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摘要:介绍了一种基于PLC 的压桩机电液自动调平系统。实现静力压桩机机身的自动调平，提高了调平精度, 而且提高了桩的垂直度和压桩质量, 从而减轻了油缸的损坏程度。
关键词：静力压桩机;控制系统; PLC
中图分类号： O231.1文献标识码：A 文章编号：
1 控制系统的功能与组成
由于压桩机的工作环境恶劣、振动大、油液污染重等缺点, 而PLC 具有抗干擾强, 能在恶劣的环境下工作, 故采用PLC 进行控制。该控制系统主要完成如下的控制功能:
1) 对机身平面进行水平微调。该功能可缩短压桩前机身水平的调整时间, 并能进一步提高待压桩的垂直精度及压桩质量。
2) 能够进行机身水平升降。该功能可以减轻手工操作不当对支腿油缸造成的损坏。
3) 在第一根预制桩的第一个压桩行程中( 当第一根预制桩压入后, 则不能再左右移动进行垂直度的调整) 对机身进行实时监控并保持其水平, 即使当已压入土中的预制桩重新出现倾斜时, 该功能可保证在不停止压入的情况下进行垂直度的调整, 即边压入边调整。
为实现以上功能,同时考虑到客观实际情况及经济上的因素,决定本控制系统的硬件采用以下组成方案:PLC,角位移传感器,电液换向阀,支腿油缸。其中PLC采用德国SIEMENS公司生产的SIMATIC S7—200可编程控制器; CPU 模块选用CPU222/DC/DC/DC;输入采用EM231模块,输出采用EM222数字量输出模块。水平传感器选用WQ36—45 倾斜角传感器, 分辨率达0.01º。图1 为控制系统的方框图。
图1 控制系统框图
2 控制系统的误差及稳定性分析
211 系统参数与分辨率
根据分析确定系统采用两点调平法。压桩机系统的参数如下:
系统调定压力:p= 25 MPa;
系统流量: Q0= 8.3×10-3 m3/s;
两阀同时开启时流入每个阀的流量:
Q1= 4.2×10-3 m3/s；
电液换向阀在25MPa 压力下最小切换时间:
tmin= 55 ms;
PLC 的吞吐时间: tp= 60 ms;
机身平面尺寸:
长L = 8400 mm, 宽W= 4800 mm;
液压缸的速度为( 忽略压缩及泄漏的影响) :
V= Q1/πr2= 4.2×10-3/( 3.14×0.162) m/ s
•52.25 mm/s;
活塞运动的可控最小距离H min为:
H min= V•( tmin+ tp) •6.0 mm;
控制系统的分辨率θ0 可用下式计算:
θ0 = arctan( tan2θx + tan2θy ) 1/2
= arctan( 0.51×10- 6 + 1.56×10- 6) 1/2= 0.09º
其中θx=arctan( )=arctan( )=0.045º
θy=arctan( )=arctan( )=0.080º
式中θx及θy分别为X 方向及Y 方向的最小可控角。
因施工精度要求为θ*=2arctan(0.3/100)=2×0.19º=0.38º>θ0= 0.09º,可见系统分辨率大于施工精度,能够满足工程的要求。
2、2 系统的误差分析
PLC 的采样是在每次扫描用户程序时开始,所以每次采样的时间间隔即是PLC 的循环周期。传感器的响应时间是1.5ms, 由于原PLC 的吞吐时间tp<55 ms, 故对扫描时间进行了调整。为计算简便, 将传感器的响应时间并入PLC 的吞吐时间内, 调整后的时间大约为tp = 60ms。系统的反应时间主要是PLC 的吞吐时间与电液换向阀的反应时间, 由于存在扫描周期电液换向阀的反应时间, 因此系统可能出现如下两种典型的延迟情况。
1)最小延迟。当机身到达水平位置时(即机身平面法矢与锥体母线重合) , 一次采样刚开始,PLC采集反馈信息并执行程序,计算的结果是关闭电液换向阀。发出关闭指令, 电液换向阀执行指令, 共需时间T = tp+ tmin=115ms, 此时机身平面法矢向铅垂线N0 靠拢的角度大小是θ1, 等于系统分辨率θ1= θ0=0.09º。
2) 最大延迟。当机身即将到达还未到达水平位置时, 一次采样刚结束, PLC 采集反馈信息并执行程序, 计算采样的结果是仍需保持电液换向阀开启。发出保持命令, 共需时间tp1=60ms,此时机身早已越过水平位置。完成这次扫描周期后, PLC 再次采集反馈信息, 计算结果是关断电液换向阀并发出关断指令, 共需时间tp2=60ms, 电液换向阀反应时间为tmin=55ms, 则总的时间为T=tp1+tp2+tmin=175ms。在时间T 内活塞上升的距离为H=V•T=9.1mm, 机身平面法矢向铅垂线N0 靠拢的角度为θ2= arctan( tan2θx +tan2θy ) 1/2=0.14º。
由于机身调平是由负角(相对传感器而言)逐渐减小到零的过程,则系统的误差可用角度Δθ表示为:
（ 1～ 2）=（0.05º～0.09º）,其中 1=∣θ*∣-∣θ2∣=0.19º-0.14º =0.05º,2=∣θ*∣-∣θ1∣=0.19º-0.10º =0.09º.
上述讨论是理想情况下的结果, 实际上由于安装的误差及电子元件参数的差异, 系统的误差要大于上述计算值, 实际值约为(0.05º~0.10º) 。
2.3 系统的稳定性分析
系统属于闭环控制中的比例控制, 即开关量的控制, 活塞基本上作匀速运动。为保证系统的稳定性, 采取了以下措施:
1)由于电液换向阀在换向切换过程中会产生液压冲击而造成机身振动,这将使传感器采样产生异常值。因此必须在程序中编制滤波程序以剔除异常值。
2) PLC 程序执行时间不能小于电液换向阀的反应时间55 ms, 以避免由于来不及换向而产生紊乱, 从而使系统失稳。从检测出机身进入水平误差范围内到液压缸停止运动时, 机身运动的角度约为0.10º ~0.14º之间, 因此系统在给定的水平误差范围±0.19º内是稳定的。
3 控制过程的实现及程序设计
系统假定机身是不可变形的, 而支腿油缸允许有微小间隙可左右及前后移动。
3.1 控制过程的实现
3.1.1 机身微调平过程。由于电液换向阀只有通断两种状态, 故只能根据传感器的反馈信号( 即偏差量的大小) 决定何时通断。同时考虑到PLC 的工作特点,采用的调平方案为: 启动微调平按钮( PLC 开始执行程序) , PLC 在每个扫描周期内检测倾斜角传感器反馈回来的机身倾斜角值, 并与给定值进行比较与计算, 得出偏差值, 如偏差值大于给定植, 则开启相应的电液换向阀, 驱动相应的的液压缸活塞运动, 并保持该上升运动状态。当机身进入0.3% 的倾斜度的误差范围内时,关闭电液换向阀, 调平结束。
3.1.2在第一个压桩行程中的机身水平保持 由于PLC 的工作特点是永不停息地循环扫描用户程序, 故在调平结束后, 只要不按下停止按钮, PLC 仍处于工作状态, 即不停地检测传感器的反馈信号。因此, 在第一个压桩行程中, 机身若重新出现倾斜, PLC 会随时发出调平信号, 完成机身在该过程的实时保持功能。
3.1.3 水平升降的处理 机身水平升降控制的是4条支腿油缸的进油速度, 即液压油以同样的流量进入4 条支腿液压缸内。4 只阀全部开启后由于各种外界因素的影响, 导致阀的流量不相同, 从而使机身在升降过程中重新产生偏差。由于电液换向阀不能控制流量, 因此采用4 支缸全部开启后, 检测传感器的信号,当倾斜超过允许的范围( 该范围大于机身微调平时的水平范围, 以加快升降的速度) 时, 关闭位置最高的液压缸, 然后转入粗调平程序。当机身进入设定的范围时, 转出调平程序, 重新开启4 只电液换向阀继续上升或下降。当到达指定的位置后, 按下停止按钮( 人工控制) , 即关闭所有的油缸, 再进行最后微调平。
结 语
静力压桩机安装了PLC 自动调平系统后, 经实践证明, 缩短了压桩前的准备工作, 提高了调平精度, 同时在很大限度上减轻了因机身不平衡对支腿油缸的损坏。自动调平系统能迅速地在压桩过程中消除桩垂直度的偏差, 响应速度能够满足施工要求。其调节时间比原手动系统缩短了3~ 10 倍, 精度也提高将近1 倍。
关键词：静力压桩机;控制系统; PLC
中图分类号： O231.1文献标识码：A 文章编号：
1 控制系统的功能与组成
由于压桩机的工作环境恶劣、振动大、油液污染重等缺点, 而PLC 具有抗干擾强, 能在恶劣的环境下工作, 故采用PLC 进行控制。该控制系统主要完成如下的控制功能:
1) 对机身平面进行水平微调。该功能可缩短压桩前机身水平的调整时间, 并能进一步提高待压桩的垂直精度及压桩质量。
2) 能够进行机身水平升降。该功能可以减轻手工操作不当对支腿油缸造成的损坏。
3) 在第一根预制桩的第一个压桩行程中( 当第一根预制桩压入后, 则不能再左右移动进行垂直度的调整) 对机身进行实时监控并保持其水平, 即使当已压入土中的预制桩重新出现倾斜时, 该功能可保证在不停止压入的情况下进行垂直度的调整, 即边压入边调整。
为实现以上功能,同时考虑到客观实际情况及经济上的因素,决定本控制系统的硬件采用以下组成方案:PLC,角位移传感器,电液换向阀,支腿油缸。其中PLC采用德国SIEMENS公司生产的SIMATIC S7—200可编程控制器; CPU 模块选用CPU222/DC/DC/DC;输入采用EM231模块,输出采用EM222数字量输出模块。水平传感器选用WQ36—45 倾斜角传感器, 分辨率达0.01º。图1 为控制系统的方框图。
图1 控制系统框图
2 控制系统的误差及稳定性分析
211 系统参数与分辨率
根据分析确定系统采用两点调平法。压桩机系统的参数如下:
系统调定压力:p= 25 MPa;
系统流量: Q0= 8.3×10-3 m3/s;
两阀同时开启时流入每个阀的流量:
Q1= 4.2×10-3 m3/s；
电液换向阀在25MPa 压力下最小切换时间:
tmin= 55 ms;
PLC 的吞吐时间: tp= 60 ms;
机身平面尺寸:
长L = 8400 mm, 宽W= 4800 mm;
液压缸的速度为( 忽略压缩及泄漏的影响) :
V= Q1/πr2= 4.2×10-3/( 3.14×0.162) m/ s
•52.25 mm/s;
活塞运动的可控最小距离H min为:
H min= V•( tmin+ tp) •6.0 mm;
控制系统的分辨率θ0 可用下式计算:
θ0 = arctan( tan2θx + tan2θy ) 1/2
= arctan( 0.51×10- 6 + 1.56×10- 6) 1/2= 0.09º
其中θx=arctan( )=arctan( )=0.045º
θy=arctan( )=arctan( )=0.080º
式中θx及θy分别为X 方向及Y 方向的最小可控角。
因施工精度要求为θ*=2arctan(0.3/100)=2×0.19º=0.38º>θ0= 0.09º,可见系统分辨率大于施工精度,能够满足工程的要求。
2、2 系统的误差分析
PLC 的采样是在每次扫描用户程序时开始,所以每次采样的时间间隔即是PLC 的循环周期。传感器的响应时间是1.5ms, 由于原PLC 的吞吐时间tp<55 ms, 故对扫描时间进行了调整。为计算简便, 将传感器的响应时间并入PLC 的吞吐时间内, 调整后的时间大约为tp = 60ms。系统的反应时间主要是PLC 的吞吐时间与电液换向阀的反应时间, 由于存在扫描周期电液换向阀的反应时间, 因此系统可能出现如下两种典型的延迟情况。
1)最小延迟。当机身到达水平位置时(即机身平面法矢与锥体母线重合) , 一次采样刚开始,PLC采集反馈信息并执行程序,计算的结果是关闭电液换向阀。发出关闭指令, 电液换向阀执行指令, 共需时间T = tp+ tmin=115ms, 此时机身平面法矢向铅垂线N0 靠拢的角度大小是θ1, 等于系统分辨率θ1= θ0=0.09º。
2) 最大延迟。当机身即将到达还未到达水平位置时, 一次采样刚结束, PLC 采集反馈信息并执行程序, 计算采样的结果是仍需保持电液换向阀开启。发出保持命令, 共需时间tp1=60ms,此时机身早已越过水平位置。完成这次扫描周期后, PLC 再次采集反馈信息, 计算结果是关断电液换向阀并发出关断指令, 共需时间tp2=60ms, 电液换向阀反应时间为tmin=55ms, 则总的时间为T=tp1+tp2+tmin=175ms。在时间T 内活塞上升的距离为H=V•T=9.1mm, 机身平面法矢向铅垂线N0 靠拢的角度为θ2= arctan( tan2θx +tan2θy ) 1/2=0.14º。
由于机身调平是由负角(相对传感器而言)逐渐减小到零的过程,则系统的误差可用角度Δθ表示为:
（ 1～ 2）=（0.05º～0.09º）,其中 1=∣θ*∣-∣θ2∣=0.19º-0.14º =0.05º,2=∣θ*∣-∣θ1∣=0.19º-0.10º =0.09º.
上述讨论是理想情况下的结果, 实际上由于安装的误差及电子元件参数的差异, 系统的误差要大于上述计算值, 实际值约为(0.05º~0.10º) 。
2.3 系统的稳定性分析
系统属于闭环控制中的比例控制, 即开关量的控制, 活塞基本上作匀速运动。为保证系统的稳定性, 采取了以下措施:
1)由于电液换向阀在换向切换过程中会产生液压冲击而造成机身振动,这将使传感器采样产生异常值。因此必须在程序中编制滤波程序以剔除异常值。
2) PLC 程序执行时间不能小于电液换向阀的反应时间55 ms, 以避免由于来不及换向而产生紊乱, 从而使系统失稳。从检测出机身进入水平误差范围内到液压缸停止运动时, 机身运动的角度约为0.10º ~0.14º之间, 因此系统在给定的水平误差范围±0.19º内是稳定的。
3 控制过程的实现及程序设计
系统假定机身是不可变形的, 而支腿油缸允许有微小间隙可左右及前后移动。
3.1 控制过程的实现
3.1.1 机身微调平过程。由于电液换向阀只有通断两种状态, 故只能根据传感器的反馈信号( 即偏差量的大小) 决定何时通断。同时考虑到PLC 的工作特点,采用的调平方案为: 启动微调平按钮( PLC 开始执行程序) , PLC 在每个扫描周期内检测倾斜角传感器反馈回来的机身倾斜角值, 并与给定值进行比较与计算, 得出偏差值, 如偏差值大于给定植, 则开启相应的电液换向阀, 驱动相应的的液压缸活塞运动, 并保持该上升运动状态。当机身进入0.3% 的倾斜度的误差范围内时,关闭电液换向阀, 调平结束。
3.1.2在第一个压桩行程中的机身水平保持 由于PLC 的工作特点是永不停息地循环扫描用户程序, 故在调平结束后, 只要不按下停止按钮, PLC 仍处于工作状态, 即不停地检测传感器的反馈信号。因此, 在第一个压桩行程中, 机身若重新出现倾斜, PLC 会随时发出调平信号, 完成机身在该过程的实时保持功能。
3.1.3 水平升降的处理 机身水平升降控制的是4条支腿油缸的进油速度, 即液压油以同样的流量进入4 条支腿液压缸内。4 只阀全部开启后由于各种外界因素的影响, 导致阀的流量不相同, 从而使机身在升降过程中重新产生偏差。由于电液换向阀不能控制流量, 因此采用4 支缸全部开启后, 检测传感器的信号,当倾斜超过允许的范围( 该范围大于机身微调平时的水平范围, 以加快升降的速度) 时, 关闭位置最高的液压缸, 然后转入粗调平程序。当机身进入设定的范围时, 转出调平程序, 重新开启4 只电液换向阀继续上升或下降。当到达指定的位置后, 按下停止按钮( 人工控制) , 即关闭所有的油缸, 再进行最后微调平。
结 语
静力压桩机安装了PLC 自动调平系统后, 经实践证明, 缩短了压桩前的准备工作, 提高了调平精度, 同时在很大限度上减轻了因机身不平衡对支腿油缸的损坏。自动调平系统能迅速地在压桩过程中消除桩垂直度的偏差, 响应速度能够满足施工要求。其调节时间比原手动系统缩短了3~ 10 倍, 精度也提高将近1 倍。