国产欧美日韩精品a在线观看-国产欧美日韩精品一区二区三区-国产欧美日韩精品综合-国产欧美中文字幕-一区二区三区精品国产-一区二区三区精品国产欧美

      活動鏈接：2012年控制網技術專題---控制系統新時代   

   摘要：本文主要論述振動法打樁施工中所采用的電動振動錘多樁錘聯動方案。多樁錘同步振動方案是解決單錘打樁功率不足問題的一種有效方法。作者對多錘同步振動控制的基本原理進行了論述，在此基礎上設計了基于貝加萊ACOPOSinverter變頻器和Ethernet Powerlink 工業實時以太網的主從速度補償同步振動控制系統并制訂了速度同步與相位同步的控制策略。工業試驗表明，這種基于實時高速以太網通訊的多錘聯動控制系統能較好地實現同步振動，其響應快速，穩定性好，速度差與相位差均能滿足施工要求。

   關鍵詞：樁錘；多錘聯動；同步振動；ACOPOSinverter變頻器；EthernetPowerlink 工業實時以太網

   打樁錘（機）是用來實施預制樁的打入（壓入）和拔出作業的土建施工機械，目前使用的有柴油錘、液壓沖擊錘、電動沖擊錘、液壓靜力錘、振動錘等，早期曾廣泛使用重力落錘和蒸汽錘。

   按預制樁沉入的作業方式來劃分，主要有打入法（又稱沖擊法）、壓入法和振動法。

   振動法是使樁身產生高頻振動，從而使樁尖和樁身周圍的泥土阻力大大減小，預制樁在自重和所施加的一定壓力的作用下被逐漸沉入土中。振動法所采用的設備是振動錘，它是本文討論的主題。振動錘需要與打樁架配套組成打樁機，利用樁錘的機械振動能將樁打入土層或從土層中拔出。該方法適用于沉/拔鋼板樁、鋼管樁和鋼筋混凝土樁，較適合在沙土、塑性粘土及松軟砂粘土等類土層中作業。

    在現代大型土建工程施工中，隨著預制樁的直徑越來越大，長度越來越長，單臺樁錘很難滿足大型樁基施工的功率需求，因而多錘聯動的同步打樁控制方案應運而生。

    1 振動錘與振動打樁機

    1.1 振動錘

    振動錘主要有機械式（即電動式）和液壓式兩類。

   振動錘采用機械式定向激振器，由兩根裝有相同偏心塊并相向轉動的軸組成。兩根軸上的偏心塊所產生的離心力在水平方向上的分力相互抵消，而垂直方向上的分力疊加。其上裝設有依靠液壓動力來調整它的兩偏心塊間夾角的裝置，以控制振動幅度（強度）。

    其外形如圖1所示，它主要由偏心塊及其轉軸、驅動電動機、導桿、壓縮彈簧、減振梁、振動箱、傳動齒輪和偏心塊液壓位置調整裝置等組成。 具有貫入力強、沉樁質量好、堅固耐用、故障少、結構緊湊、低噪音、高效率、無污染等優點^[4]。
    
                            
                                      圖1 機械式振動錘的外形

    這里給出以下關于振動錘貫入的力學公式：

    N = k•×aM•×n/9550（1）

   N為振動功率，n為轉速，M為偏心力矩；

    M = m×A （2）

   m為參加振動的質量，A為振動幅度；

    M = R= 4N×S （3）

   R為樁在土中受到的靜阻力，N為貫入值，S為樁的截面積^[4]。

   不同土壤的貫入值大不相同，例如對于密實的砂土，其貫入值達到50以上，而對于普通的軟粘土只有2~4。激振器的頻率設置應根據現場實際土質的不同而確定，例如對于含飽和水的砂土，通常提供100～200Hz的振動頻率，而對于含沙的礫土則通常需要70Hz左右的頻率。

   1.2 振動打樁機

    振動打樁機由振動錘、打樁架體、樁管、電控箱等組成。一臺大型高功率振動打樁機通常包含一到數十個振動錘，從式（1）可知，每個振動錘所配置電動機的功率主要根據所需的偏心力矩和轉速來確定，從數十千瓦到數百千瓦不等。據有關報道，日本曾采用以聯動軸串聯8臺150kW振動樁錘的方案，沉入了直徑為23m的大型鋼圓筒。

   2 多錘振動的同步控制

   2.1 多錘聯動的工作方式

   為了實現最佳打樁效果，可以讓多個樁錘同步運行，并使其振動互相疊加。多錘聯動就是將多個樁錘以組合方式進行合力打樁的一種技術，能夠有效地解決單個樁錘功率限制的問題（如圖2所示）。不過目前所采用的聯動方式幾乎都是用一臺高功率交流電動機，通過軸聯器等機械裝置連接每個振動錘的內部偏心塊的旋轉軸來進行聯動驅動，強制性地實現各振動錘的角速度和相位同步，因而存在聯動機械結構復雜且易損壞、安裝復雜、運輸困難、同步精度低與單電機可靠性差等缺點，在工程應用中受到一定的限制。本方案利用現代傳感技術、控制技術與實時高速網絡通訊技術，將多臺振動錘的控制裝置進行組網，實現了振動錘之間的電氣柔性連接，構建了同步振動控制系統。該方案可用若干個較小功率的樁錘來構成一臺高功率打樁機，單個樁錘單元易于運輸、安裝，樁機的配置與組合也更加靈活^[3]。
   
                      
                                    圖2 多錘聯動方案示意^[3]

   2.2 振動錘的激振力產生及調頻調幅振動工作原理

   振動樁插是利用振動錘內部偏心塊的離心力所產生的激振力工作的，其原理如圖3所示。具有等量偏心力矩的兩部分偏心塊左右對稱布置，在同一臺電動機的驅動下以相同的角速度相向旋轉，（通過齒輪傳動來保證），所產生的水平方向的離心力相互抵消，垂直方向的離心力則相互疊加而產生激振力。

   圖3中，ω為偏心塊的旋轉角速度，ｒ為偏心塊的半徑，θ為一對偏心塊之間的夾角，ｍ為振動體的質量，Ｃ為阻尼系數，ｋ為剛度常數，a線和a’線分別為兩偏心塊的綜合重心線。

    根據相關理論推導，當這對偏心塊之間的夾角θ為０時，激振力最大，而當θ為π時，激振力為零，調整θ角即可對樁錘的激振力進行調節，進而調節振幅；調節ω則可對振動頻率進行調節。無級調頻調幅振動樁錘就是利用這個原理來實現的^[1]。
  
                           
                                    圖3 單臺打樁錘的振動模型^[1]  

   2.3 同步振動控制原理

   由2.2可知，同步振動的關鍵在于力的同步，多錘同步振動要求各樁錘偏心塊的回轉角速度和相位差角同步。不過在實際的調頻調幅過程中，每臺樁錘兩偏心塊之間的夾角θ很難保證完全相同，因此即便樁錘之間相應的偏心塊運動軌跡相同也并不意味著振動一定同步，必須分別檢測振動錘的兩個偏心塊的位置，算出各自的綜合重心線，以每臺振動錘的兩個偏心塊的綜合重心線所處的位置是否實時地對應相同，作為振動是否同步的標準，即如果各綜合重心線的夾角為零則說明各樁錘已同步。綜合重心線是指兩偏心塊離心力的合成方向（如圖3中的'a線與a'線），這樣就能保證多臺振動錘的激振力能最大程度地合成，實現合力打樁。因此多錘同步振動的控制要求是各樁錘的回轉角速度相同和綜合重心線（代表相位）之間的夾角為零^[1]。

   各樁錘之間的角速度同步與相位同步指它們間實時的角速度差與相位差為零，由相關理論推導可知，在某時刻即便角速度同步，相位也不一定同步，但若要維持相位的穩定同步，角速度則必須同步，改變角速度差能使相位發生改變，其角速度與相位是相互影響相互制約的。因此，多振動錘同步控制的基本原理是：實時檢測偏心塊的角速度與相位值，通過一定的控制方法與控制策略控制每臺樁錘的角速度，使相位達到同步，從而達到多樁錘同步振動的目的。

    2.4 角速度和相位差的檢測

    在每片偏心塊的轉軸的端部裝設1臺抗震性強的冶金重載型絕對值編碼器或旋轉變壓器，以適應高溫、嚴寒、潮濕、劇烈震動等惡劣工況的場合。它能輸出RS422位置（速度）編碼信號，用來對偏心塊實時位置（圖3中的夾角θ和a線與a'線的位置）和角速度（圖3中的ω）進行測量。以兩臺振動錘為例，檢測其中一臺樁錘的兩片偏心塊位置分別得到信號S1和信號S′1，檢測另一臺樁錘得到信號S2和信號S′2。通常S1與S′1的角速度ω應相等而它們之間的相位差為θ，S2與S′2之間的關系也一樣。利用系統配置的X20CM1941編碼器輸入模塊對這些信號進行檢測并在主控站中處理。為保證速度與相位差的準確檢測，所有輸入信號必須有相同的時間基準，并保證時間的標尺相同。

   3 同步振動控制系統的構成

    該同步振動控制系統結構如圖4所示。控制主站采用貝加萊的Power Panel（4PP420型10寸操作屏+PCC一體機）作為控制面板，并配置相應的X20 分布式I/O模塊，Power Panel集顯示、控制功能于一體，并集成了部分PCC的功能，通過所配置的EthernetPowerlink總線通信接口可與各個振動錘單元的ACOPOSinverter變頻器進行通信，傳輸控制參數，實現各錘之間的網絡化控制；每臺振動樁錘的控制子系統相對獨立，它們通過高速實時以太網Ethernet Powerlink連接在一起，構成一個分布式控制系統，這種開放式結構便于振動錘配置數量的調整；每臺樁錘的控制系統由1臺配置有Ethernet Powerlink總線接口的ACOPOSinverterP84系列變頻器、1臺驅動偏心塊的冶金型三相交流異步電動機、兩片偏心塊轉軸端部裝設的各1臺重載型旋轉編碼器構成。交流電動機的速度調節通過各自的變頻器實現（接受主控站的軟件PID輸出作為速度指令）；編碼器實時檢測振動樁錘偏心輪的角速度與位置，通過X20系統配置的X20CM1941編碼器輸入模塊傳送到控制主站，再由其計算出各樁錘的綜合重心線位置，然后根據一定的控制算法計算出速度控制值，再通過Ethernet Powerlink現場總線傳送給各變頻器，并通過變頻器改變電動機的角速度，達到調節角速度和相位的目的；X20 I/O所配置的模擬量輸出模塊X20AO4622（4~20mA輸出），根據計算結果輸出信號去控制液壓比例閥，以調節振動錘兩偏心塊間的夾角θ，從而調節其振動幅度（強度）。主控制器同時也作為整個系統的監控管理機，對作為其擴展單元的X20分布式I/O以及各臺變頻器進行協調控制，綜合處理各振動錘的位置（速度）傳感器的輸入信號，發送控制命令，實時監視/記錄系統的同步狀態。

   在同步振動控制系統中，時間的同步至關重要，各臺樁錘的角速度和相位的計算必須以同一時間為基準才具有比較的意義。__該系統所采用的時間同步策略如下：假設以圖4中的1#振動錘的控制軟件模塊為時間基準，它的偏轉塊的傳感器信號通過X20 編碼器模塊輸入至主控器，并傳送給其余各臺樁錘的控制軟件模塊，它們實時地接受該信號并以此信號為基準，按照一定的算法計算出相應的速度差與相位差，這樣就保證了每臺樁錘的信號檢測是在同一時間基準下進行的。
  
                   
                                        圖4 控制系統結構示意圖

    4 同步振動控制策略

   4.1 速度調節與相位調節的切換^[1]

   由前述可知，相位的調節是通過角速度的調節來實現的。要達到同步振動的效果，必須協調好相位和角速度的關系，使二者都達到同步。在速度差很大時對相位的調節是沒有意義的，因此采用的控制策略如下：以（主軸）振動錘為基準，并設定某一速度閾值Vs，當其它各（從軸）振動錘與基準錘的速度差大于Vs時，啟動速度調節軟件模塊，關閉相位調節軟件模塊，快速地對速度進行調節；當速度差小于Vs時，啟動相位調節軟件模塊，關閉速度調節軟件模塊，通過一定的控制算法進行相位跟蹤，直到消除相位差達到同步。由于外界干擾、負載變化等因素的擾動，系統將自動地在速度調節模塊與相位調節模塊之間往復切換，以維持同步。

    4.2 帶主從速度補償環節的并行速度控制策略

    在多電動機同步驅動控制系統中，常用的同步控制模式有：并行控制、串行控制、主從控制、交叉耦合控制、電子虛擬主軸控制等。其中并行控制的整個系統相當于開環控制，同步性能不好，魯棒性差；電子虛擬主軸控制雖能較好地抑制各電機的負載擾動，但主參考軸與每個從動軸之間可能會存在一定的恒穩態位置差；主從控制則是把主電機的輸出速度作為從電機的參考速度，從電機的速度跟隨主電機的速度，主電機由于負載或電網等因素引起的速度擾動會影響到所有的從電機。在振動樁錘的同步振動控制中，穩定地保持速度同步是調節相位的基礎，因此速度同步的穩定性和抗干擾能力至關重要。

    在多臺樁錘同步振動控制過程中，各樁錘之間通過了樁連接在一起，“錘－樁－土”組成了一個非常復雜的系統。除了沉樁功效以外，樁錘之間還存在一定的運動與能量傳遞，對相位差的調節與控制可能造成影響，因此，制定控制策略時需考慮樁錘之間的相互作用對相位造成的影響。

   為了提高同步控制的精度與穩定性，采用了一種帶主從速度補償環節的并行速度控制策略，其結構框圖如圖5所示。該策略綜合了并行控制模式在啟動階段的快速響應和主從控制模式的良好跟隨性的特點，在此基礎上增加了速度補償環節，增強了系統的抗干擾能力。其控制原理為：除硬件設備以外，所有樁錘的速度調節軟件模塊均在控制主站中以軟件方式實現，并接受同一速度設定值，且每個樁錘都有各自的編碼器速度反饋信號參與速度閉環調節。以1#樁錘為主錘（主軸），其它樁錘為從錘（從軸），比較主從偏心塊的測量角速度，其差值經速度補償調節器（PI調節）后反饋到各從錘軟件模塊的輸入端。
  
                   
                               圖5   帶主從速度補償環節的并行速度控制策略結構框圖

     4.3 采 用點動Bang-Bang控制算法的相位調節策略^[1]

    偏心塊的相位調節是通過小范圍內調節其角速度來實現的，檢測從軸偏心塊的當前位置，并與主軸偏心塊的位置比較，得到一個相位偏差，該偏差通過PID算法得出速度設定值，減慢或加快該從軸偏心塊的角速度，速度差的積分會導致位置的相對移動，直到相位偏差小于設定值（如5度）時，PID停止調節。

    振動錘的振動是由電動機帶動多片大質量的偏心塊作旋轉運動而產生的，且振動錘工作時電機的速度一般在1000r/min以上，系統的慣性非常大，在相位調節過程中如處理不當就會引起超調，進而引起速度不同步，還會造成速度調節模塊與相位調節模塊之間的頻繁切換，影響同步效果。

   為了避免上述現象發生，在相位調節中采用了一種點動Bang-Bang控制算法。它的基本原理是：當速度差小于設定的速度閾值Vs時切換至相位調節模塊。設速度調節時第i臺（i≥1）從振動錘的控制量為Vfspi，檢測主從樁錘相應偏心塊之間的相位差，由給定算法得出該從樁錘當前的控制量Vphspi(t)。

    以樁錘偏心塊每旋轉兩圈為一個控制周期，檢測一次角速度差與相位差的值并進行一次相位調節。在一個控制周期內，由Bang-Bang控制算法計算出的控制量Vphspi(t)作用一段時間后，返回到速度調節時的控制量Vfspi并等待系統充分響應，然后再檢測角速度差與相位差，進入下一個控制周期。這種“調節—等待—觀察”的點動控制策略與人工干預十分類似，比較適合振動錘這類高速旋轉的大慣性系統，它的優點是在盡量維持角速度同步的情況下快速地對相位進行調節，達到角速度與相位均保持同步的目的。

    5 系統運行

    5.1 技術條件和指標^[3]

   （1）運行條件：振動加速度：<22g；

    （2）振動頻率：<20Hz（對應偏心塊角速度1200r/min）；

    驅動電動機的低速扭矩特性較好，選擇冶金重載型6~8極交流異步電機；

    各振動錘部件安裝一致性好，位置偏差<0.5%。

    （3）達到的指標：

    穩定運行時，各振動錘相位偏差小于10度（如0位時存在偏差，應減去0位實際偏差），用示波器測試時，測量信號上升沿之間時間差應小于（10×信號周期 / 360）；

    系統連續24小時試運行無中斷，即為合格。

    5.2 系統操作^[4]

    （1）登錄畫面：系統上電，系統進入登錄畫面，提示輸入用戶名和密碼；

   （2）輸入有效用戶名和密碼后，系統詢問各振動錘偏心塊的當前位置是否在初始位；

   （3）確認各振動錘的偏心塊在初始位后（假設初始狀態各振動錘的實際相位偏差為0），以點擊“啟動”按鈕；

   （4）點擊“啟動”按鈕后，X20 I/O的模擬輸出信號自動控制液壓比例閥，調節各振動錘的兩偏心輪間夾角θ為π，使各振動錘處于無振動對稱狀態；

   （5）然后順序啟動電機，并逐漸加速到設定速度；

   （6）自動檢測各振動錘偏心塊的當前位置，以1#振動錘為主軸，當到達設定速度后，其它從軸偏心塊參照主軸偏心塊的位置，通過調節速度來跟隨主軸的相位；

   （7）當各從軸偏心塊與主軸偏心塊之間的相位差小于10度后，X20 I/O的模擬輸出信號控制液壓比例閥，逐漸減小各振動錘的兩偏心輪間夾角θ，使振動幅度逐漸增強到設定值；

   （8）停機指令發出后，主軸逐漸減速停止，從軸跟隨主軸的角速度和相位，也逐漸停止下來。

   6 結語

   多樁錘同步振動能有效地解決單樁錘沉樁功率不足的問題。利用先進的傳感技術、控制技術與網絡技術實現了各樁錘控制子系統之間的電氣柔性連接，制定了基于主從速度補償的并行速度調節和點動Bang-Bang相位調節的多錘振動同步控制策略，為多錘聯動技術的開發打下了基礎，也為大直徑樁基的施工提供了一種新的有效方法和手段。工業試驗表明，該技術方案改善了多錘聯動的速度與相位同步效果，具有廣闊的應用前景。

   參考文獻：

   [1] 來鑫，烏建中等．多樁錘同步振動系統及同步控制策略研究[J]．振動與沖擊．2011,31(3):147-152.

   [2] 百度文庫．打樁錘概述[Z]. 2011,4.

   [3] 陳志平. 基于貝加萊網絡通訊技術的多樁錘電子軸同步振動控制方案[Z]. 2011,08.

   [4] 宋華振. 貝加萊ACOPOSinverter在振動打樁錘上的應用[Z]. 2011,10

  周曉霞（1966-）女，現任貝加萊工業自動化（上海）有限公司市場部市場支持。

   摘自《自動化博覽》2012年第六期