土壤界限含水率是指黏性土从一个状态过渡到另外一个状态时的分界含水率，也称稠度界限^[1-2]。根据含水率不同，可将土体分为4种状态：流动状态、可塑状态、半固体状态、固体状态。流动状态过渡到可塑状态时的分界含水率称为土的液限，可塑状态过渡到半固体状态时的分界含水率称为土的塑限^[3]。液限和塑限是土的重要工程指标，二者的差值定义为塑性指数，其可以作为土的工程分类依据。通过土的液限与塑限及天然含水量可以求解出液性指数，其可以作为估算地基土承载力的重要指标。传统的土壤界限含水率的检测方法有TDR法、负压计法、中子法和电极法等^[4-5]。而测量土的液、塑限的方法有液-塑限联合测定法，碟式仪液限试验法，滚搓法塑限试验法，收缩皿法和缩限试验法等^[6]。上述方法均需要在现场进行人工操作，耗时较久，数据采集困难；且每次只能传送单个点的数据，数据传输实时性差、技术难度大及成本较高^[7]。为了弥补现有技术中存在的技术缺陷，本文设计了一种土壤界限含水率自动检测系统，用于计算土的塑性指数和液性指数，以划分土的工程类别和确定土的状态，供农业工程的设计和实施之用。

1 系统的组成、原理及功能要求

土壤界限含水率自动检测系统的组成如图 1所示。

如图 1所示，系统由传送带、正方体容器、搅拌容器、电子秤、抹平系统、圆锥仪和加热箱等组成；长方体容器固定在电子称上，电子秤在传送带上；抹平系统、圆锥仪和加热箱自左至右分别依次固定在传送带上方，搅拌容器设在传送带的外侧，加热箱为半封闭式；正方体容器内设有测量容器；搅拌容器的下部横截面小于测量容器的横截面。

上述系统采用采样烘干法^[8-9]测定含水率, 并采用液-塑限联合测定法^[10-11]测定液、塑性指数。

采样烘干法是目前唯一一种可以直接测量土壤水分的方法，也是目前国际标准检测方法，其在测量精度上具有其他方法不可比拟的优势。利用土钻采取土样，用0.1 g精度的天平称取土样的质量，记作土样的湿重M₀，在烘箱内将土样烘至恒重，然后测定烘干土样质量M，根据式(1) 计算土壤含水率ω：

$ \omega =\frac{{{M}_{0}}-M}{M}\times 100% $

(1)

液、塑限采用液-塑限联合测定仪测定，测得土在几种不同含水率时的圆锥入土深度，在双对数坐标纸上绘制圆锥入土深度与含水率的关系直线。根据水利规范、土工试验方法国标规定在直线上查得圆锥入土深度为17 mm处或根据建筑地基基础设计规范深度为10 mm处的相应含水率为液限ω_L，入土深度为2 mm处的相应含水率为塑限ω_P。根据ω_P，ω_L及式(2)、(3) 计算出液性指数I_L和塑性指数I_P，从而对土进行分类和估算地基土的承载力。

$ {{I}_{\text{L}}}=\frac{{{\omega }_{0}}-{{\omega }_{\text{P}}}}{{{I}_{\text{P}}}} $

(2)

$ {{I}_{\text{P}}}={{\omega }_{\text{L}}}-{{\omega }_{\text{P}}} $

(3)

式中ω₀表示天然含水率。

设计的土壤界限含水率自动检测系统能够同时采集多组数据，提高了土壤含水率测定的速度和精度。该系统的主要功能要求如下：

1) 自动搅拌。系统外侧设有圆柱体状的搅拌容器，容器左右外壁各设有一个圆形出口，出口位置分别对准托盘和测量容器；内部装有搅拌装置，用于均匀搅拌土壤。

2) 多组数据同时测定。搅拌容器两侧均有大小相同、结构对称的传送带，其中左侧传送带上固定有5个连接为一体的长方体容器(下方有固定的电子秤，每个容器上设有托盘)。首先记录位于原始位置的土壤质量，当长方体容器到达指定位置后，加热箱开始加热，加热至105 ℃；待托盘内土壤含有的水分全部挥发后再分别读取质量。右侧传送带上固定有5个连接为一体的正方体容器(每个容器设有测量容器)，搅拌容器可以将土壤加载到左右两侧1个或多个容器内，5个圆锥仪可同时测深度。

3) 数据实时传送。数据信息包含土样质量数据和深度数据，其中质量数据包含加热前的质量数据和加热后的质量数据。数据信息通过位于系统右下方的RS232^[12-14]接口实时传送到上位机。

2 系统硬件设计

土壤界限含水率自动检测系统的硬件部分由PLC (programmable logic controller, 可编程逻辑控制器)、传送带电机、电子秤称重模块、圆锥仪测深度模块、加热箱加热模块以及电磁阀组成，其硬件连接图如图 2所示。

2.1 PLC

采用西门子S7-200PLC^[15]作为系统控制核心，其在实时模式下具有速度快、通讯功能强和生产力较高的特点，它所需的I/O端口如表 1所示。

2.2 电子秤

电子秤称量物体得出数据后，通过自带的RS232模块将质量数据传输到PLC上，同时保证电子秤的通信协议和PLC的相同。

2.3 圆锥仪

测量容器到达圆锥仪位置时，条码枪通过扫容器上的条码信息来控制圆锥仪的通断开关。当通断开关断开时，磁铁失电，圆锥自由落体，通过光栅测得测量容器中土壤的深度；当通断开关闭合时，磁铁得电，圆锥被重新吸住。土测深度测量结束后，系统退回初始位置。

2.4 加热箱

加热箱为半封闭式，加热箱底部与长方体容器底部齐平。长方体容器进入加热箱并到达指定位置后，加热箱开始加热，温度数据实时传送到PLC。

3 系统软件设计

系统软件设计包括PLC程序设计和MCGS(monitor and control generated system，监视与控制通用系统)监控界面设计。

3.1 PLC程序设计

PLC程序设计采用STEP7-Micro/WIN编程软件。用模块化设计思想，利用梯形图的方式实现系统控制程序的编写^[16-17]。编程计算机与PLC通过USB通讯电缆连接实现程序的下载和调试。图 3所示为系统的PLC程序控制流程图。

首先启动系统，加土至搅拌容器，再根据需要通过自动加水系统加水，在系统的右下方设有RS232接口。搅拌容器左右两侧各有一个出口，分别可将土加载到长方体容器的托盘内和正方体容器的测量容器内。托盘内的土壤通过电子秤测得加热前的初始质量并将其传送至上位机；长方体容器进入加热箱并到达指定位置后，加热箱开始加热烘干，当加热至105 ℃且土壤质量不再变化(即土壤中含有的水分全部挥发)时，利用电子秤称得加热后的土壤质量，通过加热前后的质量差，可计算出土壤的含水率；多个质量数据可根据需要单独或同时测定。抹平挡板上设有刀片，当正方体容器经过抹平挡板时，高于容器口的土被位于挡板中心的刀片切去，在抹平挡板的右侧设有一块相同宽度的右挡板，用于扫去积累在挡板上方的土；正方体容器上设有条码信息，用条码枪扫描读取条形码来控制圆锥仪的通断开关，通过多个圆锥仪的升降可同时测得土壤的深度并传送至上位机。机器运转时，传送带左右两侧同时工作，一侧测量深度，另一侧测质量。系统能够同时测得多组数据，并实时传送至上位机。

3.2 MCGS监控界面设计

系统的上位机采用MCGS^[18-19]组态软件进行数据监控。图 4所示为利用MCGS组态软件建立系统数据的监控画面。

系统界面上方窗口用于记录基本信息，包括土壤编号、加热箱温度、测量容器个数以及使用托盘个数；下方窗口用于记录实时数据信息，包括圆锥下沉深度、加热前土壤质量、加热后土壤质量以及含水率。界面底部有“启动”“数据清零”“数据保存”以及“退出”等4个按钮。

4 实际应用

为了确定土体类别和状态并估算地基土承载力，现选取天然含水土样。

实际应用步骤如下：

Step 1   首先将土放置搅拌容器内，不加水，将搅拌均匀的土加载到5个托盘中，用电子秤称量托盘经过加热箱前、后的质量，得出5组数据，计算均值获得土壤天然含水率。

Step 2   在搅拌容器中加一定量的水，再次搅拌，将其加载在5个测量容器和5个托盘中；记录5个托盘经过加热箱前、后的质量，利用圆锥仪测量5个测量容器的土壤深度。该步骤重复3次。

Step 3   针对上述3种含水率不同的土壤试样，以含水率为横坐标，测量深度为纵坐标绘制关系图，并根据式(2)、(3) 计算液性指数I_L和塑性指数I_P，从而对土壤进行判断。

本次采集的数据都是实时数据，在处理实验数据的时候，可能会遇到个别数据明显偏离其余数据的情况，这种异常数据会影响实验结果的正确性。由于每组采集的数据较少，可先求取一组数据的平均值，再比较每个数据与平均值的差值，若差值明显偏大，即舍去对应数据。

对不同种类土壤进行编号，检测其天然含水率，图 5所示为1号土壤的实时数据。

测量编号为1的土壤时所用的测量容器和托盘数均为5个，即可同时采集5组数据。从图 5数据可以看出，圆锥下沉深度保持在1.5 mm和1.6 mm左右，没有较大偏差，均值为1.54 mm；同时在搅拌容器不加水的情况下，通过每组数据质量前后的差值计算含水率，5组数据所得的土壤含水率保持在17.8%~18.6%之间，没有较大跳变。这说明5组数据均有效，最终计算平均值得出土壤天然含水率为18.2%。

为了计算出土壤的液性指数和塑性指数，先后向搅拌容器中加水3次，每次加水后也采集5组数据，结果取平均值。第1次加水后，监控界面出现如图 6所示的数据结果。

图 6中显示的数据没有较大偏差，数据有效，得出第1次加水后圆锥下沉深度为4.2 mm, 含水率为25.6%。

图 7所示为第2次加水后的实时数据，第3组数据中圆锥下沉深度较其他几组有明显偏差，且其与平均值偏差较大，数据不合理，故第3组数据不作统计计算。利用其余4组数据得出圆锥下沉深度为10.2 mm，土壤含水率为34.0%。

图 8所示为第3次加水后得到的实时数据，其不存在跳变，表明数据合理，计算得圆锥下沉深度为19.7 mm，土壤含水率为42.1%。

以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制关系曲线，三点连成一直线。倘若3个点不在1条直线上，可通过高含水率的点与另外2点连成2条直线，在圆锥下沉深度为2 mm处查得相应的含水率。当2个含水率的差值≥2%时，应重做实验；当2个含水率的差值 < 2%时，用这2个含水率的平均值与高含水率的点连成一条直线。根据要求绘制如图 9所示的关系曲线。

根据图 9查得17 mm处对应的液限ω_L=40.0%，2 mm处对应的塑限ω_P=20.3%, 则计算得塑性指数I_P=19.7%，液性指数I_L=-0.1 < 0.通过查阅可知，本次采集的土样呈坚硬状态。

5 结论

系统以西门子S7-200PLC为控制核心，传送带在其左右两侧同时工作，右侧测深度，左侧测质量，能够同时采集多组数据，并能实时上传至上位机MCGS监控系统中，具有自动化程度高、操作简单、成本低廉的特点，节约了人力资源，提高了工作效率。该系统可用于测定土壤液、塑限，计算土的塑性指数和液性指数。根据塑性指数可以进行土的分类和地基土承载力的估算，有利于对土壤采取针对性的保护和补救措施。研究结果对农业工程的设计和实施具有一定的参考价值。

该系统已获国家发明专利(土壤界限含水率自动检测装置，ZL201510205333.2)。