張拉機(jī)全自動控制系統(tǒng)設(shè)計

鄺潤錫

1 簡介

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁直徑分為300毫米、400毫米、500毫米、600毫米等規(guī)格，我司生產(chǎn)的主要有500毫米兩種規(guī)格的PHC預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁，分別為500毫米的A管樁和500毫米的AB管樁；管樁全是工廠化生產(chǎn)，常用節(jié)長由4米到15米不等，管樁按樁身抗裂彎矩的大小分為A型、AB型、B型。A型的有效預(yù)應(yīng)力約為760 kN，AB型為1 070 kN，B型約為1 480 kN[1]，一般管樁有200 kN以上的有效預(yù)應(yīng)力，打樁時樁身混凝土可有效地抵抗抗彎樁應(yīng)力。

傳統(tǒng)的標(biāo)尺讀取刻度法，是由以下兩個因素來決定它的拉伸量：

（1）管樁鋼筋規(guī)格的不同，拉伸值不同；

（2）管樁的長度不同，拉伸量也要作相應(yīng)的改變，國家規(guī)定了每米的鋼筋拉伸值，這樣才可以保證不同長度下每條管樁的預(yù)應(yīng)力一樣。

由于施工現(xiàn)場的環(huán)境和結(jié)構(gòu)不一樣，工程施工的打樁方式一般分倆種：定尺（全部只打一個額定的管樁米數(shù)）和定壓（把管樁施加到一定壓力）；無論哪種施工方式，各處施工場所的施工深度是不同的，管樁的配對生產(chǎn)長度是根據(jù)每個工地來匹配（如需要25米管樁，可以由10米+15米或12米+13米等組合而成，公司生產(chǎn)單條管樁的長度由4到15米不等的管樁長度），致使兩個規(guī)格（A和AB）各12種拉伸長度要相對應(yīng)，共24種拉伸值；操作員工在生產(chǎn)現(xiàn)場，要對應(yīng)相應(yīng)規(guī)格、長度的拉值來參考，這樣的操作勞動強(qiáng)度大，效率低，人為因素的出錯機(jī)率高。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理

全自動張拉機(jī)控制系統(tǒng)是采用對液壓油泵壓強(qiáng)直接換算張拉機(jī)的拉力的方法，這種控制方式只是有一個因素影響：根據(jù)規(guī)格的不同而張拉力不一樣，跟管樁的長度無關(guān)（同規(guī)格不同長度的管樁，它的張拉力是相同的）；這樣只需要在開始計算好它的拉伸力，直接輸入到觸摸屏里，以后使用只要按相應(yīng)的規(guī)格按扭（A管樁或AB管樁）就可以調(diào)用管樁的標(biāo)準(zhǔn)拉伸值，這樣的控制方式，大大地減小對生產(chǎn)員工的操作要求，產(chǎn)品的合格率得到保證，公司的效益得到顯著的提升。

張拉機(jī)全自動控制系統(tǒng)設(shè)計的原理是根據(jù)預(yù)應(yīng)力大小，經(jīng)過液壓缸（俗稱千斤頂）的缸體，換算成液壓油泵的壓強(qiáng)來控制預(yù)應(yīng)力，根據(jù)帕斯卡原理：F(壓力，單位：牛頓)＝S(面積，單位：平方米)乘以P(壓強(qiáng)，單位：帕斯卡)，公式中壓力就是液壓缸的拉伸力，而面積相當(dāng)于張拉機(jī)的液壓缸面積，壓強(qiáng)等于液壓油泵的輸出油的壓強(qiáng)。當(dāng)液壓缸的缸徑不變時，只要控制液壓油泵中液壓油壓強(qiáng)的大小，就可以相應(yīng)地按比例控制管樁的拉伸力（預(yù)應(yīng)力）。液壓油泵壓強(qiáng)的控制是采用壓力變送器來檢測，由壓力變送器將信號送給模擬量轉(zhuǎn)換模塊（A-D），再由模擬量轉(zhuǎn)換模塊(A-D)的信號輸送到PLC內(nèi)處理，PLC根據(jù)接收到的信號和設(shè)定的數(shù)值相比較，進(jìn)行處理，處理結(jié)果后再由模擬量模塊（D-A）輸出控制液壓油泵的變頻器，變頻器再控制液壓油泵的轉(zhuǎn)速，到最后液壓油泵的壓強(qiáng)大小再次由壓力變送器反饋；從而形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、高效的控制模式；如圖1所示。

圖1 電器原理圖

圖2 是液壓系統(tǒng)原理圖，其中電磁閥是采用三位四通換向閥來完成，油路中的a電磁閥負(fù)責(zé)加載液壓缸，而b電磁閥負(fù)責(zé)缷荷液壓缸。當(dāng)選擇相應(yīng)的管樁規(guī)格，按下啟動按扭后，a電磁閥通電，液壓油泵啟動，加載的液壓缸向后運行；當(dāng)完成加載在管樁的預(yù)應(yīng)力固定過程中，液壓系統(tǒng)是處于空載狀態(tài)，即液壓油由三位四通換向閥的P端流入后，從T端流出到油箱，形成一個循環(huán)；若管樁的預(yù)應(yīng)力固定完成后，按下液壓缸復(fù)位按扭，b電磁閥得電，缷荷油路啟動，液壓壓缸向前移動復(fù)位。

全自動張拉機(jī)液壓系統(tǒng)在實際的投入運行中，需要注意的問題：

（1）液壓油泵必須確保轉(zhuǎn)向與廠家標(biāo)注方向一致，若轉(zhuǎn)向相反，不僅沒有油壓輸出，嚴(yán)重還會損壞液壓油泵；

（2）壓力變送器的安裝位置盡量裝在液壓缸上，避免裝在液壓油泵處，因為裝在液壓油泵處，液壓油泵輸出的油壓波動相對液壓缸來說會大，加上液壓油泵的振動等因素，所以安裝在液壓缸上效果要好；

（3）加載電磁閥在達(dá)到設(shè)定壓力時停止輸出，這時電磁閥受到管樁的反向預(yù)應(yīng)力沖擊，容易出現(xiàn)故障，后來經(jīng)過改良，在加載電磁閥到張拉機(jī)的輸油管中間加裝一個油路單向截止閥，完美解決加載電磁閥易損壞的情況；

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖[3]

（4）輸油管宜采用耐高壓橡膠軟管，適當(dāng)加大管徑，使液體流速小于或等于推薦的流速值，起到減小液壓沖擊的作用[2]；

（5）必須安裝溢流閥，它的作用是起到定壓和保護(hù)油路系統(tǒng)的作用，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常（如過載）時，當(dāng)前的工作壓力超過設(shè)計時承受的壓力，使系統(tǒng)進(jìn)入危險時，閥開啟溢流，對系統(tǒng)起過載保護(hù)。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

全自動張拉機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計要求，分配PLC的輸入輸出點（本文以三菱FX系列的PLC來舉例），得出輸入輸出接線圖，如圖3所示。

輸入輸出接線圖中：

X0是程序啟動運行按鈕；

X1是程序中止按鈕；

X2是液壓缸復(fù)位按鈕；

X3是A管樁規(guī)格輸入信號；

X4是AB管樁規(guī)格輸入信號；

X5是液壓系統(tǒng)超壓輸入信號，由指針式壓力保護(hù)開關(guān)安裝在液壓油泵的輸出端，它的作用是當(dāng)壓力變送器或加載電磁閥發(fā)生故障，液壓油泵壓力一直升高到指針式壓力保護(hù)開關(guān)的閥值時，保護(hù)開關(guān)就會發(fā)送信號到PLC內(nèi)部，從而切斷變頻器的輸出，起到保護(hù)設(shè)備和人身安全的作用；

X6是故障報警清零按鈕，當(dāng)X5指針式壓力保護(hù)開關(guān)有信號輸入時，必須要按清零按鈕才可以消除Y5報警信號，系統(tǒng)才能再次正常啟動；

Y0是張拉機(jī)加載電磁閥門開啟；

Y1是張拉機(jī)缷荷電磁閥門開啟；

Y2是A管樁自動拉伸到設(shè)定預(yù)應(yīng)力完成時的指示燈；

Y3是AB管樁自動拉伸到設(shè)定預(yù)應(yīng)力完成時的指示燈；

Y4是液壓油泵變頻器啟動信號；

Y5是報警信號輸出警報燈。

圖3 輸入輸出接線圖

可編程序控制器采用三菱FX1N系列的PLC；而模擬量轉(zhuǎn)換模塊為FX0N-3A，PLC和模塊采用設(shè)備應(yīng)用指令中的RD3A和WR3A進(jìn)行通信的[4]，模塊有兩路模擬量輸入和一路模擬量輸出，圖3中輸入信號是電流信號輸入方式，而輸出信號是電壓信號[5]；壓力變送器采用壓力比例換算電流的方法進(jìn)行反饋，為了提高測量精度，應(yīng)注意使用時的顯示值應(yīng)在滿量程的50%左右來選擇測量范圍或刻度范圍，選擇傳感器的響應(yīng)速度，目的是適應(yīng)輸入信號的頻帶寬度，從而得到高信噪比、高精度的傳感器[6]；變頻器參數(shù)為外圍端子控制方式。

全自動張拉機(jī)系統(tǒng)中使用變頻器來調(diào)節(jié)液壓油泵的轉(zhuǎn)速，可以更精確地控制張拉機(jī)的拉伸力，例如當(dāng)拉伸力達(dá)到設(shè)定值的90%時，PLC就會通過模擬量轉(zhuǎn)換模塊（D-A）降低變頻器的頻率，從而控制液壓油泵的供油速度，產(chǎn)品預(yù)應(yīng)力的精度就可以達(dá)到更理想的效果。

全自動張拉系統(tǒng)操作流程：首先在觸摸屏上輸入相對應(yīng)張拉機(jī)缸的直徑（由廠家直接提供）和壓力變送器的量程，然后再輸入A樁和AB樁的拉伸力（生產(chǎn)的500毫米A樁拉伸力為760 kN，500毫米AB樁為1 070 kN，該拉伸力由公司的質(zhì)檢部按照國家標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計得出），輸入啟動二級頻率百分比（一般輸入90%），再輸入二級的工作頻率（一般輸入的數(shù)值為最高工作頻率的70%），最后輸入液壓缸復(fù)位時間，觸摸屏畫面如圖4所示。

當(dāng)所有數(shù)據(jù)輸入確定無誤后，按下需要張拉的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁規(guī)格的按扭（AB樁或B樁按扭），觸摸屏上顯示相對應(yīng)規(guī)格的指示燈亮(M12或M13置位)，再按下啟動按扭（X0），系統(tǒng)自動打開加載電磁閥（a通電），變頻器啟動以全速50Hz運行到當(dāng)前設(shè)定的二級頻率啟動百份比處，降頻到設(shè)定的二級頻率進(jìn)行低速張拉，當(dāng)實際的張拉力達(dá)到設(shè)定拉力時，系統(tǒng)自動停止加載電磁閥(a)，管樁的預(yù)應(yīng)力完成固定后，按下復(fù)位按扭，缷荷電磁閥（b通電）動作，啟動復(fù)位時間繼電器，當(dāng)液壓缸復(fù)位到原始位置時，復(fù)位時間繼電器計時結(jié)束，停止變頻器輸出并復(fù)位缷荷電磁閥。在張拉或復(fù)位過程中，如果出現(xiàn)異常情況，可以按下停止按扭，PLC所有的輸出停止，保證設(shè)備和人身的安全。

圖4 觸摸屏畫面[7]

全自動張拉機(jī)程序的設(shè)計中，需要注意以下幾個問題。

（1）PLC只會識別數(shù)字號，當(dāng)壓力變送器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字號時，要注意換算；例如采用0～60 MPa量程的壓力變送器，經(jīng)過FXON-3A模塊轉(zhuǎn)換后，得出的才是PLC可以識別的實際壓強(qiáng)值。

（2）全自動張機(jī)系統(tǒng)還要實時自動換算壓力和壓強(qiáng)的比值，根據(jù)帕斯卡原理：壓力＝面積×壓強(qiáng)；在換算過程中需注意單位的轉(zhuǎn)換。

（3）二級工作頻率的百分比必須輸入，因為在實際運行中，如果液壓油泵全頻運行，它的輸送液壓油的壓強(qiáng)過大，容易造成張拉機(jī)的拉伸值過沖，過沖量如果超過標(biāo)準(zhǔn)，管樁本身的預(yù)應(yīng)力就會沒有作用，管樁的強(qiáng)度會降低，起到反效果；如果過沖量超到一定程度，鋼筋還會拉斷，作次廢品；所以啟動二級工作頻率和二級工作頻率這兩個選項必須要配合好才能更高效、精確。

4 結(jié)束語

多年的設(shè)計、維修工作經(jīng)驗，必須要做到“膽子要夠大，心底要細(xì)膩”才可以能人所不能。實際上也可以參考中醫(yī)的四字金句：望、聞、問、切；望的意思是觀察設(shè)備的所有工作情況，哪些行為正常，哪些存在疑惑；聞的意思是要多聽設(shè)備各個部件的聲音，哪部分正常，哪部分有雜音，并能分辨出設(shè)備是否存在異味的情況；問的意思是多咨詢相關(guān)的員工，從出現(xiàn)故障之前和出現(xiàn)故障之后的區(qū)別作對比，多聽聽員工的意見；切的意思就是拿對應(yīng)的儀器對其進(jìn)行多方面的檢查；綜合以上四點就可以判斷出現(xiàn)問題的原因和相對應(yīng)的解決辦法。