張拉機全自動控制系統設計

鄺潤錫

1 簡介

預應力混凝土管樁直徑分為300毫米、400毫米、500毫米、600毫米等規格，我司生產的主要有500毫米兩種規格的PHC預應力高強混凝土管樁，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，常用節長由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型的有效預應力約為760 kN，AB型為1 070 kN，B型約為1 480 kN[1]，一般管樁有200 kN以上的有效預應力，打樁時樁身混凝土可有效地抵抗抗彎樁應力。

傳統的標尺讀取刻度法，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，拉伸量也要作相應的改變，國家規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應力一樣。

由于施工現場的環境和結構不一樣，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）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，管樁的配對生產長度是根據每個工地來匹配（如需要25米管樁，可以由10米+15米或12米+13米等組合而成，公司生產單條管樁的長度由4到15米不等的管樁長度），致使兩個規格（A和AB）各12種拉伸長度要相對應，共24種拉伸值；操作員工在生產現場，要對應相應規格、長度的拉值來參考，這樣的操作勞動強度大，效率低，人為因素的出錯機率高。

2 系統設計原理

全自動張拉機控制系統是采用對液壓油泵壓強直接換算張拉機的拉力的方法，這種控制方式只是有一個因素影響：根據規格的不同而張拉力不一樣，跟管樁的長度無關（同規格不同長度的管樁，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的規格按扭（A管樁或AB管樁）就可以調用管樁的標準拉伸值，這樣的控制方式，大大地減小對生產員工的操作要求，產品的合格率得到保證，公司的效益得到顯著的提升。

張拉機全自動控制系統設計的原理是根據預應力大小，經過液壓缸（俗稱千斤頂）的缸體，換算成液壓油泵的壓強來控制預應力，根據帕斯卡原理：F(壓力，單位：牛頓)＝S(面積，單位：平方米)乘以P(壓強，單位：帕斯卡)，公式中壓力就是液壓缸的拉伸力，而面積相當于張拉機的液壓缸面積，壓強等于液壓油泵的輸出油的壓強。當液壓缸的缸徑不變時，只要控制液壓油泵中液壓油壓強的大小，就可以相應地按比例控制管樁的拉伸力（預應力）。液壓油泵壓強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換模塊（A-D），再由模擬量轉換模塊(A-D)的信號輸送到PLC內處理，PLC根據接收到的信號和設定的數值相比較，進行處理，處理結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速，到最后液壓油泵的壓強大小再次由壓力變送器反饋；從而形成一個閉環控制系統，實現快速、穩定、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電磁閥負責加載液壓缸，而b電磁閥負責缷荷液壓缸。當選擇相應的管樁規格，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；當完成加載在管樁的預應力固定過程中，液壓系統是處于空載狀態，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；若管樁的預應力固定完成后，按下液壓缸復位按扭，b電磁閥得電，缷荷油路啟動，液壓壓缸向前移動復位。

全自動張拉機液壓系統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向與廠家標注方向一致，若轉向相反，不僅沒有油壓輸出，嚴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）加載電磁閥在達到設定壓力時停止輸出，這時電磁閥受到管樁的反向預應力沖擊，容易出現故障，后來經過改良，在加載電磁閥到張拉機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 液壓系統原理圖[3]

（4）輸油管宜采用耐高壓橡膠軟管，適當加大管徑，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油路系統的作用，當系統出現異常（如過載）時，當前的工作壓力超過設計時承受的壓力，使系統進入危險時，閥開啟溢流，對系統起過載保護。

3 控制系統的設計

全自動張拉機系統的設計要求，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是液壓缸復位按鈕；

X3是A管樁規格輸入信號；

X4是AB管樁規格輸入信號；

X5是液壓系統超壓輸入信號，由指針式壓力保護開關安裝在液壓油泵的輸出端，它的作用是當壓力變送器或加載電磁閥發生故障，液壓油泵壓力一直升高到指針式壓力保護開關的閥值時，保護開關就會發送信號到PLC內部，從而切斷變頻器的輸出，起到保護設備和人身安全的作用；

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

Y0是張拉機加載電磁閥門開啟；

Y1是張拉機缷荷電磁閥門開啟；

Y2是A管樁自動拉伸到設定預應力完成時的指示燈；

Y3是AB管樁自動拉伸到設定預應力完成時的指示燈；

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；而模擬量轉換模塊為FX0N-3A，PLC和模塊采用設備應用指令中的RD3A和WR3A進行通信的[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行反饋，為了提高測量精度，應注意使用時的顯示值應在滿量程的50%左右來選擇測量范圍或刻度范圍，選擇傳感器的響應速度，目的是適應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]；變頻器參數為外圍端子控制方式。

全自動張拉機系統中使用變頻器來調節液壓油泵的轉速，可以更精確地控制張拉機的拉伸力，例如當拉伸力達到設定值的90%時，PLC就會通過模擬量轉換模塊（D-A）降低變頻器的頻率，從而控制液壓油泵的供油速度，產品預應力的精度就可以達到更理想的效果。

全自動張拉系統操作流程：首先在觸摸屏上輸入相對應張拉機缸的直徑（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檢部按照國家標準統計得出），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（一般輸入的數值為最高工作頻率的70%），最后輸入液壓缸復位時間，觸摸屏畫面如圖4所示。

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

圖4 觸摸屏畫面[7]

全自動張拉機程序的設計中，需要注意以下幾個問題。

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

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

（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過大，容易造成張拉機的拉伸值過沖，過沖量如果超過標準，管樁本身的預應力就會沒有作用，管樁的強度會降低，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 結束語

多年的設計、維修工作經驗，必須要做到“膽子要夠大，心底要細膩”才可以能人所不能。實際上也可以參考中醫的四字金句：望、聞、問、切；望的意思是觀察設備的所有工作情況，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，并能分辨出設備是否存在異味的情況；問的意思是多咨詢相關的員工，從出現故障之前和出現故障之后的區別作對比，多聽聽員工的意見；切的意思就是拿對應的儀器對其進行多方面的檢查；綜合以上四點就可以判斷出現問題的原因和相對應的解決辦法。