山区智能搅拌系统

赵 亮 张勇超 廖玉麒 王庆灏 牛国丰 范泽宇 史登旭 张成伟

北京电力工程有限公司 , 北京 100070

摘要:山区智能搅拌系统是一种适用于山区的综合性设备，通过智能化控制使人工混凝土搅拌逐渐趋于标准化，最终达到其质量把控的要求。

该系统集原料筛分，物料运输，原料称重，顺序下料，混凝土物料合理搅拌，搅拌时间控制等功能于一体，并且能够将过程数据完整显示并且可以按过程分步控制及操作。

关键词：山区；智能搅拌系统

2. 研究的目的与意义

随着科技的进步，对于工程建设方面越来越趋于智能化、自动化。在电力建设方面，越来越多的自动化智能设备出现在施工现场。这些设备的出现使工程建设的过程环节更加标准化，施工质量也大大提高。

现浇混凝土基础是输电线路工程的基础工程中最常用的一种基础浇筑形式，因为现浇混凝土的使用和制作方便，具有良好的可塑性、且混凝土的整体性好、耐久性好，其结构也具有强度高、刚性大的优点。另外输电线路有相当一部分建设于山区，在一些交通不便利且作业环境处于山区的现场进行作业，就会出现商混泵车无法到达作业现场或作业的环境条件不允许使用商混。在这种情况下现浇混凝土是最好的也是唯一的基础浇筑形式。

在基础施工过程中，由于作业层班组施工能力参差不齐以及管理监督不到位等诸多原因，现浇混凝土的配合比控制往往达不到设计方案的要求，导致混凝土质量不达标，影响工程质量，存在重大安全隐患。因此设计山区智能搅拌系统是很有必要的。

现浇混凝土基础的施工过程主要存在以下几方面原因：

2. 在混凝土物料运输的过程中，由于环境限制或人为因素，有很多的物料中会掺杂其它物料，导致原料成分混杂，这就会导致其配合比出现问题。

3. 在混凝土下料过程中，由于是人工下料，所以下料顺序以及配合比根本没有一种严格准确的控制标准。

4. 在搅拌的过程中也是完全凭借现场施工人员控制搅拌时间，这便会导致搅拌不到位，出现搅拌不均砂浆分离等问题。

综合上述问题，混凝土强度就会很难控制从而出现严重的安全隐患。为了解决因以上三个方面而出现的混凝土强度不达标且施工质量下降的问题，我们设计了一款山区智能搅拌系统。该山区智能搅拌系统存在以下几个优点：

2. 过程中，由于物料运输机械化，可以大力减少人工运输产生的人力消耗，且机械设备代替人工运输也可大幅提高生产效率。

3. 通过原料筛分，物料称重，下料速度控制，搅拌顺序及时间控制等功能，从全过程把控混凝土搅拌的质量。

二、主要研究内容

基于目前人工混凝土搅拌存在的问题，我们便设计一款人工智能搅拌系统。通过该系统严格控制现浇混凝土施工工艺的全过程，从而保证现浇混凝土的施工质量。

以上为山区智能搅拌系统的系统流程图，以单片机微控制器作为系统控制的核心。通过物料输送装置将物料从堆料场输送到物料筛分装置，通过物料筛分装置，将物料筛分并分别投入物料库，通过控制器控制物料库中物料是否可投入称重料斗，当料斗中物料重量达到设定值方可按顺序分别下料至搅拌罐。在搅拌过程中，通过控制器控制水流量控制泵在搅拌过程中逐次加水，直至比例合适。整个搅拌过程的时间可以通过控制器进行控制。

三、硬件装置选择与设计

1、输送装置

通过人工或索道的形式，将混凝土物料运输到山区的堆料场，由于山区地形的的限制，堆料场距离搅拌机一般有5-20米的距离，如果人工运输物料，会消耗很大的人力来进行搬运，而通过输送装置，可将物料从堆料场运输到混凝土搅拌的位置，就大大节省了人力。

输送装置对比
输送装置种类	皮带式输送机	管式输送机
设备体积	设备体积大，整体设备不易拆分，运输不便	设备体积小，通过拆装标准节可灵活调节运输长度
适用地形	平地	山地
适用性	无法灵活调节角度，不利于山地斜面的使用	可以设计支架，灵活调节不同角度，应对山区地形

通过对两种输送装置进行对比，为应对山区地形，管式输送装置更加适用。管式输送装置具有拆装灵活，设备体积小，运输方便，可灵活拆装标准节改变输送管道的长度，通过支架可灵活升降角度。支架采用穿销固定的方式既轻便稳定性更佳。

2、原料筛分装置

通过原料筛分装置，将现场管式输送装置运输来的原材料进行过筛，将直径符合要求的石子和沙子筛分出来，分别进入物料库。

在设计时可根据实际需求，对筛分所需的石子和砂子直径进行控制。

3、三项物料库

将筛分好的，石子沙子分别下入物料库，同时将水泥加入料库，在物料库中进行中间过程的存储，通过控制器控制物料是否下入称重料斗。

4、原料净重检测的称重料斗

在现浇混凝土搅拌机入料口，设置四个独立的原料称重料斗，在料斗下端设置的计重装置，可以对各物料进行称重，当施工人员将砂子、石子、水泥和水按照规定倒入相应的原料堆放库时，原料堆放库下方的称重料斗可以将砂子、石子、水泥和水的净重检测并显示在可视屏幕上。将施工方案中的配合比数值导入到原料净重检测装置中，实际净重和标准净重都会显示在可视屏幕上，施工人员可根据可视屏幕上的数值来相应增减各原料的用量，当达到设定的标准配合比时装置方可进行下一步工序。以此来保证现浇混凝土配合比质量的控制。

5、水量控制装置

通过水泵给称重料斗中加水，当水的重量达到预先设定的值时，控制器会停止水泵的工作，然后在搅拌过程中，可以逐次加水。

6、搅拌时间控制装置

当施工人员按照相应的位置倒入原料并满足设定的标准配合比重量时，装置自动将砂子、石子及水倒入入料口，搅拌机开始搅拌。在此期间，搅拌时间控制装置锁止机器，防止搅拌机内的混凝土未达到规程规范要求的搅拌时间就往搅拌机中继续加料的情况发生。搅拌时间控制装置在料斗下入原料成后开始锁止机器，两分钟后自动解锁，施工人员方可进行下一次装料倒料。以此来保证混凝土的搅拌时间满足规程规范要求。

7、微控制器芯片选择

单片机是目前这个科技时代非常重要的微处理控制器，是一种集成芯片。将大量功能电路整合到一块硅片上，从而构成一个微型计算机系统，广泛应用于各领域中。它能够完成各种逻辑控制功能。这就等同于一个微型的计算机设备，具备大部分计算机所具有的功能。这种体积精巧，成本低廉，功能强大的单片机适用于生产生活中许多领域的各种设备系统当中，应用可谓是相当广泛。

在单片机中，多样化的数据采集和控制系统可以使单片机完成各种复杂的操作，无论是控制操作符号还是给系统下达操作指令，都可以由单片机完成。由此可见，单片机以其强大的数据处理技术和计算功能，在智能电子设备中得到了充分的应用。总之，单片机是一个芯片，这个芯片构成一个系统，通过应用集成电路技术，将数据的操作和处理能力集成到芯片中，实现高速的数据处理。

目前市面上常见的单片机有很多种，本次设计中要选用具有良好的性能且性价比要高的单片机。通过表7.1各类单片机的参数，可以更直观的进行对比。

表.1 各类单片机对比

单片机	总线宽度	功耗	编程	I/O口	速度	功能	性价比
51单片机	8位	高	易	数量少	低速	简单	低
MSP430单片机	16位	低	繁琐	有输出	中等	简单	一般
STM32单片机	32位	中	易	有输出	高速	多样	高

由于内部CPU处理总线宽度的区别，51系列单片机可以处理8位数据，而430系列单片机能够处理16位数据。在这一方面STM32系列的单片机则能处理32位的数据，很显然在运算速度上STM32系列的单片机是有很大有优势的。

在功耗方面，51单片机功耗很高，但是430系列单片机具有超低功耗模式。虽然STM32系列单片机不具备430系列单片机的超低功耗的模式，但是其低能耗，高性能的特点也很突出。本设计中主要考虑到核心板必须要具有良好的性能，不需考虑低功耗的问题。

在编程方面，51系列单片机结构简单比较入门，而430系列单片机网络资源较少不易上手。STM32系列单片机在编程方面，具有很大优势，它拥有自己的程序例程库，在编程方面会有很大的优势，编程更加简单就会节省大量设计者的时间成本。

在运行速度方面，51系列单片机是一款比较基础的芯片，在运行处理的速度上较低，MSP430系列单片机运行处理的速度也比较一般。STM32系列单片机在运行和处理的速度上是非常出色的，对于设计一些高速高精度的仪器设备和系统中，使用是非常广泛的。

在综合运用的功能上，51系列单片机是一款简单的，功能不够完备的的单片机，如果想要利用此芯片开发一系列产品，就必须外接各种功能模块，这样会使硬件电路以及软件系统更加复杂，从而导致系统可靠性大大降低。而430系列单片机在功能上比51系列单片机要丰富一些，在信号处理等方面比较优秀，但依旧不如STM32系列单片机更加功能强大，数据处理能力强。

在性价比方面，由于STM32突出的良好性能指标，以及其强大的功能，在各类单片机中脱颖而出。而且STM32系列单片机兼容性非常强，在各类应用中都可以被广泛使用。

在STM32系列的单片机中常用的型号包括STM32F1系列，STM32F4系列，STM32F7系列等等。他们的功能模块结构没有太多变化，只存在一些性能差异。

表7.2 STM32系列芯片对比

STM32	内核	最高主频	FSMC速度	FLASH	RAM
STM32F1	Crotex-M3	72MHZ	5M	1024K	96K
STM32F4	Crotex-M4	180MHZ	33M	2048K	384K
STM32F7	Crotex-M7	216MHZ	72M	2048K	512K+16K

STM32系列的单片机型号繁多，通过表7.2的对比，再结合对本次设计的功能和性能要求来看，STM32F1系列的速度可能可以满足AD7606要求，但不适合后续的长期开发与使用。STM32F4系列的速度能够达到要求，且F4系列芯片速度较快功能较强，比较适合后续若干年的使用。而STM32F7系列的芯片虽然也能达到实验要求，但是为了节约设计成本选择STM32F4系列的STM32F407ZGT6型号的芯片就可以了.这样既能够达到性能要求又节约了成本。

5. 主要成果

通过该山区智能搅拌系统，可使劳动出产率大大提高，节约劳动力，降低成本。确保混凝土质量,从根本上改变了现场涣散搅拌配料不精确的状况。