面向砂料含水率在线检测的信息物理系统研究

陈煌彬 吉 旭

（四川大学化学工程学院，四川 成都 610065）

砂石因价格低廉，取材方便等诸多特质被广泛应用在水泥混凝土、沥青混凝土、稳定土等各种建筑混合料中[1]。但不同于水泥等粉料的全封闭过程，砂石的获取，运输，存储及使用等过程长时间暴露在空气中，使砂石本身的含水量产生较大波动[2]。

含水量是影响商品混凝土塌落度、和易性和抗压强度等质量指标的关键因素[3]。混凝土生产过程中，砂石中的水与水泥发生水化反应，需要在配制水量中扣除。而小粒径砂料的比表面积远远大于大粒径碎石，使砂料含水率最高可达15%，碎石含水率较低，通常不超过3%，因此砂料含水率的波动对混凝土质量的影响远大于石料[4]。目前，商砼行业的通用办法是，试验室在每日开盘前抽查一次砂料的含水率，作为当天混凝土生产中该批次砂料的含水率，由于同批次砂料也存在含水率波动较大的情况，该方法不利于实现混凝土质量的严格把控[5]。

因此，本文研究砂料含水率在线检测的可行性，并探讨面向砂料含水率在线检测的信息物理系统（CPS，Cyberphysical systems） 建设。

1 砂料含水率在线检测

1.1 微波测湿原理

在多种无损检测技术中，进展较快、应用较多的有微波、激光和红外等检测方法[6]。其中,微波测湿技术不仅有电检测的优点,还有一些独特的优点：不接触、无损伤、连续、实时、灵敏度高；与采用放射线的检测相比，微波无毒害、环境友好、易于维护、成本较低。微波测湿克服了部分半导体湿度传感器精度低,因水蒸气使感湿材料老化、腐蚀、溶解等缺点[7]。

水分子是强极性的偶极子，在外电场作用下，极化程度远大于其它物质。在微波频段，不同波长对应水的介电系数区分明显，而水比其他物质的介电系数大得多[8]。因此，测量微波通过含水物质时的衰减系数、相移常数、谐振腔的谐振频率等，计算出介电常数，从而得到物质中的含水量。

为验证微波测湿器的砂料含水检测效果，采用如图1所示微波测湿器进行研究，并与传统离线法进行对比。由于测湿器与砂料接触，所以同时对比分析安装角度对测湿效果的影响。

微波测湿器安装位置主要有三种：砂仓内、投料口正下方或平皮带正上方。对比三处位置，综合考虑测量准确性、安装难度和校准维护难度等因素，最终将测湿器安装在卸料口正下方。图2为测湿器现场示意图。

图1 微波测湿器Fig.1 Microwave moisture-testing sensor

图2 微波测湿器现场示意图Fig.2 On-site sketch of microwave mositure-measurement sensor

1.2 传统离线法与微波测湿法

实验方案（每车15方混凝土，单盘3方，共5盘；预计需要10车）：

1）在企业实际生产经营的情况下，白天光线充足时进行实验，保证试验人员安全，同时减少试验期间砂料含水率的波动。

2） 生产前，准备试验所需砂料（人工砂） 70-75t，在该堆砂料按照等高原则，选取5个不同位置，各装取一桶足量砂料，由高到低依次编号为A1、A2、A3、A4、A5。

3）各取不同编号砂桶的砂料1kg，采用传统烘干法进行含水率测量，求出5桶砂料的算术平均值，得出该批砂料的实际含水率。

表1 传统离线法Tab.1 Traditional off-line method

表2 微波测湿法Tab.2 Microwave moisture-measurement method

4）在步骤3进行的同时，生产人员将剩余砂料正常装卸至相应的砂仓，后续步骤与生产流程一致。在投料过程中，依次记录5盘砂料（人工砂）卸料时，测湿传感器（此时安装角度为45°）显示的含水率读数。

实验数据如下：

数据分析：

微波测湿器法比传统离线法低0.308%，偏差小，符合砂石含水状态理论。对比传统离线法不同高度的数据，发现A1-A5组含水率数据呈现递增趋势，符合露天砂料堆含水率随高度逐增的走势。对于含水率偏差，离线法数值波动较大，有两组数据偏离均值0.4%以上；微波法偏差均在0.2%以内，较稳定。标准差方面，离线法为0.425，微波法为0.115，离线法数据组偏离均值程度较高。

对表1、2的分析可知，所运用的在线实时监测手段，其测量数据均在较低的误差范围内，测量数据集中度较高，偏差较小，能够用于砂料含水率的在线检测。

表3 不同安装角度的含水率数据Tab.3 Moisture content data of different installation angles

1.3 微波测湿器最佳安装角度

为研究微波测湿器安装角度对含水率测量的影响，试验人员在安装位置不变的情况下，依次调整测湿器角度为15°,25°，35°，45°，55°，65°，75°，90°。重复上述实验，得到实验数据如下：

该批砂料的标准含水率取测湿器安装角度为45°时的微波法检测结果：5.932。

传感器安装角度较小时，含水率测量值偏小且波动大。观察生产投料，此时测湿器陶瓷面板与水平线接近垂直，砂料与测湿器面板接触时间短，微波测量过程不充分，含水率偏小且波动大。

传感器安装角度较大时，含水率测量值较稳定，略大于标准含水率，偏差较小。观察生产投料，此时测湿器与水平线接近平行，砂料与测湿器陶瓷面板充分接触，微波测量充分。但时常出现砂料堆积在面板的情况，后续投放的砂料不能够被检测，测出的含水率基本是同盘次砂料，不能实时反映砂料含水率的变化。

当测湿器安装角度在35°至55°时，测湿器检测效果较好，含水率数值较稳定，接近标准含水率数值。分别对35°,45°及55°的含水率数值进行集中度分析，

准差反映对象数据的离散程度，表征其所有数值偏离平均值的幅度，故标准差越小，数据越集中，所测量的数据越准确可靠。通过对比，安装角度为45°时，测湿器测量数据的波动幅度较小。因此，建议45°为测湿器的实际安装角度，以期减小含水率测量的误差。

通过实验发现，相比传统烘干法测量，微波测湿器含水率在线检测具有实时准确的优势。除了安装位置，安装角度对含水率测量也有明显影响，最佳安装角度为45°。

2 混凝土厂站CPS建设

传统的单点技术已不能适应新一代生产装备信息化和网络化的需求，在计算技术、通信技术和控制技术迅速发展，信息化和工业化进一步融合的背景下，信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)顺势出现，其作为当前自动化控制领域的前沿研究方向，相关研究工作已取得初步的进

展[9]。

CPS支撑信息化和工业化的深度融合，通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化[10]。CPS分为单元级、系统级、系统之系统级三个层次，由四大核心技术要素构成，包括：感知和自动控制、工业软件、工业网络及工业云和智能服务平台[11]。

CPS通过计算、通信与控制技术的有机与深度融合，实现了计算资源与物理资源的紧密结合与协调[12]。含水率在线检测CPS的基本组成包括传感器、控制执行单元和计算处理单元，如图3所示。

图3 含水率在线检测CPS基本组成单元Fig.3 Basic component unit of CPS for on-line moisture content measurement

测湿器对砂料含水量进行采集，计算处理单元对采集到的数据进行计算分析，控制执行单元根据计算结果对砂料称量施加控制，其中通信网络进行数据传输。

含水率在线检测系统是CPS建设的组成部分，对厂站而言，最关键的是把散布在厂站角落的传感器，设备，数据，系统，用户等集成在一个整体的架构下。图4是混凝土厂站的CPS应用架构。

对于CPS建设，系统集成是重要一环。厂站系统集成（FactorySystems Integration,FSI)，是通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术，将散落各处的设备（如温度、压力、湿度传感器等）、功能和信息等集成到关联、统一和协同的系统中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理[13]。厂站系统集成应采用功能集成、网络集成、软件界面集成等多种集成技术。系统集成实现的关键在与解决异源系统之间的互连和互操作问题，它是一个多厂商、多协议和面向各种应用的体系结构。这需要解决各类设备、子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等与子系统、建筑环境、施工配合、组织管理和人员配备相关的一切面向集成的问题[14,15]。简言之，厂站系统集成是将不同的系统，根据应用需要，有机地组合成一个一体化、功能更强大的新型系统的过程和方法。

因此，对于目前混凝土厂站的CPS研究，亟需制定一个自顶向下，包含软硬件系统的综合解决方案来指导厂站的信息化和智能化建设。

图4 混凝土厂站CPS应用架构Fig.4 Application architecture of CPS in concrete plant

3 结语

本文利用微波测湿器技术，通过实验，对比传统离线法与微波测湿器在线检测法的优劣，证明在线检测法的可行性，并确定测湿器的最佳安装角度为45°。以此为基础，讨论混凝土厂站CPS建设的关键节点，在于如何将散落在厂站各处的系统集成到一个智能生产平台上，为混凝土厂站的智能化建设提出自己的探索。