基于Modbus協(xié)議的混凝土工作性測控儀

呂國芳，李 鋼，田正宏

(1．河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 211100；2．河海大學水利水電學院，江蘇南京 211100)

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基于Modbus協(xié)議的混凝土工作性測控儀

呂國芳1，李 鋼1，田正宏2

(1．河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 211100；2．河海大學水利水電學院，江蘇南京 211100)

針對傳統(tǒng)混凝土工作性測試方法在測量精度、信息存儲、人機操作等方面存在的不足，設計了一種基于Modbus協(xié)議的新型智能混凝土工作性測控儀。運用流變學理論設計了十字型攪拌軸，利用單片機控制系統(tǒng)和多套獨立小型電機實現(xiàn)了自動連續(xù)測試，通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)了單片機和監(jiān)控軟件之間的通訊。實驗結(jié)果表明：測控儀工作穩(wěn)定可靠、測量精度高、人機交互性好，能夠有效測試混凝土的工作性參數(shù)。

Modbus協(xié)議；混凝土；測控儀；流變學；單片機

0 引言

近幾年來，隨著基礎設施的推進，我國混凝土產(chǎn)量已經(jīng)成為全球第一，增長趨勢還在不斷擴大。測試混凝土工作性的研究也取得了相當多的成果，如雙筒軸回旋粘度計法、BTRHEOM式葉片流變儀、BMH混凝土流變儀等[1]，但這些測試儀器在測試精度、信息存儲、人機操作上都存在著一定的局限性。為解決這些不足，設計了一款具有通信可靠、組態(tài)靈活、電路簡單等顯著優(yōu)點的智能化混凝土工作性測控儀。

混凝土工作性測控儀主要是用于環(huán)境比較惡劣的工地，受粉塵、噪音、振動等干擾多。當混凝土攪拌車泵送混凝土時，用測控儀來連續(xù)自動采集新拌混凝土的工作性參數(shù)，能為現(xiàn)場施工提供可靠的依據(jù)，減輕測試人員負擔。

1 測控儀總體概述

1．1 測控儀檢測參數(shù)簡介

對于混凝土，流變學研究的是從新拌混凝土階段到硬化階段過程中粘性、塑性和彈性的變化規(guī)律。新拌混凝土階段與混凝土工作性相關的是混凝土的流變特征，即它的流變參數(shù)：屈服應力τ0和粘滯系數(shù)η．研究表明新拌混凝土的流變特征符合賓漢姆模型[2]，它的流變方程為：

τ=τ0+ηγ

(1)

式中：τ為剪切應力；γ為剪切速率。

運用流變學理論并參照工程力學中的十字板剪切試驗設計了如圖1所示的十字型攪拌軸，為了更好地反映新拌混凝土的內(nèi)聚性，外筒為料斗盒。

圖1 十字攪拌軸

測控儀通過電機帶動旋轉(zhuǎn)葉片在料斗盒中攪拌混凝土拌合物，再由扭矩傳感器測出旋轉(zhuǎn)葉片在轉(zhuǎn)速n下的扭矩M，可得剪切應力τ：

(2)

式中：D為旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)直徑；h為旋轉(zhuǎn)葉片的葉片長度。

由轉(zhuǎn)速n可計算混凝土的剪切速率γ：

(3)

式中：R為料漿盒高度；r為旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)半徑。

根據(jù)剪切應力τ和剪切速率γ可繪制出新拌混凝土的流變曲線圖，通過曲線一次擬合可得流變方程直線，從而確定混凝土的屈服應力τ0和粘滯系數(shù)η，進而分析新拌混凝土的工作性。

1．2 總體設計

測控儀利用具有片上功能的MSP430單片機設計一個在線傳動測試系統(tǒng)，通過液壓電機控制儀器的機械運動。測控裝置根據(jù)混凝土的流變特性采用旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)構(gòu)，由步進電機以低速-高速-低速帶動旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動從而獲得旋轉(zhuǎn)扭矩，旋轉(zhuǎn)扭矩通過扭矩傳感器顯示并存儲到觸摸屏上。因此，該測控儀由人機交互部分、傳感部分、傳動控制部分、機械結(jié)構(gòu)部分等組成，是典型的機、電、氣、磁一體化智能產(chǎn)品，設計的智能化新拌混凝土工作性測控儀如圖2所示。

圖2 智能化新拌混凝土工作性測控儀

電氣控制柜中裝有電氣控制裝置CPU板、繼電器、步進電機控制盒等，主要完成程序執(zhí)行、人機交互、通信、A/D轉(zhuǎn)換和液壓控制等功能，其功能圖如圖3所示。

圖3 控制裝置功能圖

鑒于人機交互環(huán)境在新拌混凝土工作性測控儀中的重要性，為了能夠與MSP430單片機進行有效、準確的通訊，人機界面選擇支持Modbus協(xié)議的觸摸屏作為監(jiān)控設備，用來完成數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設定、報警監(jiān)控等功能。

1．3 Modbus通訊協(xié)議

Modbus通訊協(xié)議采用主從技術，可以實現(xiàn)雙向讀寫，具有開放性、通用性和高擴展性等優(yōu)點，得到許多工業(yè)智能化產(chǎn)品的支持[3]。通訊過程中先由主機進行初始化傳輸，建立正確的消息幀格式，從機根據(jù)主機查詢提供的數(shù)據(jù)，基于Modbus協(xié)議建立相應的答復消息。Modbus協(xié)議的查詢與響應周期如圖4所示[4]。

圖4 Modbus協(xié)議查詢與響應

測控儀根據(jù)項目要求建立觸摸屏與單片機的實際地址聯(lián)系，并且按照Modbus協(xié)議編寫觸摸屏與單片機的通訊程序，準確實現(xiàn)用觸摸屏顯示單片機中位狀態(tài)變化，完成設定數(shù)值與顯示數(shù)值等功能。

2 硬件系統(tǒng)設計

2．1 扭矩傳感器

文中的測控系統(tǒng)中，混凝土在攪拌過程中的扭矩是測量混凝土工作性的一個重要指標，如圖5所示把十字型攪拌軸的剪切面看作是一個圓筒面。

圖5 十字軸剪切面

可以看出受剪切應力的面為側(cè)面和底面，假設剪切應力為τ，則所受扭矩為：

(4)

文中計算取混凝土拌合物屈服應力τ0為600 Pa，粘滯系數(shù)η取40 Pa·s，剪切速率取最大值67 s-1，由流變方程計算得到剪切應力τ=3 280 Pa，由公式(4)計算得到扭矩值M=3.1 N·m，考慮到重力等因素，因此所選扭矩傳感器的扭矩量程為0～5 N·m．

2．2 機械驅(qū)動電路

在測控儀的機械裝置部分，需要用到軌道電機、料漿盒底座升降電機和操作平臺升降電機。軌道電機帶動2個料漿盒完成位置旋轉(zhuǎn)變化，主要克服軌道的摩擦力；料漿盒底座升降電機用來完成采料和卸料的工作；平臺升降電機主要負責整個平臺的升降，方便操作人員的實驗操作和工具清洗。文中采用的電機驅(qū)動是雙向液壓泵，只需要控制液壓泵上的電磁閥即可，控制電路如圖6所示。

圖6 液壓泵控制電路圖

2．3 通訊電路

由于MSP430F149引腳的輸出電平為TTL電平，而觸摸屏通信模塊的串口支持通信工業(yè)中應用最廣泛的RS232串行通訊，所以使用RS232驅(qū)動芯片MAX3232來進行電平轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)串口通信功能。串口UART電路如圖7所示，TTL/CMOS輸入信號與MSP430F149的UART輸入/輸出口對接。

圖7 單片機與觸摸屏的通訊電路圖

3 軟件設計

觸摸屏與單片機的通訊需要根據(jù)觸摸屏采用的Modbus協(xié)議，為單片機編寫相應的通訊程序。系統(tǒng)程序主要是觸摸屏的人機界面程序和單片機的數(shù)據(jù)接收處理程序。

3．1 觸摸屏端程序

觸摸屏作為上位機利用組態(tài)軟件進行編程，用戶通過對人機界面上控件的編輯就可完成觸摸屏端的程序設計，觸摸屏的界面包括實時監(jiān)測、儀器升降控制、數(shù)值顯示和歷史查詢這4個窗口。

用戶在程序設計前首先要對觸摸屏的系統(tǒng)參數(shù)進行設置。將通訊類型設置為Modbus RTU模式，通訊接口選擇成RS232，波特率，數(shù)據(jù)位，校驗位，停止位的參數(shù)與單片機保持相同，站號與單片機定義的站地址一樣。人機界面程序下載到觸摸屏后，一旦上電就會對程序中從機的地址發(fā)出請求信息[5-6]。

3．2 單片機端程序

單片機端的程序主要有系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理等程序。系統(tǒng)進行通信時，先要對單片機的波特率、通信方式、串口中斷使能等進行相應的初始化操作[7-8]，主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

數(shù)據(jù)處理分析流程如圖9所示，當單片機接收到觸摸屏發(fā)送的指令后，首先要對從機號進行驗證[9]。若從機號符合，就將接收到的指令存放到緩沖區(qū)中，并且通知主程序進行相應處理；若從機號不符合，程序?qū)⒅苯臃祷夭⒌却乱恢噶畹牡絹怼．斢|摸屏和單片機通訊時，通過循環(huán)冗余校驗(Cyclical Redundancy Check，CRC)能夠有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，如果校驗出錯，程序?qū)⒉贿M行下一步處理，會直接返回。

圖9 數(shù)據(jù)處理分析流程圖

4 實驗結(jié)果及分析

新拌混凝土工作性測控儀是一種可以連續(xù)自動測試混凝土拌合物工作性的測控裝置，其穩(wěn)定性對其測量結(jié)果有著重要的意義[10]，表1為選取的同一配合比下的混凝土拌合物。

表1 混凝土配合比

測試并獲取同一配合比下不同組混凝土的扭矩值和對應的轉(zhuǎn)速值如表2所示，其中扭矩值用電壓V表示。

表2 同一配合比不同轉(zhuǎn)速下的扭矩值

由表2可以看出，同一轉(zhuǎn)速下所測扭矩值波動不大。測試系統(tǒng)經(jīng)過長時間連續(xù)運行，運行正常，測試數(shù)據(jù)未見劇烈波動，因此所研制的新拌混凝土工作性測控儀是穩(wěn)定的。

變換混凝土水灰比分別為0.35、0.40、0.45、0.50、0.55，其他參數(shù)保持不變，測量不同轉(zhuǎn)速下的扭矩值。經(jīng)過計算可以得到混凝土在不同水灰比下的剪切速率及相對應的剪切應力，通過曲線一次擬合可以獲得如表3所示的流變參數(shù)。

表3 不同水灰比下混凝土的流變參數(shù)

由表3屈服應力和粘滯系數(shù)的變化可以看出，當水灰比較小時，由于混凝土過于黏稠而不易流動，旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動容易產(chǎn)生擠壓而使得摩擦力較大；隨著水灰比的增大，混凝土拌合物的流動性增大，屈服應力有減小的趨勢；當水灰比達到0.5時，會有一個最小的屈服應力，此時混凝土拌合物的摩擦系數(shù)最??；隨著水灰比的再次增大，混凝土具有離析、泌水的傾向，粗骨料和漿體分離使得與旋轉(zhuǎn)葉片的摩擦力也增大，因此屈服應力也呈現(xiàn)增大的趨勢。

因此，實驗通過改變混凝土的水灰比值，可以準確得到混凝土工作性的變化情況，說明測控儀能夠精確地反映混凝土的工作性，并且能夠運用到實際工程中。此外，還可以通過改變混凝土的砂率、減水劑摻量、粉煤灰摻量來反映混凝土工作性的變化情況。

5 結(jié)論

智能化新拌混凝土工作性測控儀運用流變學理論通過十字型攪拌軸和扭矩傳感器能準確地反映混凝土的工作性，并利用性能可靠的單片機控制系統(tǒng)和多套獨立小型電機實現(xiàn)了自動連續(xù)測試，排除了人工操作因素的影響，能全面地反映混凝土工作性，實現(xiàn)了精確化、自動化、信息化、可視化。目前，該智能化新拌混凝土工作性測控儀已成功應用于施工現(xiàn)場，并且受到現(xiàn)場操作人員的一致認可。

[1] 周娟．影響新拌混凝土工作性的因素及改善措施．山西建筑，2012，38(26)：130-132．

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[5] 韓兵．觸摸屏技術及應用．北京：化學工業(yè)出版社，2008．

[6] 姚福來，孫鶴旭．組態(tài)軟件及觸摸屏綜合應用技術速成．北京：電子工業(yè)出版社，2011．

[7] 洪利，章?lián)P，李世寶．MSP430單片機原理與應用實例詳解．北京：北京航空航天大學出版社，2010．

[8] 沈建華，楊艷琴．MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐．北京：北京航空航天大學出版社，2008．

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[10] 周霞．新拌混凝土工作性測試系統(tǒng)的研究與設計：[學位論文]．南京：河海大學，2010．

Measure and Controller of Concrete Workability Based on Modbus Protocol

LV Guo-fang1，LI Gang1，TIAN Zheng-hong2

(1．College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China；2．College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China)

In order to overcome the shortage of traditional method on testing concrete workability in measurement accuracy,information storage,human machine operation and so on,a novel measure and controller of concrete workability based on Modbus was proposed.The paper applied rheological theory to design a cross-shaped mixer shaft,used single chip microcomputer control system and multiple independent sets of small motors for automated continuous testing,and achieved communication between single chip microcomputer and monitoring software.The experimental results show that this instrument is stable and reliable,which processes high measurement accuracy and friendly human-machine interface and it can achieve parameters of concrete workability effectively.

modbus protocol; concrete; measure and controller; rheology; signal chip microcomputer;

李亞萍(1988—)，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)及應用、智能儀器儀表。E-mail：lypamm@163．com

2013-11-06 收修改稿日期：2014-11-05

TP216

A

1002-1841(2015)01-0041-03