基于PLC傳感器的靜力壓樁機控制系統(tǒng)設(shè)計

孟瑜煒，劉軒驛，孫科達(dá)，俞榮棟，林 楠，吳林峰，郭 鼎

（1.浙江大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司工業(yè)信息化研究所，浙江 杭州 310009；3.浙江省能源集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310007；4.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 杭州 311121）

0 引 言

靜力壓樁機作為一種新興的基礎(chǔ)施工設(shè)備，隨著其應(yīng)用范圍增加，壓樁機在施工時存在的一些問題也隨之出現(xiàn)。如當(dāng)下國內(nèi)的靜力壓樁機大部分是手動控制[1]，在樁點定位時，需要一個人操縱壓樁機，多人在地面對樁點位置多次調(diào)整指揮才能夠完成樁點定位，需要耗費很多人力和時間，影響壓樁機施工效率和精度。壓裝機在不同的礦區(qū)環(huán)境下，受到施工地勢的影響，較大的機身傾斜度也會影響施工質(zhì)量[2]。為保證礦區(qū)施工質(zhì)量、大幅度提升工作效率、節(jié)省更多人力、縮減時間消耗，本文設(shè)計基于PLC傳感器的靜力壓樁機控制系統(tǒng)和系統(tǒng)可編程控制器，控制靜力壓樁機完成壓樁機自動定位和自動調(diào)平。

1 基于PLC傳感器的靜力壓樁機控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了壓樁機在礦區(qū)施工時能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制，本文設(shè)計基于PLC傳感器的靜力壓樁機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)收集模塊、核心處理模塊及輸入/輸出模塊構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于PLC傳感器的靜力壓樁機控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

1）核心處理模塊。采用具備8 KB FLASH使用優(yōu)勢的AT98C52單片機作為該模塊的中心管理器[3]，此單片機占用內(nèi)存小、使用損耗低，性價比與使用性能優(yōu)勢顯著。分別采用靜態(tài)RAM62256（32 KB）和ADC0809作為數(shù)據(jù)存儲器和A/D轉(zhuǎn)換。利用8155和8279芯片分別完成三個并行打印輸出接口擴(kuò)展和鍵盤與顯示器的控制。

2）數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊由兩個壓力傳感器、一個光電旋轉(zhuǎn)編碼器，一個壓力繼電器及兩個角位移傳感器組成。其主要功能是對壓樁機的壓樁深度、油壓值和機身水平度等完成采集[4?5]。兩個壓力傳感器分別與主壓樁缸的無鋼腔和夾樁缸的無桿腔相連接。要實現(xiàn)主壓樁缸和夾樁缸油壓的測試，利用壓力傳感器將油壓值轉(zhuǎn)換成的電流信號通過連接輸出端為250Ω的電阻，使電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后，分別利用IN0轉(zhuǎn)換通道和IN1轉(zhuǎn)換通道完成測試。分別采用連接副壓樁缸的壓力繼電器和光電旋轉(zhuǎn)編碼器方式判斷副壓樁缸壓樁情況和壓樁深度的測量。

3）輸入和輸出模塊。將20鍵小鍵盤作為該模塊的使用鍵盤。通過微型打印機輸出壓樁機施工過程中產(chǎn)生的深度、承載力等數(shù)據(jù)；采用8個16位發(fā)光二極管組成的顯示器實現(xiàn)夾樁油壓力以及夾樁力太大產(chǎn)生的報警等數(shù)據(jù)顯示。利用CPU的P1.3~P1.8控制2個電磁換向閥的4個開關(guān)，控制機身調(diào)平信號輸出。

1.2 核心處理模塊

核心處理模塊主要利用PLC傳感器實現(xiàn)該模塊的運行。該模塊利用主控子模塊、自動定位子模塊和機身自動調(diào)平子模塊，完成數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制、設(shè)備啟?？刂?、自動控制等功能。該模塊中CPU、A/D擴(kuò)展分別選用S7?200系列體積小、質(zhì)量輕的CPU226、DS?MPE?DAQ0804。LED采用成都華燦電子科技有限公司的型號為P6的智能數(shù)字顯示屏，完成LED顯示控制。

PLC選擇型號為SS?95U的高速微型PLC。其通過內(nèi)置的數(shù)字運算電子裝置，以及存儲邏輯運算的存儲器，可有效實現(xiàn)不同工業(yè)環(huán)境下的運算執(zhí)行和執(zhí)行動作控制。PLC具備抗干擾性能強、運行可靠、系統(tǒng)擴(kuò)展功能強且在惡劣環(huán)境下依舊能夠工作的優(yōu)勢，可有效協(xié)助壓樁機地處復(fù)雜環(huán)境的施工需求[6?7]，因此，系統(tǒng)選擇基于PLC傳感器的靜力壓樁機作為系統(tǒng)核心控制模塊。

傳感器選擇德國Novotechnik移位傳感器LWH500。該傳感器具備運行速度快、線性度高、分辨率高于0.1 mm且工作量能夠達(dá)到900 mm等優(yōu)勢，且其伸出的測量桿能夠有輕微的徑向移位。

信號轉(zhuǎn)換器選擇與傳感器相匹配的MUK350型號。該轉(zhuǎn)換器防護(hù)等級為IP16，不僅擁有良好線性度還能夠產(chǎn)生4~20 mA的位移信號，同時具有較寬的工作電壓調(diào)節(jié)范圍、能夠使用未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電源及可以承受較大溫差變化等特征。

核心處理模塊主要功能為：

1）完成壓樁機橫向和縱向移動距離的控制及壓樁機機身調(diào)平控制。通過降低施工準(zhǔn)備時間以及相關(guān)人員工作負(fù)荷，降低樁點定位誤差，提升機身平穩(wěn)度。

2）控制LED顯示器。利用對定位移動距離的顯示和監(jiān)控[8]，對樁點實現(xiàn)迅速精準(zhǔn)定位，完成LED顯示的控制。

1.2.1 自動定位子模塊

壓樁機在礦區(qū)施工時，會受到礦區(qū)地勢和礦區(qū)環(huán)境影響，導(dǎo)致樁點定位不準(zhǔn)確，為了解決樁點定位的問題，系統(tǒng)采用樁點自動定位子模塊完成壓樁機施工時的自動定位。樁點定位過程中，參考值的規(guī)劃以臨近樁點的間距為依據(jù)。系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制中的比例控制，為實現(xiàn)系統(tǒng)流量、方向控制，獲取不同速度的位移情況[9]，依據(jù)電磁鐵先導(dǎo)式比例設(shè)置系統(tǒng)電液換向閥比例，并通過電信號轉(zhuǎn)換液體壓力信號方式實現(xiàn)。自動定位子模塊定位流程如圖2所示。

圖2 自動定位子模塊流程圖

1）樁點定位過程中，通過PLC控制多電液換向閥啟動，并抬起支腿油缸，實現(xiàn)壓裝機縱向移動控制。

2）當(dāng)PLC接收到支腿位移傳感器傳送的支腿油缸上升移位量已經(jīng)到達(dá)z1的上升結(jié)束信號后，將電液換向閥關(guān)閉。

3）等待6 ms后，利用PLC啟動電液比例換向閥降低支腿油缸。油缸縱向移動一個周期結(jié)束后，利用PLC控制電液比例閥閉合、電液換向閥啟動，降低支腿油缸。

4）當(dāng)PLC接收到支腿位移傳感器傳送的支腿油缸下降移位量到達(dá)z2的信號后，控制電液換向閥閉合，電液比例閥啟動，降低支腿油缸。反復(fù)重復(fù)以上步驟，直到PLC接收到智能顯示表反饋壓樁機縱移完成的信號。

5）等待6 ms后，電液換向閥通過PLC控制啟動，并降低支腿油缸。

6）當(dāng)PLC接收到支腿位移傳感器傳送的支腿油缸下降移位量已經(jīng)到達(dá)z2的信號，電液比例換向閥在PLC的控制下啟動油缸橫移動作。

7）PLC在接收到縱移油缸完成一個周期的信號傳送后，控制電液比例閥閉合，控制電液換向閥啟動，提高支腿油缸[10]。

8）當(dāng)PLC接收到支腿位移傳感器傳送的支腿油缸上升移位量為z1的信號后，將電液換向閥關(guān)閉，同時開啟的電液比例換向閥啟動油缸橫移動作[11?12]。反復(fù)重復(fù)以上步驟，直到智能顯示表反饋信號給PLC，此時，表示壓樁機縱移和橫移都完成定位，PLC則控制所有電液閥全部關(guān)閉。

1.2.2 機身自動調(diào)平子模塊

該模塊靜力壓樁機采用同一規(guī)格的油缸作為4條支腿，油缸活塞桿質(zhì)量為w1，如果4個油缸中質(zhì)量黏性阻尼系數(shù)、油缸泄露系數(shù)等都相同，根據(jù)調(diào)平工作時油缸的移動范圍有限的情況[13?15]，4個油缸工作腔和油管油液體積可以視為一致，通過對每一個油缸活塞受力測試后，活塞力平衡方程為：

式中：qi，Ti，si，Hi分別表示第i號支腿油缸無桿腔油壓、第i號支腿油缸無桿腔面積、第i號支腿油缸沿S向的移位、第i號支腿油缸所受負(fù)載力，i=1,2,3,4；支腿油缸活塞與負(fù)載總質(zhì)量為w；支腿液壓系統(tǒng)的黏性摩擦因數(shù)為K；油缸無桿腔的連續(xù)性方程為：

式中：進(jìn)入第i號支腿油缸的流量和泄露系數(shù)分別為Gi和ji；等效容積和油液的體積彈性模量分別為N和J。

流量大小由比例方向閥對進(jìn)入油缸流量G實行控制，與負(fù)載沒有關(guān)系，可以近似表示為：

式中：?τ和sτ分別為比例閥固定頻率和阻尼；JSτ為放大增益；L和L0分別為控制電流和越過死區(qū)電流。

將式（1）~式（3）與拉格朗日動力學(xué)方程公式相結(jié)合：

式中：τ為廣義外力；?為機身自動調(diào)平子模塊運動慣性力為機身自動調(diào)平子模塊運動的哥氏力和離心力；C(g)為調(diào)平自摩卡上的重力項。

虛功原理公式為：

式中：H=(H1,H2,H3,H4)T，H1，H2，H3，H4分別為各個支腿液壓驅(qū)動力即支腿油缸所受負(fù)載力。由于式中τ不是真正的驅(qū)動力，而是作用在(s0,α,β,γ)上的假設(shè)力矩。通過油缸的油壓力促使油缸產(chǎn)生位置變更，改變平臺位置，完成驅(qū)動過程。

結(jié)合式（4）、式（5）即得到機身自動調(diào)平子模塊控制方程。

2 檢測分析

選擇遼寧某礦區(qū)施工的山河智能ZYJ860BG液壓靜力壓樁機作為研究對象，檢測本文設(shè)計系統(tǒng)對研究對象的控制性能。

2.1 系統(tǒng)調(diào)平控制性能檢測

為了測試本文系統(tǒng)的自動調(diào)平控制性能，將實驗對象初始角度的橫向和縱向均設(shè)為6.2°，分別在正常施工情況下、受到磁場干擾情況下及受到電流干擾情況下測試系統(tǒng)的調(diào)平性能，測試結(jié)果如圖3~圖5所示。

圖3 正常情況下自動調(diào)平性能

圖4 受到磁場干擾后自動調(diào)平性能

圖5 受到電流干擾后自動調(diào)平性能

由圖3~圖5可以看出，本文系統(tǒng)在三種不同情況下均能完成自動調(diào)平，且在兩種不同干擾的情況下，分別在16 s和18 s達(dá)到機身平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)壓裝機施工時的自動調(diào)平，證明本文系統(tǒng)具有良好的自動調(diào)平能力，且證明系統(tǒng)傳感器具備良好的抗干擾能力。

2.2 樁點定位精度測試

為了檢測本文系統(tǒng)的壓樁自動定位精度，結(jié)合礦區(qū)樁基礎(chǔ)的施工標(biāo)準(zhǔn)，啟動實驗對象，對11個不同壓樁位置分別進(jìn)行自動定位測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 樁點定位精度測試結(jié)果

由表1所得數(shù)據(jù)可以看出，壓樁機對不同的壓樁位置自動定位時，橫向和縱向兩個方向的誤差范圍均小于2 cm，實驗結(jié)果表明，本文系統(tǒng)具備良好樁點定位精準(zhǔn)度。

2.3 壓樁機調(diào)平精度測試

為了測試系統(tǒng)的壓樁機自動調(diào)平精度，將實驗對象機身的縱向傾斜角度和橫向傾斜角度進(jìn)行手動設(shè)定，設(shè)定參數(shù)分別為-1.84°和-0.86°，然后啟動壓樁機自動調(diào)平子模塊，對機身的角度調(diào)平變化進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 壓樁機調(diào)平精度測試結(jié)果

由圖6可以看出，壓樁機機身在設(shè)定的縱向和橫向傾斜角度下，機身經(jīng)過5 s調(diào)整后，機身達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，平穩(wěn)后的壓樁機機身傾斜角度的偏差小于0.15°。實驗結(jié)果表明，本文系統(tǒng)具備較高壓樁機調(diào)平精度。

3 結(jié) 語

靜力壓樁機在礦區(qū)施工時，成樁質(zhì)量跟機身的水平度有很大關(guān)聯(lián)性，其機身的水平度決定了施工質(zhì)量，由于目前大部分的靜力壓裝機都采取手動調(diào)平方式，因此，本文提出基于PLC傳感器的靜力壓樁機控制系統(tǒng)。采用PLC傳感器實現(xiàn)可編制控制，實現(xiàn)壓樁機操作自動化，通過對4個液壓缸的控制，使機身快速完成自動調(diào)平，滿足施工成功的質(zhì)量要求，也節(jié)省了大量手動調(diào)平的人工消耗。經(jīng)過驗證分析后證明，本文系統(tǒng)具備很好的實用性。