任怡錦，呂國芳，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 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 211100）

LabVIEW與PLC結合在混凝土工作性測控儀中的應用

任怡錦1，呂國芳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 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 211100）

本文是針對論文《基于Modbus協議的混凝土工作性測控儀》［1］的修正。根據實驗要求并結合原裝置的使用反饋情況，設計了一套相對于原裝置更加精密、實用的混凝土工作性測控儀。新型儀器利用PLC控制多個電機轉動以及傳感器、電磁閥的工作實現自動連續(xù)測試。通過Modbus協議下位機與上位機進行通訊，利用上位機對實驗過程進行實時監(jiān)控以及對實驗數據進行挖掘和分析。通過儀器以及實驗方法的改良得到了相較于過去更加準確的結果，能夠有效的測試混凝土的工作性參數。

PLC；混凝土；測控儀；流變學；LabVIEW；Modbus協議

近十年來，因為混凝土質量原因而導致的各種工程質量事故頻頻發(fā)生。混凝土的工作性在生產、運輸、泵送、澆筑、養(yǎng)護的過程中都可能發(fā)生變化，故其最終質量很難保證。隨著對混凝土工作性的研究越來越成熟，設計一種通信可靠、操作簡便、友好界面等優(yōu)勢的混凝土工作性測試儀已迫在眉睫。根據實際實驗情況，為了使測得的數據更加可靠、穩(wěn)定，相較于原設計在硬件、軟件等方面都做了較大的改變。

1　檢測參數的概括與原理

新拌混凝土的工作性質影響著施工的難易程度及硬化后的最終質量。而流變學主要研究的是混凝土從新拌狀態(tài)轉化為硬化狀態(tài)的塑性、粘性以及彈性的變化規(guī)律。故用屈服應力和粘性系數來表征新拌混凝土的特征。其流變特征與Bingham模型［2］相匹配，它的公式為：

式中：τ—剪切應力，τ0—屈服應力，η—粘度系數，γ—剪切速率，其中剪切應力可由以下公式得出：

式中：M—扭矩，S—混凝土面積。

為了更好地達到進料、均勻攪料、放料等一系列目的，將原設計的橫向攪拌軸改為如圖1所示的縱向十字攪拌軸

圖1　十字攪拌軸

攪拌軸外部為料斗盒，測試儀工作時實現電機控制攪拌軸帶動拌合物從低速到高速再回到低速的過程，根據公式（1）、（2）可得出計算公式：

扭矩傳感器可測出在轉速n下的扭矩，根據剪切應力和剪切速率可得到混凝土的流變曲線圖，利用LabVIEW通過曲線擬合得到屈服應力與粘度系數，進而分析新拌混凝土的工作性。

2　流變儀的總體設計

原設計是MSP430做下位機，組態(tài)軟件做上位機，并利用Modbus通訊技術［3］進行通訊。但是MSP430的編程過于復雜繁瑣，為了縮短開發(fā)周期，改為利用PLC設計流變儀的轉動測試系統，控制液壓電機實現裝置的機械運動，伺服電機以低速-高速-低速帶動旋轉葉片轉動從而產生扭矩值，扭矩傳感器采得的數據顯示并儲存在上位機上，上位機與下位機用Modbus通訊方式通訊，且利用LabVIEW平臺開發(fā)流變儀的上位機程序。圖2為裝置的電氣原理圖。

圖2　電氣原理圖

2.1伺服電機的設計

原設計中電機采用的是步進電機，但由于步進電機在低速轉動時會出現低頻振動現象，高速轉動時會出現丟步現象，實際測試中不利于機器的正常運轉且造成誤差，所以換成運轉平穩(wěn)的伺服電機。伺服電機可分為液壓伺服系統、電氣-液壓伺服系統以及電氣伺服系統，本流變儀采用的是電氣伺服系統中的交流伺服系統，其基本組成為交流伺服電機，伺服電機驅動器［4］。PLC采用的是騰控的T-950系列，該系列PLC提供了可發(fā)出脈沖的PWM模塊。用PLC軟件編程利用脈沖時間的長短來控制電機的轉速的快慢與轉動時間［5-6］，伺服電機與PLC的數字量輸出端口相連接，其中端口Q0.0控制電機轉速，端口Q0.1控制電機轉動方向［7-8］。

2.2扭矩傳感器的設計

在測試混凝土工作性中扭矩是一項重要的指標。此流變儀采用的是北京航空科電測控技術有限公司的ZH07型扭矩傳感器。其包含了扭矩傳感器與轉換器，傳感器測到的數據以頻率的形式輸出，經過轉換器轉化為電流，再通過PLC的模擬輸入端口輸入［9］，經過LabVIEW的計算得到扭矩。扭矩測量公式為：

式中：Mp—正向扭矩，Mr—反向扭矩，N—扭矩滿量程，f—實際扭矩輸出頻率，f0—扭矩零點輸出頻率，fp—正向滿量程輸出頻率，fr—反向滿量程輸出頻率。

2.3溫度傳感器的設計

濟南仁碩電子科技有限公司生產的485系列溫度傳感器是一款模擬量輸入傳感器，可通過與PLC模擬輸入端口的連接讀取數據，并傳至上位機，當溫度超出混凝土適宜的溫度范圍時停止動作。該溫度傳感器的測溫范圍為-40℃到80℃，其精度為0.5℃。此流變儀中采用兩個溫度傳感器，分別用于檢測環(huán)境溫度與新拌混凝土溫度。

2.4超聲波傳感器的設計

為了實現進料、攪拌的一體化、全自動化，現相較于原測控儀添加了超聲波傳感器作為料位計。PLC與LabVIEW結合編程實現功能，即當超聲波傳感器檢測拌和物到達指定位置時反饋信號，攪拌軸開始轉動，同時小電機帶動超聲波傳感器沿著軌道偏離料位口，以免混凝土的噴濺以及干染信號對系統運行的影響。

2.5機械驅動電路設計

原設計中采用兩個料漿盒，通過控制軌道電機與料漿盒升降電機來完成進料與卸料過程，在實驗過程中過于繁瑣且耗時較長?，F用電磁閥與液壓油泵控制進料口與出料口的開關，同時利用進料口電機與出料口電機引導拌和物流入或流出料漿盒；操作平臺升降電機負責整個平臺的升降，便于操作人員的工作。

3　系統的軟件設計

為了實現控制目的，不僅要有合適的控制算法，還要有相應的軟件支持。此系統下位機利用PLC相關軟件進行編程，上位機利用LabVIEW開發(fā)程序，實現整個測試過程的監(jiān)控、測試數據的智能挖掘、故障診斷、數據查詢等功能。此次，主要介紹LabVIEW的設計。

3.1LabVIEW的概述

LabVIEW是NI公司開發(fā)的一款虛擬軟件，能夠有效結合計算機的數據處理能力和儀器硬件的測控能力，實現對流程的控制、數據的顯示、分析挖掘及儲存。其主要包括前面板、框圖程序和圖標/接線接口。前面板輸入的信息通過框圖程序的處理后，傳送至輸出控件展現結果。原系統中的組態(tài)軟件雖然也能夠實現測試流程的控制與跟蹤，但數據處理能力一般，用戶需要自己編寫代碼，繁瑣易錯。而MATLAB缺少友好人機界面，樣本無法通過界面直接輸入，不便于控制。相比較而言，LabVIEW結合了組態(tài)軟件與MATLAB的優(yōu)勢［10-12］。

3.2基于LabVIEW的上位機設計

LabVIEW中包含多種開發(fā)包，以實現各種用戶需要的功能，流變儀上位機主要具備以下功能：

1）通過DSCModule的I/OModbus Sever將物理量映射到虛擬Modbus服務器中，使PLC與上位機進行通訊；

2）通過MATLABScript接口可以調用MATLAB軟件，利用其強大的計算能力與智能工具箱實現對測試數據的非線性補償、線性擬合等；

3）通過與Word、Excel的接口，可儲存、查詢測試的數據與工作性參數；

4）通過CLN節(jié)點調用RFID模塊的動態(tài)文件，可以使上位機與項目后期所需要的混凝土批次號識別模塊進行穩(wěn)定通訊；

5）通過VISA功能模塊對串口進行配置、讀寫，向GPRS DTU發(fā)送測試數據包，實現數據的傳輸；

6）通過多種的輸入、輸出控件，實現友好人機界面［13］。其中，DSCModbus通過I/OSever連接、管理PLC步驟如下：

1）建立一個I/O Modbus Sever，命名為Sever，該服務器以共享變量的方式發(fā)布所有需要讀寫的硬件資源，通過虛擬的服務器與PLC通信，再由Sever在后臺自發(fā)完成報文的收發(fā)任務，從而實現對PLC的讀寫控制；

2）根據要求，選擇寄存器地址從而創(chuàng)建共享變量；

3）將共享變量拖至前面板。

程序運行時，Sever處于后臺工作模式，不斷的對數據進行解析，不斷地更新寄存器中的值，從而更新相對應的共享變量，使得前面板上的數據始終與PLC保持同步，測試監(jiān)控的前面板如圖3所示。

圖3　測試監(jiān)控的前面板

除此之外還可利用LabVIEW軟件進行數據挖掘。通過混沌粒子群BP網絡［14］進行扭矩值的靜態(tài)補償、動態(tài)補償、線性擬合可從原始數據中得到工作性參數，并將參數由混沌粒子群BP網絡逆映射成配合比。

4　實驗結果及分析

利用改進后的測控儀進行實驗，為了得到更加準確的實驗結果，進行了上百組的實驗。實驗過程為攪拌軸以0.1 r/s-0.2 r/s-0.4 r/s-0.75 r/s-1 r/s的速度［15］，從低速到高速再返回低速的運動過程。其中每一擋速運轉的過程中采取五個扭矩值，再通過曲線擬合可以得到該配合比下的流變參數。根據大量的實驗數據可以發(fā)現，水灰比較小時，屈服應力與塑性粘度值較大，混凝土過于黏稠，則旋轉葉片旋轉時的摩擦力也較大。而水灰比較大時，屈服應力與塑性粘度值也較大，是因為混凝土出現離析、泌水現象，葉片旋轉摩擦力變大。所以配置水灰比范圍為0.45至0.56的混凝土進行試驗。表1為選取的一組相同環(huán)境不同配合比下得屈服應力與塑性粘度的測量數據。

表1　不同水灰比下的流變參數

由表1可以看出，水灰比為0.540 4時，屈服應力與塑性粘度都較小。而隨著水灰比的減小或增大，流變參數都逐漸變大。除此之外，改變混凝土的砂率、減水劑摻量、漿骨比等也會對混凝土的工作性產生影響。

5　結　論

因混凝土工作性易受外界因素影響，所以結合施工現場應用的問題反饋對原有裝置進行了較大的修改。相較于原裝置，新型的測控儀更加便于工作人員進料、卸料的操作，減少了外界因素的干擾，并且采用了更加精密的扭矩傳感器，通過多次實驗得到更加精確的數據。同時裝備具有友好人機界面，電機轉速以及轉動時間不再是固定值而是可以根據實驗需要進行設置。LabVIEW作為上位機軟件除了實時監(jiān)控整個測試過程還可以對數據進行判斷，剔除因干擾產生的不真實數據，從而更好地對混凝土工作性進行分析。新型的混凝土工作性測控儀實現了自動化、精確化、信息化、可視化，現已代替原裝置應用于現場。

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App lication of LabVIEW and PLC in themeasure and controller of concrete workability

REN Yi-jin1，LV Guo-fang1，TIAN Zheng-hong2
（1.College of Energy and Electrical Engineering，HohaiUniversity，Nanjing 211100，China；2.State Key Laboratory ofHydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，HohaiUniversity，Nanjing 211100，China）

This paper is aimed at revising the paper"Measure and Controller of Concrete Workability Based on Modbus Protocol".According to the experimental requirementsand the feedback of the use of the originaldevice，a setofnewmeasure and controller of concreteWorkability，which ismore precise and practical，was designed.The new type of instrument used PLC to control the electricalmachinery revolving and sensors and solenoid valve to achieve automatic continuous test.The lower computer and the upper computer was communicated using the Modbus protocol.Then achieved Real timemonitoring and datamining and analysis of experimental data through operating the upper computer.Because of the improvement of the instrumentand experimentalmethod，themoreaccurate results comparedwith the pastcan beobtained.

PLC；concrete；measure and controller；rheology；LabVIEW；modbus protocol

TN06

A

1674-6236（2016）19-0107-04

2015-10-21稿件編號：201510145

任怡錦（1992—），女，河南鄭州人，碩士研究生。研究方向：測試計量技術與儀器、計算機測控技術等。