面向砂料含水率在線檢測的信息物理系統研究

陳煌彬 吉 旭

（四川大學化學工程學院，四川 成都 610065）

砂石因價格低廉，取材方便等諸多特質被廣泛應用在水泥混凝土、瀝青混凝土、穩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程，砂石的獲取，運輸，存儲及使用等過程長時間暴露在空氣中，使砂石本身的含水量產生較大波動[2]。

含水量是影響商品混凝土塌落度、和易性和抗壓強度等質量指標的關鍵因素[3]。混凝土生產過程中，砂石中的水與水泥發生水化反應，需要在配制水量中扣除。而小粒徑砂料的比表面積遠遠大于大粒徑碎石，使砂料含水率最高可達15%，碎石含水率較低，通常不超過3%，因此砂料含水率的波動對混凝土質量的影響遠大于石料[4]。目前，商砼行業的通用辦法是，試驗室在每日開盤前抽查一次砂料的含水率，作為當天混凝土生產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較大的情況，該方法不利于實現混凝土質量的嚴格把控[5]。

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

1 砂料含水率在線檢測

1.1 微波測濕原理

在多種無損檢測技術中，進展較快、應用較多的有微波、激光和紅外等檢測方法[6]。其中,微波測濕技術不僅有電檢測的優點,還有一些獨特的優點：不接觸、無損傷、連續、實時、靈敏度高；與采用放射線的檢測相比，微波無毒害、環境友好、易于維護、成本較低。微波測濕克服了部分半導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[7]。

水分子是強極性的偶極子，在外電場作用下，極化程度遠大于其它物質。在微波頻段，不同波長對應水的介電系數區分明顯，而水比其他物質的介電系數大得多[8]。因此，測量微波通過含水物質時的衰減系數、相移常數、諧振腔的諧振頻率等，計算出介電常數，從而得到物質中的含水量。

為驗證微波測濕器的砂料含水檢測效果，采用如圖1所示微波測濕器進行研究，并與傳統離線法進行對比。由于測濕器與砂料接觸，所以同時對比分析安裝角度對測濕效果的影響。

微波測濕器安裝位置主要有三種：砂倉內、投料口正下方或平皮帶正上方。對比三處位置，綜合考慮測量準確性、安裝難度和校準維護難度等因素，最終將測濕器安裝在卸料口正下方。圖2為測濕器現場示意圖。

圖1 微波測濕器Fig.1 Microwave moisture-testing sensor

圖2 微波測濕器現場示意圖Fig.2 On-site sketch of microwave mositure-measurement sensor

1.2 傳統離線法與微波測濕法

實驗方案（每車15方混凝土，單盤3方，共5盤；預計需要10車）：

1）在企業實際生產經營的情況下，白天光線充足時進行實驗，保證試驗人員安全，同時減少試驗期間砂料含水率的波動。

2） 生產前，準備試驗所需砂料（人工砂） 70-75t，在該堆砂料按照等高原則，選取5個不同位置，各裝取一桶足量砂料，由高到低依次編號為A1、A2、A3、A4、A5。

3）各取不同編號砂桶的砂料1kg，采用傳統烘干法進行含水率測量，求出5桶砂料的算術平均值，得出該批砂料的實際含水率。

表1 傳統離線法Tab.1 Traditional off-line method

表2 微波測濕法Tab.2 Microwave moisture-measurement method

4）在步驟3進行的同時，生產人員將剩余砂料正常裝卸至相應的砂倉，后續步驟與生產流程一致。在投料過程中，依次記錄5盤砂料（人工砂）卸料時，測濕傳感器（此時安裝角度為45°）顯示的含水率讀數。

實驗數據如下：

數據分析：

微波測濕器法比傳統離線法低0.308%，偏差小，符合砂石含水狀態理論。對比傳統離線法不同高度的數據，發現A1-A5組含水率數據呈現遞增趨勢，符合露天砂料堆含水率隨高度逐增的走勢。對于含水率偏差，離線法數值波動較大，有兩組數據偏離均值0.4%以上；微波法偏差均在0.2%以內，較穩定。標準差方面，離線法為0.425，微波法為0.115，離線法數據組偏離均值程度較高。

對表1、2的分析可知，所運用的在線實時監測手段，其測量數據均在較低的誤差范圍內，測量數據集中度較高，偏差較小，能夠用于砂料含水率的在線檢測。

表3 不同安裝角度的含水率數據Tab.3 Moisture content data of different installation angles

1.3 微波測濕器最佳安裝角度

為研究微波測濕器安裝角度對含水率測量的影響，試驗人員在安裝位置不變的情況下，依次調整測濕器角度為15°,25°，35°，45°，55°，65°，75°，90°。重復上述實驗，得到實驗數據如下：

該批砂料的標準含水率取測濕器安裝角度為45°時的微波法檢測結果：5.932。

傳感器安裝角度較小時，含水率測量值偏小且波動大。觀察生產投料，此時測濕器陶瓷面板與水平線接近垂直，砂料與測濕器面板接觸時間短，微波測量過程不充分，含水率偏小且波動大。

傳感器安裝角度較大時，含水率測量值較穩定，略大于標準含水率，偏差較小。觀察生產投料，此時測濕器與水平線接近平行，砂料與測濕器陶瓷面板充分接觸，微波測量充分。但時常出現砂料堆積在面板的情況，后續投放的砂料不能夠被檢測，測出的含水率基本是同盤次砂料，不能實時反映砂料含水率的變化。

當測濕器安裝角度在35°至55°時，測濕器檢測效果較好，含水率數值較穩定，接近標準含水率數值。分別對35°,45°及55°的含水率數值進行集中度分析，

準差反映對象數據的離散程度，表征其所有數值偏離平均值的幅度，故標準差越小，數據越集中，所測量的數據越準確可靠。通過對比，安裝角度為45°時，測濕器測量數據的波動幅度較小。因此，建議45°為測濕器的實際安裝角度，以期減小含水率測量的誤差。

通過實驗發現，相比傳統烘干法測量，微波測濕器含水率在線檢測具有實時準確的優勢。除了安裝位置，安裝角度對含水率測量也有明顯影響，最佳安裝角度為45°。

2 混凝土廠站CPS建設

傳統的單點技術已不能適應新一代生產裝備信息化和網絡化的需求，在計算技術、通信技術和控制技術迅速發展，信息化和工業化進一步融合的背景下，信息物理系統(Cyber-Physical System,CPS)順勢出現，其作為當前自動化控制領域的前沿研究方向，相關研究工作已取得初步的進

展[9]。

CPS支撐信息化和工業化的深度融合，通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化[10]。CPS分為單元級、系統級、系統之系統級三個層次，由四大核心技術要素構成，包括：感知和自動控制、工業軟件、工業網絡及工業云和智能服務平臺[11]。

CPS通過計算、通信與控制技術的有機與深度融合，實現了計算資源與物理資源的緊密結合與協調[12]。含水率在線檢測CPS的基本組成包括傳感器、控制執行單元和計算處理單元，如圖3所示。

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

測濕器對砂料含水量進行采集，計算處理單元對采集到的數據進行計算分析，控制執行單元根據計算結果對砂料稱量施加控制，其中通信網絡進行數據傳輸。

含水率在線檢測系統是CPS建設的組成部分，對廠站而言，最關鍵的是把散布在廠站角落的傳感器，設備，數據，系統，用戶等集成在一個整體的架構下。圖4是混凝土廠站的CPS應用架構。

對于CPS建設，系統集成是重要一環。廠站系統集成（FactorySystems Integration,FSI)，是通過結構化的綜合布線系統和計算機網絡技術，將散落各處的設備（如溫度、壓力、濕度傳感器等）、功能和信息等集成到關聯、統一和協同的系統中，使資源達到充分共享，實現集中、高效、便利的管理[13]。廠站系統集成應采用功能集成、網絡集成、軟件界面集成等多種集成技術。系統集成實現的關鍵在與解決異源系統之間的互連和互操作問題，它是一個多廠商、多協議和面向各種應用的體系結構。這需要解決各類設備、子系統間的接口、協議、系統平臺、應用軟件等與子系統、建筑環境、施工配合、組織管理和人員配備相關的一切面向集成的問題[14,15]。簡言之，廠站系統集成是將不同的系統，根據應用需要，有機地組合成一個一體化、功能更強大的新型系統的過程和方法。

因此，對于目前混凝土廠站的CPS研究，亟需制定一個自頂向下，包含軟硬件系統的綜合解決方案來指導廠站的信息化和智能化建設。

圖4 混凝土廠站CPS應用架構Fig.4 Application architecture of CPS in concrete plant

3 結語

本文利用微波測濕器技術，通過實驗，對比傳統離線法與微波測濕器在線檢測法的優劣，證明在線檢測法的可行性，并確定測濕器的最佳安裝角度為45°。以此為基礎，討論混凝土廠站CPS建設的關鍵節點，在于如何將散落在廠站各處的系統集成到一個智能生產平臺上，為混凝土廠站的智能化建設提出自己的探索。