静压桩机的自动调平系统设计

南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页摘 要我的设计课题是静压桩机的自动调平系统，现在的静压桩机基本上都是使用手动调平，费时费力，调平精度不高。本文提出了一种利用 PLC 实现自动调平的系统，依靠 PLC 的计算和逻辑判断功能来指挥支腿液压缸的收缩，从而实现自动调平。自动调平系统具有调平时间短，精度高，效率高，抗干扰能力强等优点。将调平系统应用于静压桩机具有很好的经济意义和社会意义。关键词：可编程控制器(PLC)，静压桩机(Jack-in Pile Machine )，自动调平系统(Auto Leveling System)。南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页Abstract : My design is Auto Leveling System of Jack-in Pile Machine .in now , Jack-in Pile Machine is leveled by hand , which wastes time and labor force ,and the Accuracy is not very high. This article put forward a standpoint of auto leveling system by PLC. This system is depend on the calculation function and logic Judgment function of PLC, the auto leveling system has many Advantages such as short the leveling time ,high accuracy, high efficiency and the anti- interference ability is strong. The Auto Leveling System used in the Jack-in Pile Machine has good economic meaning and social meaning.Keywords : PLC , Jack-in Pile Machine, Auto Leveling System.南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页1. 静压桩机的概况1.1 静压桩机的总体介绍YZY400 型静压桩机由支腿平台结构、行走机构、压桩架、配重、起重机、操作室等部分组成。1.1.1 长船行走机构 长船行走机构由内船体、行走台车与顶升液压缸等组成。液压缸活塞杆球头与船体相联接，缸体通过销铰与行走台车相联，行走台车与底盘支腿上的顶升液压缸铰接。工作时，顶升液压缸顶升使长船落地，短船离地，接着长船液压缸伸缩推动行走台车，使桩机沿着长船轨道前后移动。顶升液压缸回程使长船离地，短船落地。短船液压缸动作时，长船船体悬挂在桩机上移动，重复上述动作，桩机即可纵向行走。1.1.2 支腿平台机构该部分由底盘、支腿、顶升液压缸和配重梁组成。底盘的作用是支承导向压桩架、夹持机构、液压系统装置和起重机，底盘里面安装了液压油箱和操作室，组成了压桩机的液压电控系统。配重梁上安置了配重块，支腿由球铰装配在底盘上。支腿前部安装的顶升液压缸与长船行走机构铰接。球铰的球头与短船行走及回转机构相联。整个桩机通过平台结构连成一体，直接承受压桩时的反力。底盘上的支腿在拖运时可以并拢在乎台边，工作时打开并通过连杆与平台形成稳定的支撑结构。1.1.3 夹持机构与导向压桩架该部分由夹持器横梁、夹持液压缸、导向压桩架和压桩液压缸组成。夹持液压缸装在夹持横粱里面，压桩液压缸与导向压桩架相联。压桩时先将桩吊入夹持器横梁内，夹持液压缸通过夹板将桩夹紧。然后压桩液压缸作伸缩运动，使夹持机构在导向架内上下运动，将桩压人土中。压桩液压缸行程满后松开夹持液压缸，返回后继续上述程序。1.1.4 短船行走机构与回转机构 它由船体、行走梁、回转梁、挂轮机构、行走轮、横船液压缸、回转轴和滑块组成。回转梁两端与底盘结构铰接，中间由回转轴与行走梁相联。行走梁上装有行走轮，正好落在船体的轨道上，用焊接在船体上的挂轮机构挂在行走梁上，使整个船体组成体。液压缸的一端与船体铰接另一端与行走梁铰接。工作时，顶升液压缸动作，使长船落地，短船离南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页地然后短船液压缸工作使船体沿行走梁前后移动。顶升液压缸回程，长船离地，短船落地，短船液压缸伸缩使桩机通过回转梁与行走梁推动行走轮在船体的轨道上左右移动。上述动作反复交替进行，实现桩机的横向行走。桩机的回转动作是：长船接触地面，短船离地、两个短船液压缸各伸长1/2行程，然后短船接触地面，长船离地，此时让两个短船液压缸一个伸出个收缩，于是桩机通过回转轴使回转梁上的滑块在行走梁上作回转滑动。油缸行程走满，桩机可转动15度左右，随后顶升液压缸让长船落地，短船离地，两个短船液压缸又恢复到1/2行程处，并将行走梁恢复到回转梁平行位置。重复上述动作，可使整机回转到任意角度。1.2 静压桩机的优点1.2.1 在施工时无噪音。适合对噪音有限制的市区作业，尤其是在城市居民区、学校教育区、医院疗养区、重要机关附近施工。1.2.2 施工时无振动。压桩所引起的桩周围土体隆起和水平挤动，比打入桩要小，适用于危房、精密仪器房及江河岸边、地下管道较多的地区施工。1.2.3 静压桩的施工应力比打入桩小，可节约钢材和水泥，降低成本。并可适当提高砼身承载力。1.2.4 压桩力及桩段入土动态能自动记录和显示，桩的承载力比较有保证，对压桩力可以控制，确保工程质量。1.2.5 施工速度快、工效高、工期短。单机每台班可完成1215根桩的施工，送桩入土深度较深且送桩后桩身质量较可靠。桩的长度不受施工机械的限制。1.2.6 适宜于较软土层，尤其是持力层起伏变化大的土层施工。也适宜于覆土层不厚的岩溶地区。这些地区用钻孔桩很难钻进，用冲击桩易卡锤，用打入桩易打碎，只有静力压桩是慢慢地压入并能显示压入阻力，收到了较好的技术经济效果。1.2.7 由于压桩机的工作高度不高，重心底，所以机器的施工操作和保养较为方便，并可避免高空作业中有不安全的因素。桩机作业人员少，劳动强度低，施工文明。整机拆、运、装十分方便。1.3 静压桩机先进技术和未来发展方向1.3.1 新型步履式行走底盘新型步履式行走底盘采用两层式结构，简单可靠；短船自动复位机构，具有回转自动复南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页位功能，解决了传统桩机在回转过程中短船需人工进行复位的问题，有效地降低了工人的劳动强度；在回转平台上巧妙地设计了回转补偿装置，有效地提高了设备的工作可靠性；纵移机构具有均载联动功能，通过联动液压缸将前后两顶升液压缸活塞杆径向浮动连接，使桩机在纵向移动时，前后顶升缸活塞杆联合动作并实现负载均衡，其优越性在大吨位桩机上尤显突出。边桩、角桩处理技术沿压桩机纵向移动方向(即压桩机细长方向)一端布置处理边桩、角桩的机构，有效实现了同一套装置同时近距离处理边桩和角桩的目的。对于小型压桩机，将正常压桩、夹桩的一套机构全部移到此处安装；对于大中型压桩机，则另外提供一套较简单的压桩夹桩机构，在需要处理边桩、角桩时安装。在桩机配重保持正常的情况下，就能做到处理边桩和角桩时充分利用桩机的自重。1.3.2 多点均压式夹桩技术在圆周方向均布的若干个夹桩液压缸分上下两层轴向布置，分别通过与之相连的锥形块驱动对应的钳口同时向中心收缩对桩进行夹持。由于锥面的增力作用，多瓣钳口从多个方向可靠地夹紧预制桩。钳口的分布数量可以根据实际需要任意确定，以适应管桩的不规则性。这种夹桩机构利用手握鸡蛋的夹持效果，有效地运用了锲形块的增力原理，将夹桩液压缸轴向布置，钳口在桩周实施多层多瓣多点夹持，并具有一定的浮动功能，能自动适应桩身的表面状况自动定心，从而达到桩身均压，使其应力分布均匀的目的。在夹桩油压相同(24MPa)时所产生的夹桩力更大，而桩身应力峰值仅为采用传统夹桩机构所产生的桩身应力峰值的30%。由于锲形块的自锁作用，避免了普通型夹桩机构因夹持液压缸及系统元件的泄漏可能引起的夹桩打滑甚至座机现象的发生，提高了夹桩机构的安全可靠性。尽管其结构较复杂，但具有定心效果好、桩周夹持均匀、安全可靠的特点，有效地解决了夹桩时桩身破损以及大吨位压桩打滑的难题，即使用于壁厚仅为55mm的薄壁管桩或压桩力超过7000kN时，也不会发生桩破损的情况。静压静力压桩机的发展趋势随着静压桩施工技术的发展以及人们环保意识的进一步加强，液压静力压桩机的应用将获得更广泛的推广。同时，液压静力压桩机技术及产品将由粗放型向功能精细化、操作智能化方向发展。其发展趋势可归纳如下：(1) 进一步多功能化，产品适应能力进一步加强。在较厚硬隔层地质条件下施工时，设南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页计并配置专用的螺旋钻，提高压桩机的穿透能力和对地质的适应能力；对大吨位桩机开发相应的夯实装置，实现以静压替代强夯压桩管径可从目前的最大600mm增大到800mm以上。(2) 智能化操作与施工的压桩机开发。开发机身液压自动调平系统，压桩过程计算机自动记录及承载力在线测试，夹持力自动均衡控制，实现产品的智能化操作。(3) 异型桩夹持装置的开发。特别是与钢板桩、工字钢桩、锥形桩等相适应的夹桩机构的开发。(4) 压桩力大、质量轻机型产品的开发。特别是对于钢板桩连续墙施工产品的开发将是今后静力压桩机发展的新领域。(5) 适应于北方寒冷地区气温低、冻土层较厚的桩机产品的开发。(6) 产品向高档次、高可靠性方向发展。南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页2. 静压桩机自动调平系统设计2.1 多油缸同步控制系统设计由于静压桩机在工作和行走过程中要保持平台的水平，而平台的升降是由油缸驱动执行的，所以要保证平台的水平就需要驱动平台的多个油缸实现同步控制。多油缸同步控制系统由同步检测子系统、同步控制子系统和电液实现子系统三大子系统组成，确定油缸同步控制方式的步骤如下：根据同步缸数量、行程和同步要求确定同步子系统检测方式（接触式或非接触式） 、检测方法(绝对或相对检测法)、检测量(位移量或速度量等)和检测结构(传感器的布置和选择等)；由检测系统确定同步控制子系统中的控制方式(单片机控制,控制或工控机控制等)和控制基准量(检测量的最大值,平均值等)；由同步要求确定电液实现子系统的方式选择(主动补偿式,进油调控式等)；最后确定同步控制子系统的控制策略的选择(模糊控制,控制,模糊-等)。根据液压系统的设计结果可知，本系统选用了四缸同步系统，其同步系统示意图如下图所示。四缸同步系统研究的现状如下:南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页四缸同步系统示意图(1)采用相对检测法,选定检测基准油缸(下称基准缸),测量出其他三个缸的相对位移误差值。(2)利用光栅传感器作为检测元件,光栅定尺在基准缸的结构布置较为复杂。(3)采用的电液实现系统只能对相对位移滞后的缸进行补偿,不具普遍性。(4)控制策略单一,不具备比较性。基于上述情况，本系统的控制方案初步选定如下：选择四缸中的某一缸作为基准缸，采用倾角传感器测量平台的倾斜程度；将此倾角偏差值送入 PLC 系统的模拟量输入模块，通过PLC 的 CPU 进行运算得出油缸的同步误差大小；PLC 系统根据油缸的同步误差大小调用内部的PID 控制子系统实现控制信号调节；调制后的控制信号由 PLC 模拟量输出模块送到伺服放大板上进行功率放大，最后驱动电液实现子系统，使四缸保持同步。根据上述选定方案可知，本油缸同步系统需要倾角传感器、电液比例液控多路换向阀、PLC等元器件，下面简要介绍这些元器件的选型。2.2 油缸同步跟踪系统的建模系统的控制策略已经在上一章进行了介绍，简要的说，就是选取四缸中的某一缸为基准缸，其它三只缸跟踪基准缸随动。下图表示了某缸跟踪基准缸随动示意图，假设左边为基准缸，当右边缸与左边缸不同步时，倾角传感器产生电信号经过变送器送如 PLC 的 A/D 处理模块，PLC 的 CPU 对倾角误差进行线性化处理、 PID 调节后送入 PLC 的 D/A 处理模块，D/A调理后的信号经过伺服放大板驱动电液比例阀的阀芯运动，从而调节油缸运动速度的快慢，保持两个油缸的同步。下面给出两缸同步跟踪的数学模型：南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页Ps倾 角 传 感 器 变 送 器 A/D转 换CPU控 制 模 块 HMID/A转 换某缸跟踪基准缸随动示意图电液比例阀的线圈回路传递函数为 sTi1电液比例阀的传递函数 svssvsv KCMG2)(执行元件（油缸）的传递函数 ygygygVs21)(没有弹性负载的四通阀控制油缸简化传递函数为： )12()(ssFAKXshLpcevpqp若忽略信号变送器、A/D 模块及 D/A 模块等环节的时间常数，可得系统的传递函数框图为南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页同步跟踪系统的传递函数框图为了使整个跟随系统能获得较好的动、静态性能（如良好的阶跃响应特性，斜坡响应特性） ，系统采用工程调节中广为使用的 PID 调节器。2.3 PID 控制原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 60 年的历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候，便最适合用 PID 控制技术。 比例积分微分控制包含比例、积分、微分三部分，实际中也有 PI 和 PD 控制器。PID 控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量，图 1.2a 中给出了一个 PID 控制的结构图，控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中可用公式(1.2a)表示如下:(1.2a)将(1.2a)式进行 Laplace 变换后得：(1.2b)公式中 和 分别为 和 的拉氏变换， ， 。 、 分别为控制器的比例、积分、微分系数。（1）比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差讯号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 （2）积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （3）微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）和（或）有滞后(delay)的组件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重地冲过头。 所以对有较大惯性和（或）滞后的被控对象，比例+微分(PD)的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 2.4 系统主要电气和液压参数(1) 系统工作电压： 830VDC(2) 液压系统最大流量： 100L/min,工作压力：25Mpa. (3) 调平倾斜度范围 : 3(4) 双轴传感器调平精度 :0.5 (5) 调平系统支腿安全压力:15 25Mpa.；(6) 系统适用温度范围： -2050 。2.5 系统硬件设计2.5.1 根据调平原理分析控制要求(1).传感器的布置是将三个传感器和四个支腿连接在一起，腿1通过pid程序和腿2始终保持水平和同时动作，腿3通过pid程序和腿1始终保持水平和同时动作，腿4通过pid程序和腿1始终保持水平和同时动作。(2).按下自动开关，系统进行自动调平，并在工作的时候始终保持机体水平，监视整个机体的情况，发生倾斜即进入调平程序。南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页(3).若四个调平支腿中任何一个支腿碰到下限位开关，自动调平系统停止，整个机体上升，四个换向阀全开，5s后停止上升。进入自动调平程序。(4).四个调平支腿中任何一个支腿碰到上限位开关，自动调平程序停止，整个机体下降，四个换向阀全开，5s后停止下降。进入自动调平程序(5).按下停止按钮，自动调平程序和手动程序全部停止，换向阀中位。液压回路锁定。(6).自动调评程序执行过程中，手动调平按钮失效。手动调平程序执行过程中，自动调平按钮失效。(7).整个机体水平，绿灯亮，机体倾斜，红灯亮(8).调平误差 0.5度以内。(9).按下撤收按钮，四个换向阀全开，当四个支腿碰到各自的下限位开关停止。2.5.2 根据控制要求确定用户所需要的输入/输出设备，确定PLC的I/O点数选择西门子s7-200，CPU型号为CPU224，输入输出扩展模块EM223（1）、EM 223 24V DC 16 输入/16 输出和 EM223 24V DC 16 输入/16 继电器输出。PLC数字、模拟量输入点的分配如下：1. I0.0腿1下限位开关2. I0.1腿1上限位开关3. I0.2腿2下限位开关4. I0.3腿2上限位开关5. I0.4腿3下限位开关6. I0.5腿3上限位开关7. I0.6腿4下限位开关8. I0.7腿4上限位开关9. I2.0手动控制按钮-腿1伸10. I2.1手动控制按钮-腿1缩11. I2.2手动控制按钮-腿2伸12. I2.3手动控制按钮-腿2缩13. I2.4手动控制按钮-腿3伸14. I2.5手动控制按钮-腿3缩15. I2.6手动控制按钮-腿4伸16. I2.7手动控制按钮-腿4缩南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页17. I3.0自动控制按钮18. I3.1手动控制按钮19. I3.2油泵1起动输入20I3.3油泵1停止输入21. I3.4油泵2起动输入22I3.5油泵2停止输入23. AIW0传感器1输入24. AIW2传感器2输入25. AIW4传感器3输入PLC数字、模拟量输出点的分配如下：输出设备：1. Q0.0红灯2. Q0.1绿灯3. Q0.2油泵1控制4. Q0.3油泵2控制5. AQW0伺服阀1左继电器6. AQW2伺服阀1右继电器7. AQW4伺服阀2左继电器8. AQW6伺服阀2右继电器9. AQW8伺服阀3左继电器10. AQW10伺服阀3右继电器11. AQW12伺服阀4左继电器12. AQW14伺服阀4右继电器通过以上的统计，该系统总共有23个输入，16个输出。2.6 系统软件设计 2.6.1 根据控制要求编写设计流程见图纸2.6.2 根据设计流程编写程序：南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页见附录 3. 自动调平系统元器件介绍3.1 倾角传感器3.1.1 传感器分类倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为三种倾角传感器（1）固体摆式（2）液体摆式（3）气体摆式3.1.2 固、液，气体摆性能比较就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要求。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类。南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页3.1.3 倾角传感器产品现状与发展趋势为获得倾角传感器产品资料，参考了传感器世界、传感器产品目录等，又采用了互联网查询及生产厂家的代理商咨询等形式查阅了大量的倾角传感器资料，从反馈的信息可知，目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多，且分辨率较高。就国内产表 1 倾角传感器产品产品名称 总量程 分辨率 线性度 工作温度(C)存储温度(C)频率响应(Hz)工作原理膜电位倾角传感器 60 0.001 1% -4060 -5065 0.5 利用重力对流体的作用引起膜电位变化AccuStar 系列 30 0.01 0.3 -4085 -5585 0.5 利用重力对气泡的作用引起电容的变化斜角测量仪系列 1600.12/弧度2% -1871 -4071 0.5 利用重力引起质量块位置变化有位移传感器测量液体摆组合 1 0.001 1% -4060 -5065 0.5 利用重力引起电解液液位变化，从而使电流变化SZ 型倾角传感器 090 0.2 40 WTX 型磁敏电阻非接触倾角传感器45或090VW20, +16256AN I2.4AN M0.0AN M8.0AN M1.0CALL pid 程序 1= M2.0NETWORK 3LD SM0.0AW VW20, +16256AN I2.4AN M0.0AN M8.0AN M1.0CALL pid 程序 4= M4.0NETWORK 6LD SM0.0AW VW20, +16256AN I2.4AN M0.0AN M8.0AN M1.0CALL pid 程序 7= M6.0NETWORK 9LD SM0.0AW= VW12, +0MOVW +0, VW10NOTMOVW 16#FFFF, VW10NETWORK 4LD SM0.0+R VD10, VD14INCW VW0NETWORK 5LDW= VW0, VW2MOVD VD14, VD18ENCO VW2, AC0SLD VD18, AC0MOVD +0, VD14MOVW +0, VW0NETWORK 6 /NETWORK TITLE (single line)/ /NETWORK COMMENTS南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页子程序 4NETWORK 1 /NETWORK TITLE (single line)/ /NETWORK COMMENTS/ LD SM0.0MOVR 0.508, VD104MOVR 0.1, VD112MOVR 0.1, VD116MOVR 10.0, VD120MOVR 0.0, VD124NETWORK 2LD SM0.0ITD AIW2, AC0DTR AC0, AC0/I +32000, AC0MOVR AC0, VD100NETWORK 3LD I2.2PID VB100, 2NETWORK 4LD SM0.0MOVR VD108, AC0*R 32000.0, AC0ROUND AC0, AC0DTI AC0, AC0南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页MOVW AC0, AQW8NETWORK 5 /NETWORK TITLE (single line)/ /NETWORK COMMENTS子程序 5/NETWORK COMMENTS/ LD SM0.0MOVR 0.508, VD104MOVR 0.1, VD112MOVR 0.1, VD116MOVR 10.0, VD120MOVR 0.0, VD124NETWORK 2LD SM0.0ITD AIW0, AC0DTR AC0, AC0/I +32000, AC0MOVR AC0, VD100NETWORK 3LD I2.2PID VB100, 3NETWORK 4LD SM0.0南京工业大学毕业论文第 页 共 38 页MOVR VD108, AC0*R 32000.0, AC0ROUND AC0, AC0DTI AC0, AC0MOVW AC0, AQW10NETWORK 5 /NETWORK TITLE (single line)/ /NETWORK COMMENTS子程序 6NETWORK 1 /NETWORK TITLE (single line)/ /NETWORK COMMENTS/ LD SM0.0MOVW +0, VW0MOVW +100, VW2MOVD +0, VD10MOVD