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)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SIMATICS7—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=25MPa；

 

　　系统流量：Q0=8.3×10-3m3/s；

 

　　两阀同时开启时流入每个阀的流量：

 

　　Q1=4.2×10-3m3/s；

 

　　电液换向阀在25MPa压力下最小切换时间：

 

　　tmin=55ms；

 

　　PLC的吞吐时间：tp=60ms；

 

　　机身平面尺寸：

 

　　长L=8400mm，宽W=4800mm；

 

　　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

 

　　•52.25mm/s；

 

　　活塞运动的可控最小距离Hmin为：

 

　　Hmin=V•(tmin+tp)•6.0mm；

 

　　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<55ms，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55ms，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。