過程中借助主動齒輪前端設(shè)計的錐形體將從動齒輪抬升，同時私服電機根據(jù)中央控制系統(tǒng)的信號輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速[10]，帶動懸掛體轉(zhuǎn)動。主動輪同私服電機采用偏心連接，使從動齒輪同時可以上下晃動[12]。水位達到規(guī)定高度時，水位測定信號單元發(fā)出信號給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)發(fā)出指令停止私服電機轉(zhuǎn)動。達到浸泡時間后，伺服電機根據(jù)中央控制信號輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)速，開始砂石清洗過程。水質(zhì)測定單元測定水質(zhì)數(shù)值達到要求后，中央控制系統(tǒng)發(fā)出指令停止私服電機轉(zhuǎn)動。砂石干燥完成后，中央控制系統(tǒng)發(fā)出指令關(guān)閉電磁吸附裝置。在電磁吸附裝置另一側(cè)的伺服電機前部殼體上連接的拉簧裝置將電機及前端提升和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置水平沿圓弧滑動導軌平轉(zhuǎn)回原位，從動輪下降，懸掛體同電子稱重懸掛結(jié)構(gòu)結(jié)合。一次試驗自動抬升私服驅(qū)動旋轉(zhuǎn)單元工作完成。工作關(guān)系流程圖如圖2所示。

圖2 工作關(guān)系流程圖

2.4 水位測定信號單元及清洗單元

水位測定信號單元利用豎直固定導軌加滑動浮塊組成，在不同水位高度設(shè)信號觸發(fā)裝置，完成上限水位信號輸出，和下部水位信號輸出。通過第一次上限水位輸出信號被中央控制系統(tǒng)接收，中央控制系統(tǒng)發(fā)出停止注水信號給給水單元。第二次上限水位輸出信號被中央控制系統(tǒng)接收，中央控制系統(tǒng)發(fā)出排水信號給排水單元。當水位達到低位時，通過第一次下限水位輸出信號被中央控制系統(tǒng)接收，中央控制系統(tǒng)發(fā)出打開排水單元電磁閥信號。當清洗單元完成清洗，排完水后電磁閥關(guān)閉。

清洗單元主要是在儀器內(nèi)部環(huán)形設(shè)6個高位噴頭，對粘結(jié)泥土的網(wǎng)篩和儀器內(nèi)壁進行沖洗。采用加壓循環(huán)泵給沖洗噴頭供水。噴頭采用旋噴形式，覆蓋圓柱體內(nèi)部所有外漏部位。控制過程是中央控制系統(tǒng)收到水位測試信號單元高低水位信號后，發(fā)出指令信號開關(guān)清洗單元電磁閥為噴頭供水。

2.5 排水單元

排水系統(tǒng)設(shè)計排水時間5s～10s，以保證排石時間不宜太長，以獲得水的高流速儀器內(nèi)部底板起到一定的清洗作用，也防止污物沉積，并且使清洗單元有足夠清洗時間。結(jié)構(gòu)上利用電磁閥作為控制閥門，接收中央控制系統(tǒng)的開啟關(guān)閉信號并執(zhí)行。電磁閥采用SLGPC5404-15-AC24V-D電磁閥，使用環(huán)境溫度溫度（-5℃～180℃），管直徑2.0英寸。

2.6 水質(zhì)測定單元和自動加熱測溫單元

水質(zhì)測定單元主要是一部型號為MIK-PTU200的在線水質(zhì)自動測定儀。安裝在水位中值部位安裝一部安裝型號，當水位將水質(zhì)信號直接傳遞到中央控制系統(tǒng)，當水位測定信號單元測定水位達到上限水位時，開啟水質(zhì)測試。測試結(jié)果直接輸送中央控制系統(tǒng)后，水質(zhì)測試完成一回測試關(guān)閉，中央控制系統(tǒng)保留測試值至下一次測試結(jié)果替代。當水質(zhì)測試值打到要求值以下時，觸發(fā)中央控制系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閉給水單元和私服驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機信號并發(fā)出開啟自動加熱測溫單元，水質(zhì)測試單元完成一次試驗。

在容器內(nèi)壁安裝電阻絲和電偶測溫計構(gòu)成自動加熱測溫單元。當中央控制系統(tǒng)發(fā)出開啟信號后，電阻絲開始通電加熱，電偶測溫計開始測試溫度并把測試結(jié)果輸送到中央管理系統(tǒng)。當溫度到達設(shè)定值時，中央管理系統(tǒng)控制自動加熱測溫單元使容器內(nèi)部恒溫到設(shè)定時間長度后關(guān)閉自動加熱測溫單元。同時發(fā)出指令斷開自動抬升私服驅(qū)動旋轉(zhuǎn)單元的電磁吸附裝置電源。自動抬升私服驅(qū)動旋轉(zhuǎn)單元返回原位，從動輪下降，懸掛體同電子稱重懸掛結(jié)構(gòu)結(jié)合。

3 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)是各系統(tǒng)聯(lián)系的紐帶，他起到信號接收存儲信號并發(fā)出下一步指令的作用。在系統(tǒng)里設(shè)定一些相關(guān)參數(shù)，以控制各單元進行下一步的時間，并根據(jù)稱量結(jié)果的初值和終值計算試驗結(jié)果并顯示。中央控制系統(tǒng)界面如下圖3所示。中央控制系統(tǒng)可以接入水質(zhì)測定信號，電偶溫度計溫度信號和水位測定信號并根據(jù)編制程序發(fā)出下一步指令信號。其中：F1為伺服電機轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)定鍵、F2為水質(zhì)參數(shù)設(shè)定鍵、F3為干燥時間參數(shù)設(shè)定鍵、F4為浸泡時間參數(shù)設(shè)定鍵。

圖3 中央控制系統(tǒng)界面

中央控制系統(tǒng)，是基于對象、開放數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)連接功能的PAC控制器，能夠滿足粗細集料含泥量自動測定儀各單元控制需要。利用PAC控制器編程功能，將不同規(guī)范粗細集料試驗程進行編程輸入后形成了試驗的自動化控制。對參數(shù)的設(shè)定，能夠滿足不同試驗要求，提高了儀器的適用面。

4 結(jié)論

本文介紹了全自動粗細集料含泥量測定儀設(shè)計方案與各功能單元的工作原理，對各單元主要發(fā)揮的功能和實現(xiàn)流程進行了較為詳細的闡述。利用可編程自動化（PAC）作為中央控制系統(tǒng)，將各功能單元之間的信號接收及下一步指令信號發(fā)送按預定程序完成。可視化的參數(shù)設(shè)定界面，為不同試驗方法之間轉(zhuǎn)換提供了平臺。測試試驗結(jié)果同試驗人員測試結(jié)果擬合度高，儀器長期使用可靠性良好，具有較高的應(yīng)用價值。