1、静力压桩机的控制系统分析摘要: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 具有抗干扰强, 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)
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 S7200 可编程控制器; CPU 模块选用 CPU222/DC/DC/D
3、C;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 WQ3645 倾斜角传感器, 分辨率达 0.01。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= 8.310-3 m3/s; 两阀同时开启时流入每个阀的流量: Q1= 4.210-3 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 =
4、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/r2= 4.210-3/( 3.140.162) 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 0 可用下式计算: 0 = arctan( tan2x + tan2y ) 1/2 = arctan( 0.5110- 6 + 1.5610- 6) 1/2= 0.09 其中 x=arctan( )=arctan( )=0.045 y=arctan( )=arctan( )=0.080 式中 x
5、 及 y 分别为 X 方向及 Y 方向的最小可控角。 因施工精度要求为 *=2arctan(0.3/100)=20.19=0.380= 0.09,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 tp55 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
6、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 1, 等于系统分辨率 1= 0=0.09。 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
7、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=VT=9.1mm, 机身平面法矢向铅垂线 N0 靠拢的角度为 2= arctan( tan2x +tan2y ) 1/2=0.14。 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 表示为: （ 1 2）=（0.050.09 ）,其中 1=?*?-?2?=0.19-0.14 =0.05,2=?*?-?
8、1?=0.19-0.10 =0.09. 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(0.050.10) 。 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
9、围内到液压缸停止运动时, 机身运动的角度约为 0.10 0.14之间, 因此系统在给定的水平误差范围0.19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,
10、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
11、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。
