液壓打樁錘監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)研究

張紅軍，劉晉禎

1中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

3重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 重慶 400044

隨著我國工業(yè)的高速發(fā)展，打樁錘作為工程機(jī)械的主要施工器械，在施工作業(yè)中起著十分關(guān)鍵的作用[1]。液壓打樁錘噪聲和污染小，打擊能量大，能量傳遞效率高，打擊能可以調(diào)節(jié)，錘擊頻率、行程可控，工況適用性廣[2-4]，在各大工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。控制系統(tǒng)作為打樁錘的核心裝置，其工作性能直接關(guān)系到打樁質(zhì)量及打樁效率[5-6]。

為了提高液壓打樁機(jī)的工作效率及場景適應(yīng)性，研究學(xué)者分別從結(jié)構(gòu)和控制等方面對(duì)液壓打樁機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。Gao 等人[7]建立了液壓振動(dòng)錘的耦合動(dòng)力學(xué)模型，在錘頭結(jié)構(gòu)約束下得到了最佳振動(dòng)性能的設(shè)計(jì)參數(shù)。Wu 等人[8]通過數(shù)值模擬的方式對(duì)打樁機(jī)車架進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度下的最小質(zhì)量車架，對(duì)樁工機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

通過分析國內(nèi)外液壓打樁機(jī)的典型失敗案例可知，液壓打樁錘控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍存在以下不足。首先，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不完善，缺少錘芯的位移數(shù)據(jù)及錘芯的加速度測試平臺(tái)；其次，控制系統(tǒng)算力不足，主控系統(tǒng)對(duì)打擊能量、打擊頻次和液壓的壓力、流量、開關(guān)閥的速度之間的關(guān)系不能做出準(zhǔn)確地控制計(jì)算；最后，缺少物理試驗(yàn)測試平臺(tái)，沒有配置相應(yīng)的檢測手段和編制相應(yīng)程序計(jì)算實(shí)際的打樁能量，不能對(duì)打樁操作有效控制，導(dǎo)致實(shí)際打樁能量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)目標(biāo)[9]。

針對(duì)上述局限性，筆者從分析液壓打樁錘關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及其相關(guān)制約關(guān)系入手，健全液壓打樁錘的數(shù)據(jù)采集及故障診斷系統(tǒng)，建立基于模糊控制的模塊化電氣驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，搭建完備的物理試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了液壓打樁錘監(jiān)測及控制系統(tǒng)的有效性。

1 狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到液壓打樁錘工作環(huán)境惡劣、狀態(tài)變化復(fù)雜，故障診斷是液壓打樁錘系統(tǒng)正常安全運(yùn)作的保證，如何從繁雜數(shù)據(jù)中提取有效信息，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)故障預(yù)測與定位，并提供解決方案是建立控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.1 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

明確待檢測量是建立狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的第一步。針對(duì)液壓打樁錘關(guān)鍵的待測參數(shù)，如液壓油溫度、壓力、錘芯位置、速度、加速度，樁筒貫入量等，根據(jù)實(shí)際需求選擇專用檢測設(shè)備及處理器，并明確工作條件、安裝位置、連接方式及走線要求。綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、通信質(zhì)量可靠性、硬件設(shè)備冗余性等需求，設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)；綜合硬件平臺(tái)條件、故障診斷需求，設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。在軟硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)測模型，來分析打樁錘實(shí)時(shí)狀態(tài)。采用傳統(tǒng)數(shù)理模型為外環(huán)，深度學(xué)習(xí)為內(nèi)環(huán)的結(jié)合模式，分析傳感數(shù)據(jù)與不同狀態(tài)之間的映射關(guān)系，依據(jù)打樁錘運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)模型及信號(hào)分析理論方法 (時(shí)頻分析、數(shù)據(jù)融合等) 提取關(guān)鍵特征，消除噪聲干擾，以構(gòu)建明確的狀態(tài)辨識(shí)模型 (外環(huán))，并將此模型得出的正確結(jié)果或人工修正后的結(jié)果數(shù)據(jù)作為構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的模板 (內(nèi)環(huán))，通過調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及訓(xùn)練層數(shù)，獲得最佳訓(xùn)練表現(xiàn)，內(nèi)外環(huán)配合以提升狀態(tài)監(jiān)測的效率與準(zhǔn)確度。

1.2 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

故障診斷系統(tǒng)包含檢測數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析處理、結(jié)果輸出及儲(chǔ)存 5 個(gè)流程，分別對(duì)應(yīng)五大子系統(tǒng)。根據(jù)各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，設(shè)計(jì)松散耦合的數(shù)據(jù)庫，儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)、診斷結(jié)果。將各關(guān)鍵指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果作為故障診斷的輸入，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)特征分析并建立故障類型識(shí)別模塊、故障原因分析模塊及故障解決方案生成模塊。基于打樁機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型、模糊邏輯理論，研究分析狀態(tài)與故障及其類型、故障類型與故障原因、故障原因與解決方案間的前后邏輯關(guān)系，構(gòu)建各個(gè)模塊輸入輸出數(shù)學(xué)映射關(guān)系，設(shè)計(jì)少樣本深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練得到專家診斷系統(tǒng)，完成故障預(yù)測、故障定位以及提供解決方案，并通過人工反復(fù)修正，提升故障診斷系統(tǒng)性能。

針對(duì)液壓打樁錘工作時(shí)最常見的脫樁故障，從其工作原理入手，設(shè)計(jì)了 2 種監(jiān)測方法，確保脫樁故障診斷的準(zhǔn)確性。其一，監(jiān)測起吊保護(hù)鋼絲繩是否張緊，當(dāng)出現(xiàn)脫樁故障時(shí)，卸扣因重力而呈現(xiàn)豎直張緊狀態(tài)，通過設(shè)置卸扣傳感器，監(jiān)測鋼絲繩是否出現(xiàn)張緊情況，判別是否出現(xiàn)脫樁故障；其二，若液壓打樁錘與樁筒的相對(duì)位置發(fā)生變化，則視為出現(xiàn)故障，通過監(jiān)測打樁錘樁帽和砧鐵的相對(duì)位置，判別液壓打樁錘和樁筒的相對(duì)位置是否發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脫樁故障的判別。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓打樁錘的操作過程主要以人工操作為主，根據(jù)操作工的經(jīng)驗(yàn)來控制液壓打樁錘每一錘的能量級(jí)別。如何針對(duì)不同工況精準(zhǔn)控制錘芯運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)液壓打樁錘能耗最低、樁筒貫入量自適應(yīng)并可控的運(yùn)作狀態(tài)，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[10]。液壓系統(tǒng)存在控制滯后性大、非線性高和理論模型難以建立等缺點(diǎn)[11-12]，無法用傳統(tǒng)控制理論取得最佳的控制效果，而模糊自適應(yīng)控制能夠很好地解決控制對(duì)象參數(shù)變化不定這類問題[13-14]。利用模糊控制理論，將工人的復(fù)雜控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成簡單的數(shù)字模型，建立一組用語言表達(dá)的決策規(guī)則，并結(jié)合模糊集合理論，完成模糊控制器的設(shè)計(jì)。同時(shí)結(jié)合傳感實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練多工況條件下的樁筒貫入量、工況參數(shù)到錘芯運(yùn)動(dòng)量，進(jìn)一步提升控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性與時(shí)效性。模糊自適應(yīng)控制流程如圖1 所示。

圖1 模糊自適應(yīng)控制流程Fig.1 Fuzzy adaptive control process

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模塊化電氣控制系統(tǒng)由控制器及顯示電路、高速信號(hào)采集及傳輸電路、主閥電源冗余及驅(qū)動(dòng)電路、飼服驅(qū)動(dòng)電路組成，如圖2 所示。控制系統(tǒng)各個(gè)模塊通過高速信號(hào)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞，在主控制器內(nèi)計(jì)算出實(shí)際打擊能量，建立各個(gè)輸入?yún)?shù)與下位機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出參數(shù)之間的映射模型[15]。在實(shí)際工作時(shí)，根據(jù)工況需要，在主控制器內(nèi)調(diào)整打擊能量和打擊頻次等輸入?yún)?shù)，主控制器分別對(duì)高速輸出模塊、調(diào)壓直流電源、固態(tài)繼電器發(fā)送指令進(jìn)而控制主閥電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)打擊速度和打擊能量的調(diào)控。

圖2 電氣控制系統(tǒng)Fig.2 Electrical control system

工業(yè) PC 控制及顯示電路由工業(yè) PC 控制器、顯示器和操作面板、交換機(jī)、耦合器、高速數(shù)字量輸入模塊、高速數(shù)字量輸出模塊、IO 輸入模塊、IO 輸出模塊構(gòu)成，是數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、控制、操作、顯示的核心系統(tǒng)。高速信號(hào)采集及傳輸電路由高速數(shù)字量輸入模塊、本安隔離器、快速響應(yīng)的位移傳感器組成，具有記錄信號(hào)的時(shí)間戳功能，可獨(dú)立于控制器實(shí)時(shí)記錄采集的位移信號(hào)的變化。高速數(shù)字量輸出模塊同樣具有時(shí)間戳功能，可獨(dú)立于控制器，使主閥的開閉可按預(yù)先輸入的時(shí)間周期驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，從而控制主閥開啟，實(shí)現(xiàn)主閥的實(shí)時(shí)控制。主閥電源冗余及驅(qū)動(dòng)電路由 IO 輸出模塊、高速數(shù)字量輸出模塊、可調(diào)節(jié)冗余電源電路、固態(tài)繼電器模塊及主閥電磁閥組成，可補(bǔ)償長距離傳輸線路的電壓損失，增加主閥驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。

3 物理試驗(yàn)的搭建與控制系統(tǒng)測試

筆者設(shè)計(jì)并搭建了完備的液壓打樁錘物理試驗(yàn)測試平臺(tái)，圍繞液壓打樁錘作業(yè)時(shí)關(guān)鍵的輸入輸出參數(shù)，開展了對(duì)采集系統(tǒng)、高速電信號(hào)傳遞系統(tǒng)、閥組性能控制系統(tǒng)、供電電源系統(tǒng)等系統(tǒng)的測試，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

3.1 電控系統(tǒng)信號(hào)反饋性能測試

3.1.1 試驗(yàn)平臺(tái)的組成

為了明確設(shè)備控制的最終效果，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置并搭建了物理試驗(yàn)平臺(tái)，如圖3、4 所示。該試驗(yàn)平臺(tái)由硬件和軟件 2 部分組成。硬件主要包括主控制器、電源、輸入輸出模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊、位移傳感器和控制電纜；軟件平臺(tái)主要包括倍福 TwinCAT3 軟件的 PLC 功能項(xiàng)及 HMI 功能項(xiàng)。

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Test device

圖4 信號(hào)反饋物理試驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Physical test platform of signal feedback

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及主要結(jié)論

試驗(yàn)?zāi)M錘從一定高度自由落體下落，信號(hào)檢測系統(tǒng)的 2 個(gè)傳感器檢測模擬錘下落未端時(shí)的位置信號(hào)，在控制器內(nèi)編程記錄此時(shí) 2 個(gè)傳感器位置信號(hào)的時(shí)間戳，得到模擬錘最終經(jīng)過 2 個(gè)傳感器之間距離的時(shí)間差，計(jì)算最終速度、最終能量和總的下落時(shí)間。把試驗(yàn)得到的實(shí)際數(shù)據(jù)與通過自由落體理論計(jì)算的理論數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證傳感器及數(shù)據(jù)高速采集通道的實(shí)時(shí)性能。模擬錘在不同初始高度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、2 所列。

表2 5.57 m 高度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data at a height of 5.57 m

式中：v為最終速度，m/s；ΔS為傳感器間距，m；Δt為間隔時(shí)間，ms；E為擊打能量，J；m為模擬錘質(zhì)量，kg。

通過分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到以下主要結(jié)論：

(1) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出的打擊能量誤差值均小于5%，且隨著打擊速度的增加，打擊能量誤差值顯著降低，驗(yàn)證了錘擊過程中速度、加速度、打擊能量等參數(shù)的準(zhǔn)確性，滿足液壓打樁錘的施工要求；

(2) 電控系統(tǒng)信號(hào)反饋時(shí)間的精度為 0.01 ms，且在高速下仍能正常工作，滿足液壓打樁錘位移和能量檢測的準(zhǔn)確、高速、實(shí)時(shí)性需求。

3.2 主閥驅(qū)動(dòng)供電電源系統(tǒng)測試

3.2.1 電壓降補(bǔ)償能力試驗(yàn)

對(duì)于電氣執(zhí)行元件來說，電源能否提供穩(wěn)定的工作電壓決定了執(zhí)行元件的效率。液壓打樁錘作業(yè)時(shí)存在遠(yuǎn)距離電力傳輸，可能會(huì)導(dǎo)致電力損耗，為了保證電器執(zhí)行元件的工作效率，開展了電壓降補(bǔ)償能力試驗(yàn)。依次升高調(diào)壓電源電壓，直到升至電磁閥接線端的電壓達(dá)到電磁閥的額定電壓。試驗(yàn)過程中檢測各個(gè)電路的電壓值，記錄試驗(yàn)過程中電源及電磁閥開閉時(shí)的電壓，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所列。

表3 電源模塊電壓降補(bǔ)償試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Voltage drop compensation test data of power module

通過分析表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到以下主要結(jié)論：

(1) 隨著電源電壓和線路電流的增大，電壓降也在增大；

(2) 當(dāng)調(diào)壓電源調(diào)至 DC 33 V 時(shí)，電磁閥接線端的電壓可以達(dá)到額定電壓，滿足電磁閥驅(qū)動(dòng)工作電壓要求。

3.2.2 高頻電流沖擊下的穩(wěn)定性測試

液壓打樁機(jī)在高頻工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)供電電源失效往往是導(dǎo)致液壓打樁機(jī)失效的主要原因。筆者對(duì)主電磁閥以 70 次/min 的速率進(jìn)行了持續(xù) 80 min 的高頻通斷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)觀測電磁閥及固態(tài)繼電器狀態(tài)分別升溫了40℃及30℃，但電磁閥主電路及主電磁閥均正常工作。試驗(yàn)證明主閥驅(qū)動(dòng)供電電源系統(tǒng)能夠承受 70 次/min 頻次下高速開關(guān)電流的沖擊，完全滿足液壓打樁錘電磁閥組驅(qū)動(dòng)的可靠性和實(shí)時(shí)性需要。

3.3 閥組及其控制性能測試

閥組作為液壓打樁錘的主要控制執(zhí)行器，其輸出功率、控制系統(tǒng)對(duì)其控制的效率直接決定了液壓打樁錘實(shí)際的工作效果。在驗(yàn)證了高速數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)、主閥供電系統(tǒng)的有效性后，建立液壓錘閥組及其控制性能試驗(yàn)平臺(tái)，模擬最大能量、最快頻次等極端打樁情況下的控制效果，驗(yàn)證電磁閥本體性能和控制系統(tǒng)性能是否達(dá)到液壓打樁錘的控制精度和可靠性要求。

最大能量及最快頻次打樁時(shí)，進(jìn)油閥和回油閥開閉邏輯如圖5 所示。在試驗(yàn)過程中，觀察進(jìn)油閥和回油閥的電磁閥驅(qū)動(dòng)變化情況，用示波器記錄打樁控制信號(hào)輸出波形、反饋信號(hào)波形和主電磁閥電壓變化波形。

圖5 進(jìn)油閥和回油閥開閉邏輯Fig.5 Opening and closing logic of oil inlet valve and oil return valve

根據(jù)不同的需求，設(shè)計(jì)了 2 種極端工況下的開閉邏輯圖。按照?qǐng)D5 的設(shè)計(jì)目標(biāo)，搭建相關(guān)試驗(yàn)平臺(tái)，監(jiān)測多個(gè)電路的電控信號(hào)，從多個(gè)角度驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性和執(zhí)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性。高速輸出模塊信號(hào)如圖6 所示。

圖6 高速輸出模塊信號(hào)Fig.6 High-speed output module signal

由圖6 可知，控制進(jìn)油閥和回油閥的輸出信號(hào)與設(shè)計(jì)目標(biāo)一致，延遲極低，說明控制器的響應(yīng)效果良好，滿足實(shí)時(shí)性需求。驅(qū)動(dòng)電壓反饋信號(hào)如圖7 所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)電壓反饋信號(hào)Fig.7 Feedback signal of driving voltage

反饋信號(hào)，即固態(tài)繼電器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由圖7 可知，進(jìn)油閥和回油閥的輸出控制響應(yīng)與設(shè)計(jì)目標(biāo)開閉邏輯一致，證明驅(qū)動(dòng)電壓反饋良好，電路傳輸響應(yīng)迅速。

控制閥電壓響應(yīng)信號(hào)如圖8 所示。

圖8 控制閥電壓響應(yīng)信號(hào)Fig.8 Response signal of control valve voltage

在極端工況連續(xù)作業(yè)下，控制閥響應(yīng)信號(hào)波形穩(wěn)定，可以抵抗因沖擊而導(dǎo)致的短暫電壓振蕩，說明受控閥組執(zhí)行情況良好，保障了打樁錘連續(xù)極端作業(yè)下的穩(wěn)定性。

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到以下主要結(jié)論：液壓打樁錘控制系統(tǒng)的給定信號(hào)、輸出反饋信號(hào)、電磁閥閥組的響應(yīng)信號(hào)的控制順序和控制時(shí)間與設(shè)計(jì)的開閉邏輯完全一致，證明在連續(xù)最大能量、最快頻次等極端工況下，主控閥本體性能良好，控制系統(tǒng)對(duì)主控閥閥組的控制性能優(yōu)良。

4 結(jié)語

針對(duì)液壓打樁錘試驗(yàn)平臺(tái)缺失、液壓打樁機(jī)失效形式與設(shè)計(jì)參數(shù)映射關(guān)系模糊等局限性，建立了完備的試驗(yàn)平臺(tái)及集監(jiān)測、故障診斷、信息反饋為一體的控制系統(tǒng)。對(duì)于液壓打樁錘的關(guān)鍵參數(shù)，受控信號(hào)的采集精度高達(dá) 0.01 ms，充分保證了控制系統(tǒng)的精確性、實(shí)時(shí)性。在不同初始高度及最快頻次、最大能量連續(xù)工作的極端工況下，試驗(yàn)誤差均在 5% 以內(nèi)，且能正常工作，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的高魯棒性、高穩(wěn)定性，為液壓打樁錘控制系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了一定的參考。