LabVIEW与PLC结合在混凝土工作性测控仪中的应用

任怡锦，吕国芳，田正宏

（1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 211100）

LabVIEW与PLC结合在混凝土工作性测控仪中的应用

任怡锦1，吕国芳1，田正宏2

（1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 211100）

本文是针对论文《基于Modbus协议的混凝土工作性测控仪》［1］的修正。根据实验要求并结合原装置的使用反馈情况，设计了一套相对于原装置更加精密、实用的混凝土工作性测控仪。新型仪器利用PLC控制多个电机转动以及传感器、电磁阀的工作实现自动连续测试。通过Modbus协议下位机与上位机进行通讯，利用上位机对实验过程进行实时监控以及对实验数据进行挖掘和分析。通过仪器以及实验方法的改良得到了相较于过去更加准确的结果，能够有效的测试混凝土的工作性参数。

PLC；混凝土；测控仪；流变学；LabVIEW；Modbus协议

近十年来，因为混凝土质量原因而导致的各种工程质量事故频频发生。混凝土的工作性在生产、运输、泵送、浇筑、养护的过程中都可能发生变化，故其最终质量很难保证。随着对混凝土工作性的研究越来越成熟，设计一种通信可靠、操作简便、友好界面等优势的混凝土工作性测试仪已迫在眉睫。根据实际实验情况，为了使测得的数据更加可靠、稳定，相较于原设计在硬件、软件等方面都做了较大的改变。

1　检测参数的概括与原理

新拌混凝土的工作性质影响着施工的难易程度及硬化后的最终质量。而流变学主要研究的是混凝土从新拌状态转化为硬化状态的塑性、粘性以及弹性的变化规律。故用屈服应力和粘性系数来表征新拌混凝土的特征。其流变特征与Bingham模型［2］相匹配，它的公式为：

式中：τ—剪切应力，τ0—屈服应力，η—粘度系数，γ—剪切速率，其中剪切应力可由以下公式得出：

式中：M—扭矩，S—混凝土面积。

为了更好地达到进料、均匀搅料、放料等一系列目的，将原设计的横向搅拌轴改为如图1所示的纵向十字搅拌轴

图1　十字搅拌轴

搅拌轴外部为料斗盒，测试仪工作时实现电机控制搅拌轴带动拌合物从低速到高速再回到低速的过程，根据公式（1）、（2）可得出计算公式：

扭矩传感器可测出在转速n下的扭矩，根据剪切应力和剪切速率可得到混凝土的流变曲线图，利用LabVIEW通过曲线拟合得到屈服应力与粘度系数，进而分析新拌混凝土的工作性。

2　流变仪的总体设计

原设计是MSP430做下位机，组态软件做上位机，并利用Modbus通讯技术［3］进行通讯。但是MSP430的编程过于复杂繁琐，为了缩短开发周期，改为利用PLC设计流变仪的转动测试系统，控制液压电机实现装置的机械运动，伺服电机以低速-高速-低速带动旋转叶片转动从而产生扭矩值，扭矩传感器采得的数据显示并储存在上位机上，上位机与下位机用Modbus通讯方式通讯，且利用LabVIEW平台开发流变仪的上位机程序。图2为装置的电气原理图。

图2　电气原理图

2.1伺服电机的设计

原设计中电机采用的是步进电机，但由于步进电机在低速转动时会出现低频振动现象，高速转动时会出现丢步现象，实际测试中不利于机器的正常运转且造成误差，所以换成运转平稳的伺服电机。伺服电机可分为液压伺服系统、电气-液压伺服系统以及电气伺服系统，本流变仪采用的是电气伺服系统中的交流伺服系统，其基本组成为交流伺服电机，伺服电机驱动器［4］。PLC采用的是腾控的T-950系列，该系列PLC提供了可发出脉冲的PWM模块。用PLC软件编程利用脉冲时间的长短来控制电机的转速的快慢与转动时间［5-6］，伺服电机与PLC的数字量输出端口相连接，其中端口Q0.0控制电机转速，端口Q0.1控制电机转动方向［7-8］。

2.2扭矩传感器的设计

在测试混凝土工作性中扭矩是一项重要的指标。此流变仪采用的是北京航空科电测控技术有限公司的ZH07型扭矩传感器。其包含了扭矩传感器与转换器，传感器测到的数据以频率的形式输出，经过转换器转化为电流，再通过PLC的模拟输入端口输入［9］，经过LabVIEW的计算得到扭矩。扭矩测量公式为：

式中：Mp—正向扭矩，Mr—反向扭矩，N—扭矩满量程，f—实际扭矩输出频率，f0—扭矩零点输出频率，fp—正向满量程输出频率，fr—反向满量程输出频率。

2.3温度传感器的设计

济南仁硕电子科技有限公司生产的485系列温度传感器是一款模拟量输入传感器，可通过与PLC模拟输入端口的连接读取数据，并传至上位机，当温度超出混凝土适宜的温度范围时停止动作。该温度传感器的测温范围为-40℃到80℃，其精度为0.5℃。此流变仪中采用两个温度传感器，分别用于检测环境温度与新拌混凝土温度。

2.4超声波传感器的设计

为了实现进料、搅拌的一体化、全自动化，现相较于原测控仪添加了超声波传感器作为料位计。PLC与LabVIEW结合编程实现功能，即当超声波传感器检测拌和物到达指定位置时反馈信号，搅拌轴开始转动，同时小电机带动超声波传感器沿着轨道偏离料位口，以免混凝土的喷溅以及干染信号对系统运行的影响。

2.5机械驱动电路设计

原设计中采用两个料浆盒，通过控制轨道电机与料浆盒升降电机来完成进料与卸料过程，在实验过程中过于繁琐且耗时较长。现用电磁阀与液压油泵控制进料口与出料口的开关，同时利用进料口电机与出料口电机引导拌和物流入或流出料浆盒；操作平台升降电机负责整个平台的升降，便于操作人员的工作。

3　系统的软件设计

为了实现控制目的，不仅要有合适的控制算法，还要有相应的软件支持。此系统下位机利用PLC相关软件进行编程，上位机利用LabVIEW开发程序，实现整个测试过程的监控、测试数据的智能挖掘、故障诊断、数据查询等功能。此次，主要介绍LabVIEW的设计。

3.1LabVIEW的概述

LabVIEW是NI公司开发的一款虚拟软件，能够有效结合计算机的数据处理能力和仪器硬件的测控能力，实现对流程的控制、数据的显示、分析挖掘及储存。其主要包括前面板、框图程序和图标/接线接口。前面板输入的信息通过框图程序的处理后，传送至输出控件展现结果。原系统中的组态软件虽然也能够实现测试流程的控制与跟踪，但数据处理能力一般，用户需要自己编写代码，繁琐易错。而MATLAB缺少友好人机界面，样本无法通过界面直接输入，不便于控制。相比较而言，LabVIEW结合了组态软件与MATLAB的优势［10-12］。

3.2基于LabVIEW的上位机设计

LabVIEW中包含多种开发包，以实现各种用户需要的功能，流变仪上位机主要具备以下功能：

1）通过DSCModule的I/OModbus Sever将物理量映射到虚拟Modbus服务器中，使PLC与上位机进行通讯；

2）通过MATLABScript接口可以调用MATLAB软件，利用其强大的计算能力与智能工具箱实现对测试数据的非线性补偿、线性拟合等；

3）通过与Word、Excel的接口，可储存、查询测试的数据与工作性参数；

4）通过CLN节点调用RFID模块的动态文件，可以使上位机与项目后期所需要的混凝土批次号识别模块进行稳定通讯；

5）通过VISA功能模块对串口进行配置、读写，向GPRS DTU发送测试数据包，实现数据的传输；

6）通过多种的输入、输出控件，实现友好人机界面［13］。其中，DSCModbus通过I/OSever连接、管理PLC步骤如下：

1）建立一个I/O Modbus Sever，命名为Sever，该服务器以共享变量的方式发布所有需要读写的硬件资源，通过虚拟的服务器与PLC通信，再由Sever在后台自发完成报文的收发任务，从而实现对PLC的读写控制；

2）根据要求，选择寄存器地址从而创建共享变量；

3）将共享变量拖至前面板。

程序运行时，Sever处于后台工作模式，不断的对数据进行解析，不断地更新寄存器中的值，从而更新相对应的共享变量，使得前面板上的数据始终与PLC保持同步，测试监控的前面板如图3所示。

图3　测试监控的前面板

除此之外还可利用LabVIEW软件进行数据挖掘。通过混沌粒子群BP网络［14］进行扭矩值的静态补偿、动态补偿、线性拟合可从原始数据中得到工作性参数，并将参数由混沌粒子群BP网络逆映射成配合比。

4　实验结果及分析

利用改进后的测控仪进行实验，为了得到更加准确的实验结果，进行了上百组的实验。实验过程为搅拌轴以0.1 r/s-0.2 r/s-0.4 r/s-0.75 r/s-1 r/s的速度［15］，从低速到高速再返回低速的运动过程。其中每一挡速运转的过程中采取五个扭矩值，再通过曲线拟合可以得到该配合比下的流变参数。根据大量的实验数据可以发现，水灰比较小时，屈服应力与塑性粘度值较大，混凝土过于黏稠，则旋转叶片旋转时的摩擦力也较大。而水灰比较大时，屈服应力与塑性粘度值也较大，是因为混凝土出现离析、泌水现象，叶片旋转摩擦力变大。所以配置水灰比范围为0.45至0.56的混凝土进行试验。表1为选取的一组相同环境不同配合比下得屈服应力与塑性粘度的测量数据。

表1　不同水灰比下的流变参数

由表1可以看出，水灰比为0.540 4时，屈服应力与塑性粘度都较小。而随着水灰比的减小或增大，流变参数都逐渐变大。除此之外，改变混凝土的砂率、减水剂掺量、浆骨比等也会对混凝土的工作性产生影响。

5　结　论

因混凝土工作性易受外界因素影响，所以结合施工现场应用的问题反馈对原有装置进行了较大的修改。相较于原装置，新型的测控仪更加便于工作人员进料、卸料的操作，减少了外界因素的干扰，并且采用了更加精密的扭矩传感器，通过多次实验得到更加精确的数据。同时装备具有友好人机界面，电机转速以及转动时间不再是固定值而是可以根据实验需要进行设置。LabVIEW作为上位机软件除了实时监控整个测试过程还可以对数据进行判断，剔除因干扰产生的不真实数据，从而更好地对混凝土工作性进行分析。新型的混凝土工作性测控仪实现了自动化、精确化、信息化、可视化，现已代替原装置应用于现场。

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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稿件编号：201510145

任怡锦（1992—），女，河南郑州人，硕士研究生。研究方向：测试计量技术与仪器、计算机测控技术等。