面向砂料含水率在線檢測(cè)的信息物理系統(tǒng)研究

陳煌彬 吉 旭

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

砂石因價(jià)格低廉，取材方便等諸多特質(zhì)被廣泛應(yīng)用在水泥混凝土、瀝青混凝土、穩(wěn)定土等各種建筑混合料中[1]。但不同于水泥等粉料的全封閉過(guò)程，砂石的獲取，運(yùn)輸，存儲(chǔ)及使用等過(guò)程長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，使砂石本身的含水量產(chǎn)生較大波動(dòng)[2]。

含水量是影響商品混凝土塌落度、和易性和抗壓強(qiáng)度等質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)鍵因素[3]?；炷辽a(chǎn)過(guò)程中，砂石中的水與水泥發(fā)生水化反應(yīng)，需要在配制水量中扣除。而小粒徑砂料的比表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大粒徑碎石，使砂料含水率最高可達(dá)15%，碎石含水率較低，通常不超過(guò)3%，因此砂料含水率的波動(dòng)對(duì)混凝土質(zhì)量的影響遠(yuǎn)大于石料[4]。目前，商砼行業(yè)的通用辦法是，試驗(yàn)室在每日開(kāi)盤(pán)前抽查一次砂料的含水率，作為當(dāng)天混凝土生產(chǎn)中該批次砂料的含水率，由于同批次砂料也存在含水率波動(dòng)較大的情況，該方法不利于實(shí)現(xiàn)混凝土質(zhì)量的嚴(yán)格把控[5]。

因此，本文研究砂料含水率在線檢測(cè)的可行性，并探討面向砂料含水率在線檢測(cè)的信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyberphysical systems） 建設(shè)。

1 砂料含水率在線檢測(cè)

1.1 微波測(cè)濕原理

在多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，進(jìn)展較快、應(yīng)用較多的有微波、激光和紅外等檢測(cè)方法[6]。其中,微波測(cè)濕技術(shù)不僅有電檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),還有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：不接觸、無(wú)損傷、連續(xù)、實(shí)時(shí)、靈敏度高；與采用放射線的檢測(cè)相比，微波無(wú)毒害、環(huán)境友好、易于維護(hù)、成本較低。微波測(cè)濕克服了部分半導(dǎo)體濕度傳感器精度低,因水蒸氣使感濕材料老化、腐蝕、溶解等缺點(diǎn)[7]。

水分子是強(qiáng)極性的偶極子，在外電場(chǎng)作用下，極化程度遠(yuǎn)大于其它物質(zhì)。在微波頻段，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)水的介電系數(shù)區(qū)分明顯，而水比其他物質(zhì)的介電系數(shù)大得多[8]。因此，測(cè)量微波通過(guò)含水物質(zhì)時(shí)的衰減系數(shù)、相移常數(shù)、諧振腔的諧振頻率等，計(jì)算出介電常數(shù)，從而得到物質(zhì)中的含水量。

為驗(yàn)證微波測(cè)濕器的砂料含水檢測(cè)效果，采用如圖1所示微波測(cè)濕器進(jìn)行研究，并與傳統(tǒng)離線法進(jìn)行對(duì)比。由于測(cè)濕器與砂料接觸，所以同時(shí)對(duì)比分析安裝角度對(duì)測(cè)濕效果的影響。

微波測(cè)濕器安裝位置主要有三種：砂倉(cāng)內(nèi)、投料口正下方或平皮帶正上方。對(duì)比三處位置，綜合考慮測(cè)量準(zhǔn)確性、安裝難度和校準(zhǔn)維護(hù)難度等因素，最終將測(cè)濕器安裝在卸料口正下方。圖2為測(cè)濕器現(xiàn)場(chǎng)示意圖。

圖1 微波測(cè)濕器Fig.1 Microwave moisture-testing sensor

圖2 微波測(cè)濕器現(xiàn)場(chǎng)示意圖Fig.2 On-site sketch of microwave mositure-measurement sensor

1.2 傳統(tǒng)離線法與微波測(cè)濕法

實(shí)驗(yàn)方案（每車15方混凝土，單盤(pán)3方，共5盤(pán)；預(yù)計(jì)需要10車）：

1）在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的情況下，白天光線充足時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保證試驗(yàn)人員安全，同時(shí)減少試驗(yàn)期間砂料含水率的波動(dòng)。

2） 生產(chǎn)前，準(zhǔn)備試驗(yàn)所需砂料（人工砂） 70-75t，在該堆砂料按照等高原則，選取5個(gè)不同位置，各裝取一桶足量砂料，由高到低依次編號(hào)為A1、A2、A3、A4、A5。

3）各取不同編號(hào)砂桶的砂料1kg，采用傳統(tǒng)烘干法進(jìn)行含水率測(cè)量，求出5桶砂料的算術(shù)平均值，得出該批砂料的實(shí)際含水率。

表1 傳統(tǒng)離線法Tab.1 Traditional off-line method

表2 微波測(cè)濕法Tab.2 Microwave moisture-measurement method

4）在步驟3進(jìn)行的同時(shí)，生產(chǎn)人員將剩余砂料正常裝卸至相應(yīng)的砂倉(cāng)，后續(xù)步驟與生產(chǎn)流程一致。在投料過(guò)程中，依次記錄5盤(pán)砂料（人工砂）卸料時(shí)，測(cè)濕傳感器（此時(shí)安裝角度為45°）顯示的含水率讀數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

數(shù)據(jù)分析：

微波測(cè)濕器法比傳統(tǒng)離線法低0.308%，偏差小，符合砂石含水狀態(tài)理論。對(duì)比傳統(tǒng)離線法不同高度的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)A1-A5組含水率數(shù)據(jù)呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，符合露天砂料堆含水率隨高度逐增的走勢(shì)。對(duì)于含水率偏差，離線法數(shù)值波動(dòng)較大，有兩組數(shù)據(jù)偏離均值0.4%以上；微波法偏差均在0.2%以內(nèi)，較穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)差方面，離線法為0.425，微波法為0.115，離線法數(shù)據(jù)組偏離均值程度較高。

對(duì)表1、2的分析可知，所運(yùn)用的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段，其測(cè)量數(shù)據(jù)均在較低的誤差范圍內(nèi)，測(cè)量數(shù)據(jù)集中度較高，偏差較小，能夠用于砂料含水率的在線檢測(cè)。

表3 不同安裝角度的含水率數(shù)據(jù)Tab.3 Moisture content data of different installation angles

1.3 微波測(cè)濕器最佳安裝角度

為研究微波測(cè)濕器安裝角度對(duì)含水率測(cè)量的影響，試驗(yàn)人員在安裝位置不變的情況下，依次調(diào)整測(cè)濕器角度為15°,25°，35°，45°，55°，65°，75°，90°。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

該批砂料的標(biāo)準(zhǔn)含水率取測(cè)濕器安裝角度為45°時(shí)的微波法檢測(cè)結(jié)果：5.932。

傳感器安裝角度較小時(shí)，含水率測(cè)量值偏小且波動(dòng)大。觀察生產(chǎn)投料，此時(shí)測(cè)濕器陶瓷面板與水平線接近垂直，砂料與測(cè)濕器面板接觸時(shí)間短，微波測(cè)量過(guò)程不充分，含水率偏小且波動(dòng)大。

傳感器安裝角度較大時(shí)，含水率測(cè)量值較穩(wěn)定，略大于標(biāo)準(zhǔn)含水率，偏差較小。觀察生產(chǎn)投料，此時(shí)測(cè)濕器與水平線接近平行，砂料與測(cè)濕器陶瓷面板充分接觸，微波測(cè)量充分。但時(shí)常出現(xiàn)砂料堆積在面板的情況，后續(xù)投放的砂料不能夠被檢測(cè)，測(cè)出的含水率基本是同盤(pán)次砂料，不能實(shí)時(shí)反映砂料含水率的變化。

當(dāng)測(cè)濕器安裝角度在35°至55°時(shí)，測(cè)濕器檢測(cè)效果較好，含水率數(shù)值較穩(wěn)定，接近標(biāo)準(zhǔn)含水率數(shù)值。分別對(duì)35°,45°及55°的含水率數(shù)值進(jìn)行集中度分析，

準(zhǔn)差反映對(duì)象數(shù)據(jù)的離散程度，表征其所有數(shù)值偏離平均值的幅度，故標(biāo)準(zhǔn)差越小，數(shù)據(jù)越集中，所測(cè)量的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確可靠。通過(guò)對(duì)比，安裝角度為45°時(shí)，測(cè)濕器測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)幅度較小。因此，建議45°為測(cè)濕器的實(shí)際安裝角度，以期減小含水率測(cè)量的誤差。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)烘干法測(cè)量，微波測(cè)濕器含水率在線檢測(cè)具有實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。除了安裝位置，安裝角度對(duì)含水率測(cè)量也有明顯影響，最佳安裝角度為45°。

2 混凝土廠站CPS建設(shè)

傳統(tǒng)的單點(diǎn)技術(shù)已不能適應(yīng)新一代生產(chǎn)裝備信息化和網(wǎng)絡(luò)化的需求，在計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)迅速發(fā)展，信息化和工業(yè)化進(jìn)一步融合的背景下，信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System,CPS)順勢(shì)出現(xiàn)，其作為當(dāng)前自動(dòng)化控制領(lǐng)域的前沿研究方向，相關(guān)研究工作已取得初步的進(jìn)

展[9]。

CPS支撐信息化和工業(yè)化的深度融合，通過(guò)集成先進(jìn)的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化[10]。CPS分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)三個(gè)層次，由四大核心技術(shù)要素構(gòu)成，包括：感知和自動(dòng)控制、工業(yè)軟件、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)云和智能服務(wù)平臺(tái)[11]。

CPS通過(guò)計(jì)算、通信與控制技術(shù)的有機(jī)與深度融合，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)[12]。含水率在線檢測(cè)CPS的基本組成包括傳感器、控制執(zhí)行單元和計(jì)算處理單元，如圖3所示。

圖3 含水率在線檢測(cè)CPS基本組成單元Fig.3 Basic component unit of CPS for on-line moisture content measurement

測(cè)濕器對(duì)砂料含水量進(jìn)行采集，計(jì)算處理單元對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，控制執(zhí)行單元根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)砂料稱量施加控制，其中通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

含水率在線檢測(cè)系統(tǒng)是CPS建設(shè)的組成部分，對(duì)廠站而言，最關(guān)鍵的是把散布在廠站角落的傳感器，設(shè)備，數(shù)據(jù)，系統(tǒng)，用戶等集成在一個(gè)整體的架構(gòu)下。圖4是混凝土廠站的CPS應(yīng)用架構(gòu)。

對(duì)于CPS建設(shè)，系統(tǒng)集成是重要一環(huán)。廠站系統(tǒng)集成（FactorySystems Integration,FSI)，是通過(guò)結(jié)構(gòu)化的綜合布線系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將散落各處的設(shè)備（如溫度、壓力、濕度傳感器等）、功能和信息等集成到關(guān)聯(lián)、統(tǒng)一和協(xié)同的系統(tǒng)中，使資源達(dá)到充分共享，實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的管理[13]。廠站系統(tǒng)集成應(yīng)采用功能集成、網(wǎng)絡(luò)集成、軟件界面集成等多種集成技術(shù)。系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在與解決異源系統(tǒng)之間的互連和互操作問(wèn)題，它是一個(gè)多廠商、多協(xié)議和面向各種應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)。這需要解決各類設(shè)備、子系統(tǒng)間的接口、協(xié)議、系統(tǒng)平臺(tái)、應(yīng)用軟件等與子系統(tǒng)、建筑環(huán)境、施工配合、組織管理和人員配備相關(guān)的一切面向集成的問(wèn)題[14,15]。簡(jiǎn)言之，廠站系統(tǒng)集成是將不同的系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用需要，有機(jī)地組合成一個(gè)一體化、功能更強(qiáng)大的新型系統(tǒng)的過(guò)程和方法。

因此，對(duì)于目前混凝土廠站的CPS研究，亟需制定一個(gè)自頂向下，包含軟硬件系統(tǒng)的綜合解決方案來(lái)指導(dǎo)廠站的信息化和智能化建設(shè)。

圖4 混凝土廠站CPS應(yīng)用架構(gòu)Fig.4 Application architecture of CPS in concrete plant

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用微波測(cè)濕器技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)離線法與微波測(cè)濕器在線檢測(cè)法的優(yōu)劣，證明在線檢測(cè)法的可行性，并確定測(cè)濕器的最佳安裝角度為45°。以此為基礎(chǔ)，討論混凝土廠站CPS建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在于如何將散落在廠站各處的系統(tǒng)集成到一個(gè)智能生產(chǎn)平臺(tái)上，為混凝土廠站的智能化建設(shè)提出自己的探索。