活動(dòng)鏈接：2012年控制網(wǎng)技術(shù)專(zhuān)題---控制系統新時(shí)代   

   摘要：本文主要論述振動(dòng)法打樁施工中所采用的電動(dòng)振動(dòng)錘多樁錘聯(lián)動(dòng)方案。多樁錘同步振動(dòng)方案是解決單錘打樁功率不足問(wèn)題的一種有效方法。作者對多錘同步振動(dòng)控制的基本原理進(jìn)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(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的主從速度補償同步振動(dòng)控制系統并制訂了速度同步與相位同步的控制策略。工業(yè)試驗表明，這種基于實(shí)時(shí)高速以太網(wǎng)通訊的多錘聯(lián)動(dòng)控制系統能較好地實(shí)現同步振動(dòng)，其響應快速，穩定性好，速度差與相位差均能滿(mǎn)足施工要求。

   關(guān)鍵詞：樁錘；多錘聯(lián)動(dòng)；同步振動(dòng)；ACOPOSinverter變頻器；EthernetPowerlink 工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)

   打樁錘（機）是用來(lái)實(shí)施預制樁的打入（壓入）和拔出作業(yè)的土建施工機械，目前使用的有柴油錘、液壓沖擊錘、電動(dòng)沖擊錘、液壓靜力錘、振動(dòng)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(yè)方式來(lái)劃分，主要有打入法（又稱(chēng)沖擊法）、壓入法和振動(dòng)法。

   振動(dòng)法是使樁身產(chǎn)生高頻振動(dòng)，從而使樁尖和樁身周?chē)哪嗤磷枇Υ蟠鬁p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(dòng)法所采用的設備是振動(dòng)錘，它是本文討論的主題。振動(dòng)錘需要與打樁架配套組成打樁機，利用樁錘的機械振動(dòng)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(lèi)土層中作業(yè)。

    在現代大型土建工程施工中，隨著(zhù)預制樁的直徑越來(lái)越大，長(cháng)度越來(lái)越長(cháng)，單臺樁錘很難滿(mǎn)足大型樁基施工的功率需求，因而多錘聯(lián)動(dòng)的同步打樁控制方案應運而生。

    1 振動(dòng)錘與振動(dòng)打樁機

    1.1 振動(dòng)錘

    振動(dòng)錘主要有機械式（即電動(dòng)式）和液壓式兩類(lèi)。

   振動(dòng)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(dòng)的軸組成。兩根軸上的偏心塊所產(chǎn)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(dòng)力來(lái)調整它的兩偏心塊間夾角的裝置，以控制振動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機、導桿、壓縮彈簧、減振梁、振動(dòng)箱、傳動(dòng)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(zhì)量好、堅固耐用、故障少、結構緊湊、低噪音、高效率、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)^[4]。
    
                            
                                      圖1 機械式振動(dòng)錘的外形

    這里給出以下關(guān)于振動(dòng)錘貫入的力學(xué)公式：

    N = k•×aM•×n/9550（1）

   N為振動(dòng)功率，n為轉速，M為偏心力矩；

    M = m×A （2）

   m為參加振動(dòng)的質(zhì)量，A為振動(dòng)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(shí)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(chǎng)實(shí)際土質(zhì)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(dòng)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(dòng)打樁機

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

   2 多錘振動(dòng)的同步控制

   2.1 多錘聯(lián)動(dòng)的工作方式

   為了實(shí)現最佳打樁效果，可以讓多個(gè)樁錘同步運行，并使其振動(dòng)互相疊加。多錘聯(lián)動(dòng)就是將多個(gè)樁錘以組合方式進(jìn)行合力打樁的一種技術(shù)，能夠有效地解決單個(gè)樁錘功率限制的問(wèn)題（如圖2所示）。不過(guò)目前所采用的聯(lián)動(dòng)方式幾乎都是用一臺高功率交流電動(dòng)機，通過(guò)軸聯(lián)器等機械裝置連接每個(gè)振動(dòng)錘的內部偏心塊的旋轉軸來(lái)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)驅動(dòng)，強制性地實(shí)現各振動(dòng)錘的角速度和相位同步，因而存在聯(lián)動(dòng)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(diǎn)，在工程應用中受到一定的限制。本方案利用現代傳感技術(shù)、控制技術(shù)與實(shí)時(shí)高速網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)，將多臺振動(dòng)錘的控制裝置進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現了振動(dòng)錘之間的電氣柔性連接，構建了同步振動(dòng)控制系統。該方案可用若干個(gè)較小功率的樁錘來(lái)構成一臺高功率打樁機，單個(gè)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(lián)動(dòng)方案示意^[3]

   2.2 振動(dòng)錘的激振力產(chǎn)生及調頻調幅振動(dòng)工作原理

   振動(dòng)樁插是利用振動(dòng)錘內部偏心塊的離心力所產(chǎn)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(chēng)布置，在同一臺電動(dòng)機的驅動(dòng)下以相同的角速度相向旋轉，（通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)保證），所產(chǎn)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(chǎn)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(dòng)體的質(zhì)量，Ｃ為阻尼系數，ｋ為剛度常數，a線(xiàn)和a’線(xiàn)分別為兩偏心塊的綜合重心線(xiàn)。

    根據相關(guān)理論推導，當這對偏心塊之間的夾角θ為０時(shí)，激振力最大，而當θ為π時(shí)，激振力為零，調整θ角即可對樁錘的激振力進(jìn)行調節，進(jìn)而調節振幅；調節ω則可對振動(dòng)頻率進(jìn)行調節。無(wú)級調頻調幅振動(dòng)樁錘就是利用這個(gè)原理來(lái)實(shí)現的^[1]。
  
                           
                                    圖3 單臺打樁錘的振動(dòng)模型^[1]  

   2.3 同步振動(dòng)控制原理

   由2.2可知，同步振動(dòng)的關(guān)鍵在于力的同步，多錘同步振動(dòng)要求各樁錘偏心塊的回轉角速度和相位差角同步。不過(guò)在實(shí)際的調頻調幅過(guò)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(dòng)軌跡相同也并不意味著(zhù)振動(dòng)一定同步，必須分別檢測振動(dòng)錘的兩個(gè)偏心塊的位置，算出各自的綜合重心線(xiàn)，以每臺振動(dòng)錘的兩個(gè)偏心塊的綜合重心線(xiàn)所處的位置是否實(shí)時(shí)地對應相同，作為振動(dòng)是否同步的標準，即如果各綜合重心線(xiàn)的夾角為零則說(shuō)明各樁錘已同步。綜合重心線(xiàn)是指兩偏心塊離心力的合成方向（如圖3中的'a線(xiàn)與a'線(xiàn)），這樣就能保證多臺振動(dòng)錘的激振力能最大程度地合成，實(shí)現合力打樁。因此多錘同步振動(dòng)的控制要求是各樁錘的回轉角速度相同和綜合重心線(xiàn)（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(shí)時(shí)的角速度差與相位差為零，由相關(guān)理論推導可知，在某時(shí)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(fā)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(dòng)錘同步控制的基本原理是：實(shí)時(shí)檢測偏心塊的角速度與相位值，通過(guò)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(dòng)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(dòng)等惡劣工況的場(chǎng)合。它能輸出RS422位置（速度）編碼信號，用來(lái)對偏心塊實(shí)時(shí)位置（圖3中的夾角θ和a線(xiàn)與a'線(xiàn)的位置）和角速度（圖3中的ω）進(jìn)行測量。以?xún)膳_振動(dòng)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(guān)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(jìn)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(shí)間基準，并保證時(shí)間的標尺相同。

   3 同步振動(dòng)控制系統的構成

    該同步振動(dòng)控制系統結構如圖4所示?？刂浦髡静捎秘惣尤R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(guò)所配置的EthernetPowerlink總線(xiàn)通信接口可與各個(gè)振動(dòng)錘單元的ACOPOSinverter變頻器進(jìn)行通信，傳輸控制參數，實(shí)現各錘之間的網(wǎng)絡(luò )化控制；每臺振動(dòng)樁錘的控制子系統相對獨立，它們通過(guò)高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Ethernet Powerlink連接在一起，構成一個(gè)分布式控制系統，這種開(kāi)放式結構便于振動(dòng)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(xiàn)接口的ACOPOSinverterP84系列變頻器、1臺驅動(dòng)偏心塊的冶金型三相交流異步電動(dòng)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(dòng)機的速度調節通過(guò)各自的變頻器實(shí)現（接受主控站的軟件PID輸出作為速度指令）；編碼器實(shí)時(shí)檢測振動(dòng)樁錘偏心輪的角速度與位置，通過(guò)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(xiàn)位置，然后根據一定的控制算法計算出速度控制值，再通過(guò)Ethernet Powerlink現場(chǎng)總線(xiàn)傳送給各變頻器，并通過(guò)變頻器改變電動(dòng)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(dòng)錘兩偏心塊間的夾角θ，從而調節其振動(dòng)幅度（強度）。主控制器同時(shí)也作為整個(gè)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(jìn)行協(xié)調控制，綜合處理各振動(dòng)錘的位置（速度）傳感器的輸入信號，發(fā)送控制命令，實(shí)時(shí)監視/記錄系統的同步狀態(tài)。

   在同步振動(dòng)控制系統中，時(shí)間的同步至關(guān)重要，各臺樁錘的角速度和相位的計算必須以同一時(shí)間為基準才具有比較的意義。__該系統所采用的時(shí)間同步策略如下：假設以圖4中的1#振動(dòng)錘的控制軟件模塊為時(shí)間基準，它的偏轉塊的傳感器信號通過(guò)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(shí)時(shí)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(shí)間基準下進(jìn)行的。
  
                   
                                        圖4 控制系統結構示意圖

    4 同步振動(dòng)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(guò)角速度的調節來(lái)實(shí)現的。要達到同步振動(dòng)的效果，必須協(xié)調好相位和角速度的關(guān)系，使二者都達到同步。在速度差很大時(shí)對相位的調節是沒(méi)有意義的，因此采用的控制策略如下：以（主軸）振動(dòng)錘為基準，并設定某一速度閾值Vs，當其它各（從軸）振動(dòng)錘與基準錘的速度差大于Vs時(shí)，啟動(dòng)速度調節軟件模塊，關(guān)閉相位調節軟件模塊，快速地對速度進(jìn)行調節；當速度差小于Vs時(shí)，啟動(dòng)相位調節軟件模塊，關(guān)閉速度調節軟件模塊，通過(guò)一定的控制算法進(jìn)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(dòng)，系統將自動(dòng)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(huán)節的并行速度控制策略

    在多電動(dòng)機同步驅動(dòng)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(gè)系統相當于開(kāi)環(huán)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(dòng)，但主參考軸與每個(gè)從動(dòng)軸之間可能會(huì )存在一定的恒穩態(tài)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(wǎng)等因素引起的速度擾動(dòng)會(huì )影響到所有的從電機。在振動(dòng)樁錘的同步振動(dòng)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(guān)重要。

    在多臺樁錘同步振動(dòng)控制過(guò)程中，各樁錘之間通過(guò)了樁連接在一起，“錘－樁－土”組成了一個(gè)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(dòng)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(shí)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(huán)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(dòng)階段的快速響應和主從控制模式的良好跟隨性的特點(diǎn)，在此基礎上增加了速度補償環(huán)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(shí)現，并接受同一速度設定值，且每個(gè)樁錘都有各自的編碼器速度反饋信號參與速度閉環(huán)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(jīng)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(huán)節的并行速度控制策略結構框圖

     4.3 采 用點(diǎn)動(dòng)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(guò)小范圍內調節其角速度來(lái)實(shí)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(gè)相位偏差，該偏差通過(guò)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(huì )導致位置的相對移動(dòng)，直到相位偏差小于設定值（如5度）時(shí)，PID停止調節。

    振動(dòng)錘的振動(dòng)是由電動(dòng)機帶動(dòng)多片大質(zhì)量的偏心塊作旋轉運動(dòng)而產(chǎn)生的，且振動(dòng)錘工作時(shí)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(guò)程中如處理不當就會(huì )引起超調，進(jìn)而引起速度不同步，還會(huì )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(fā)生，在相位調節中采用了一種點(diǎn)動(dòng)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(shí)切換至相位調節模塊。設速度調節時(shí)第i臺（i≥1）從振動(dòng)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(gè)控制周期，檢測一次角速度差與相位差的值并進(jìn)行一次相位調節。在一個(gè)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(shí)間后，返回到速度調節時(shí)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(jìn)入下一個(gè)控制周期。這種“調節—等待—觀(guān)察”的點(diǎn)動(dòng)控制策略與人工干預十分類(lèi)似，比較適合振動(dòng)錘這類(lèi)高速旋轉的大慣性系統，它的優(yōu)點(diǎn)是在盡量維持角速度同步的情況下快速地對相位進(jìn)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(shù)條件和指標^[3]

   （1）運行條件：振動(dòng)加速度：<22g；

    （2）振動(dòng)頻率：<20Hz（對應偏心塊角速度1200r/min）；

    驅動(dòng)電動(dòng)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(dòng)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(shí)，各振動(dòng)錘相位偏差小于10度（如0位時(shí)存在偏差，應減去0位實(shí)際偏差），用示波器測試時(shí)，測量信號上升沿之間時(shí)間差應小于（10×信號周期 / 360）；

    系統連續24小時(shí)試運行無(wú)中斷，即為合格。

    5.2 系統操作^[4]

    （1）登錄畫(huà)面：系統上電，系統進(jìn)入登錄畫(huà)面，提示輸入用戶(hù)名和密碼；

   （2）輸入有效用戶(hù)名和密碼后，系統詢(xún)問(wèn)各振動(dòng)錘偏心塊的當前位置是否在初始位；

   （3）確認各振動(dòng)錘的偏心塊在初始位后（假設初始狀態(tài)各振動(dòng)錘的實(shí)際相位偏差為0），以點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕；

   （4）點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕后，X20 I/O的模擬輸出信號自動(dòng)控制液壓比例閥，調節各振動(dòng)錘的兩偏心輪間夾角θ為π，使各振動(dòng)錘處于無(wú)振動(dòng)對稱(chēng)狀態(tài)；

   （5）然后順序啟動(dòng)電機，并逐漸加速到設定速度；

   （6）自動(dòng)檢測各振動(dòng)錘偏心塊的當前位置，以1#振動(dòng)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(guò)調節速度來(lái)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(dòng)錘的兩偏心輪間夾角θ，使振動(dòng)幅度逐漸增強到設定值；

   （8）停機指令發(fā)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(lái)。

   6 結語(yǔ)

   多樁錘同步振動(dòng)能有效地解決單樁錘沉樁功率不足的問(wèn)題。利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)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(diǎn)動(dòng)Bang-Bang相位調節的多錘振動(dòng)同步控制策略，為多錘聯(lián)動(dòng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)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(yè)試驗表明，該技術(shù)方案改善了多錘聯(lián)動(dòng)的速度與相位同步效果，具有廣闊的應用前景。

   參考文獻：

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   [3] 陳志平. 基于貝加萊網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)的多樁錘電子軸同步振動(dòng)控制方案[Z]. 2011,08.

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

  周曉霞（1966-）女，現任貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司市場(chǎng)部市場(chǎng)支持。

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第六期