利用正態分布統計控制拌和樓稱量誤差研究

魏 利

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川眉山 620860）

0 前 言

隨著國家經濟建設的飛速發展，我國混凝土用量呈逐年遞增的趨勢。混凝土質量的好壞，影響建筑結構的穩定、壽命及工程造價，關系到使用建筑人群的生命財產安全，是工程建設的重要因素之一。

混凝土質量是由原材料質量、生產環節控制、施工質量控制等多方面因素影響，其中拌和樓原材料稱量誤差是混凝土生產環節重要的控制指標之一，稱量誤差的穩定性直接影響混凝土拌和物的工作性、力學性能、耐久性等指標。本文利用正態分布為統計工具，在生產過程中實時統計分析拌和樓絕對誤差的分布范圍大小，根據分布范圍對稱量系統進行實時調整，以提高稱量系統的準確性，確保原材料理論消耗與實際消耗盡可能相符。

1 工程概況

烏東德水電站位于云南省祿勸縣和四川省會東縣交界的金沙江下游河道上，是金沙江下游河段四個水電梯級中的最上游。電站裝機總容量1 020萬kW，壩址控制流域面積40.61萬km2，多年平均流量3 830 m3/s，多年平均徑流量1 207億m3，主要任務以發電為主，兼顧長江中下游防洪，并具有改善庫區及下游航運條件、攔沙等綜合利用效益。

850混凝土系統（即混凝土站名稱）承擔總量約319.9萬m3混凝土的生產任務，其中預冷混凝土約217.2萬m3。生產能力滿足常態混凝土10.3萬m3/月，碾壓混凝土4.2萬m3/月，預冷混凝土出機口溫度為14℃。

2 稱量誤差概述

稱量系統是決定混凝土計量精度高低的基礎設備，當前我國絕大部分的混凝土攪拌站應用的計量設備為電子秤，其主要是借助傳感器對總量進行測量。稱量時，物料的重量被施加在傳感器上，使得經過傳感器電阻的大小發生改變，在通過電橋時轉變成電壓信號輸出，并通過放大和轉換，最終以重量信號的形式顯示。而稱量誤差主要指的是“動態精度”［1］，為儀表或者電腦計量的結果與物體的真實重量之間的差值。

3 稱量誤差質量標準要求

根據《水工混凝土施工規范》（DL/T5144-2015）規定“水泥、摻合料、水、冰、外加劑溶液稱量允許偏差為±1%，骨料為±2%”［2］；《混凝土質量控制標準》（GB50164-2011）規定“水、外加劑溶液稱量允許偏差為±1%，膠凝材料為±2%，骨料為±3%”［3］。“在混凝土攪拌站（樓）連續作業時，其配料精度總合格率不應低于90%。超差的10%僅允許摻合料、外加劑的允差，其數值為±3%”［4］。

4 稱量誤差影響因素

（1）落料誤差。在混凝土攪拌站配料時，大多選擇抬高的輸送帶裝置作為給料出口，給料出口和料斗內物料表面之間存在一段距離，給料機在皮帶轉動或者機械振動時存在一定慣性，無法立即將出料口關閉，因此真實供料量和操作室給定的配料數量存在差異。另外，當送料口與接料漏斗之間的配料不能立即停止時，同樣也會進入到接料漏斗中，由此形成落料誤差。

（2）稱量誤差。在對各種配料進行稱量過程中，需要稱量的數量多，稱量的時間非常短，容易導致稱量的配料重量不準確。在配料時，當物料垂直落至配料秤上時會形成沖擊力，而配料傳感器則會將該沖力當作物料的重力，引起傳感器感應到的物料重量信號產生誤差，導致稱量誤差。如果傳感器安裝的位置不佳，在電路等其他因素的作用下也會導致稱量誤差。

（3）粉料懸浮誤差。水泥及摻和料等粉料容易懸浮在空氣中，瞬間下降時就會引起秤斗內的懸浮情況。安裝在秤斗中的傳感器不能感應到懸浮在秤斗中物料的真實重量，便會出現進入秤斗中的物料真實重量比秤的讀數要大的情況。

（4）人工誤差。在對拌和樓稱量系統進行檢定校準時，計量工作人員的專業水平等因素會影響最終計量結果的準確性，形成人工誤差。

5 抽樣數據

本文對2017年10月850混凝土系統水泥稱量誤差進行抽樣統計，其數據為381組，按《水工混凝土施工規范》（DL/T5144-2015）進行評定合格率為95.8%，達到優良水平，其詳細結果參見表1、圖1。

表1 水泥稱量誤差結果統計

圖1 水泥稱量誤差結果波動示意

6 成果分析

表1中，水泥稱量誤差統計數據已達到優良水平，滿足《水工混凝土施工規范》（DL/T5144-2015）評定要求。對稱量誤差數據按區間進行統計，其結果參見表2、圖2。

表2 水泥稱量誤差區間頻率統計

圖2 水泥稱量誤差區間柱狀示意

通過表2及圖2可以看出：

（1）稱量誤差值在負誤差值組數為238組，占整體誤差值62.5%；正誤差值組數為143組，占整體誤差值37.5%。

（2）根據數據分布不對稱的方向及程度來看，其偏度小于0，分布為左偏，為“負偏態”［5］。

（3）在實際生產中若不加以控制，勢必造成最終原材料呈超耗狀態。

7 成果運用

由于烏東德水電工程混凝土需求量巨大，850混凝土系統需生產混凝土約400萬m3，在實際生產過程中，若不精細控制原材料稱量誤差，勢必造成混凝土質量波動，給混凝土質控帶來困難，同時也將造成原材料處于超耗或欠耗狀態。利用上述分析成果，項目團隊系統編制完成稱量誤差動態控制作業指導書，對拌和樓稱量誤差進行實時動態控制，對稱量誤差進行了全數據覆蓋，并采用正態分布統計分析各項原材料的稱量誤差。在生產過程中，如發現異常，應及時進行調整，確保控制達到精細化。根據影響稱量誤差的主要因素，采取的主要措施有以下幾點。

（1）落料誤差的控制措施。混凝土攪拌站在校稱之前確保元器件完好無損、無故障，各個線路和元器件連接正確且可靠，并處于正常的狀態。向秤上添加砝碼時，如果電子秤顯示的示數未發生改變，其主要原因可能是校秤內存區域中的值發生異常，從而引起校秤的曲線出現異常。針對這種情況，首先應該將電子秤恢復至出廠設置，需要注意的是，在進行初始化過程中，需要取下秤斗上的砝碼，然后依次加大砝碼，直至最大。另外，在加砝碼時，應至少確保攪拌站生產需要計量的最大重量值。在校秤操作時，觀察加載過程中曲線變化情況以及是否達到線性要求。假如電子秤的示數偏差超過允許的范圍且不呈現線性變化時，應分析是傳感器性能故障還是機械故障，并在采取了相應的措施后再重新校秤。最后，在校秤結束并卸下秤斗上的砝碼時，工程人員還應注意觀察曲線變化是否符合線性要求，當砝碼全部卸完時，要留意數據示數是否回零。

（2）稱量誤差的控制措施。①在攪拌設備工作過程中，合理使用傳感器是提高混凝土攪拌站計量準確性的有效手段。由于配料必須通過電腦來合理控制各個機械設備，因此要將電腦接受到的各類配料闡述準確傳輸給傳感器，并對接受的各類信號進行處理，盡可能降低混凝土攪拌站的誤差。在混凝土攪拌過程中，還需確定選擇哪類傳感器，并分析和研究配料電子秤傳感器的靈敏度。②在應用傳感器過程中，最好使用3套均勻的配料秤斗。在生產實踐中，由于物料一般不會在配料設備上運行，導致傳感器受力不勻，使傳感器最終接收到的信號存在誤差。針對這一問題，可以在實際稱量時，將秤體感應數值調節至測量額的合理控制范圍內。

（3）粉料懸浮誤差的控制措施。控制粉料懸浮造成計量誤差的因素，需要在最初攪拌站供料系統設計時便綜合考慮。既要考慮粉料的進風管和回風管直徑大小，又要對跟攪拌機緊密相關的其他管道、機械設備、構建等進行深入分析。將漏洞與除塵器相連的管道直徑控制在250 mm以上，把粉料秤排氣補氣管路和攪拌機蓋相通管路直徑控制在200 mm以上。

（4）人工誤差的控制措施。提高混凝土攪拌站計量精度，還需要操作人員有過硬的操作技能以有效控制人工誤差，進一步提升控制系統對計量精度的控制。①加強對操作人員的崗前培訓和定期培訓工作，提高操作人員的工作責任心與操作技能；②操作人員還應定期、不定期檢查和維護攪拌站各種設備，特別注意檢查計量系統，一旦發現問題時要立即解決，從而避免后期養護管理不到位帶來的損失。

（5）原材料不達標的控制措施。在采購各類原材料時應保證供貨渠道的正規，必須將各類原材料種類、數量、標準等上報，由相關部門檢驗合格后，才能被批準使用。在實際使用中，可以先應用少量的原材料進行混凝土生產，待確保質量合格后再大量投入。

（6）生產過程中的控制措施。生產前，對稱量設備進行零點校驗，同時對稱量系統進行小荷載校稱，確保稱量精度。按照確定的投料順序和拌和時間進行操作，每操作一次都需進行投料精度檢查。另外，還需加強對生產情況、原材料質量的巡檢，每班對稱量誤差進行全數據覆蓋統計分析，編制作業指導書，使生產過程標準化、程序化。

在采取上述措施后，對2018年5月水泥稱量誤差進行抽樣統計分析，其結果參見表3、圖3～4。根據表3、圖3～4的統計結果可以看出，在利用正態分布對水泥稱量誤差進行動態控制后，負誤差值組數為293組，占整體誤差值52.2%；正誤差值組數為268組，占整體誤差值47.8%，其分布為較好的對稱狀態，服從正態分布。

表3 成果運用后水泥稱量誤差結果統計

圖3 水泥稱量誤差結果波動示意

圖4 成果運用后水泥稱量誤差區間柱狀示意

8 結 語

通過利用正態分布統計工具，對拌和樓生產稱量誤差的分布范圍進行統計分析，并依據分析結果對生產參數的動態進行調整，這樣既能提高原材料消耗控制的準確性，又能降低混凝土質量波動風險，確保混凝土質量。

（1）正態分布是概率論中最重要的一個分布，是統計工程實際領域極好的數理工具。

（2）在拌和樓稱量誤差控制中，使用正態分布進行統計分析，能精細地得出各原材料誤差值的分布區間。

（3）根據正態分布統計結果，在生產過程中進行動態控制，能有效地降低原材料的超欠耗率，降低質量控制風險。