1、第30卷第1期2011年2月沈阳理工大学学报JOURNAL OF SHENYANG LIGONG UNIVERSnrV0130 No1Ireb20“文章编号：1003125112011)010057一04基于PLC的长螺旋和螺杆电动履带式桩机设计张宗媛，赵立杰，刘守进(东北煤田地质局沈阳钻探机械研制中心，辽宁沈阳110122)摘要：主要介绍一种由PLC控制的螺旋、螺杆履带式桩机。通过直流调速器改变直流电机的转速实现长螺旋或螺杆桩机的选择。采用PLC AD模块对提升或加压卷扬的绳速进行采集，送入PLC进行处理，处理后的数据通过PLC DA模块送入直流调速器对提升或加压直流电机进行调速，达到匀速提
2、升或加压关键词：PLC；AD数据模块；直流驱动器；履带式桩机中图分类号：TH-39 文献标识码：ALong-helix and Screw Design of Electric Crawler Pile Driver Base on PLCZHANG Zongyuan，ZHAO Lijie，LIU Shoujin(Northeast Coalfield Geological Bureau Drilling Machinery Development Center in Shenyang，Shenyang I 10122，China)Abstract：This paper describes a
3、 spiral，screw crawler pile driver which is controUed byPLCIt changes the speed of the DC tachometer generator by DC drive，then the speed ofthe DC motor to achieve the spiral or screw crawler pile driverUsing the encoder on thewinch to measure the rope speed，acquiring the speed signal by PLC AD data
4、module，sending it to the PLC for processing，then sending the processed data into the DC drive for PIDcontrol treatment，a uniform or enhanced pressure is achievedKey words：PLC；AD data module；DC drive；crawl pile driver目前，在基础施工中，用螺旋桩机施工，工艺 行改进。本文主要设计一种长螺旋、螺杆电动履先进合理，速度快，桩体质量可靠，工程质量好，成 带式桩机，采用PLC对桩机进行控制，
5、通过直流调本低，污染小，经济效果显著，深受投资和施工单 速器改变桩机动力头的转速，实现长螺旋桩或螺位欢迎，具有广阔的发展前景。螺旋桩机按桩 杆桩的选择。通过PLC AD模块对提升或加压卷型可分为：螺纹桩机、螺杆桩机、长螺旋桩机；按照 扬的绳速进行采集并送入PLC处理，处理后的数行走可分为：液压步履式桩机、液压履带式桩机， 据经DA模块送人直流调速器对提升或加压直流电动履带式桩机等。但现有的长螺旋、螺杆桩机 电机进行调速，实现匀速加压或提升。履带行走只可单一使用，基础施工时，对于不同的地质层需 通过电机控制实现，行走灵活、迅速，施工效率高。要选择不同的桩机，加大了用户的运营成本，且滑 整机电控系
6、统设计先进、合理、可靠，采用有线控靴行走远远不及履带行走自如旧J。基于以上原 制方式，减少指挥人员，操作人员可自己找准桩因，本设计集合以往桩机的优点，且对不足之处进 位旧J。收稿日期：2010一ll05作者简介：张宗嫒(1982一)，女，研究方向：螺旋桩机设计万方数据沈阳理工大学学报 第30卷1桩机的组成和功能长螺旋、螺杆电动履带式桩机的主要组成为：动力头、大卷扬、小卷扬，油泵、左右斜支撑、履带行走和车体回转，结构如图l所示。图1 桩机电控系统的主要组成部分1动力头2大卷扬3小卷扬4油泵5左右斜支撑6履带行走7车体网转长螺旋、螺杆电动履带式桩机系统主要实现功能为：1)动力头实现恒扭矩可调速控制
7、，通过改变动力头转速实现长螺旋、螺杆桩的选择。2)大卷扬根据动力头转速自动调节加压和提升速度，配合动力头实现等螺距钻桩。3)左右斜撑实现单独和同时控制升降。4)履带行走实现前后左右自如行走。5)通过PLC控制实现所有功能，应用液晶显示器设置参数和监测。2桩机的工作原理长螺旋桩机正常工作动力头转速要求516radmin；螺杆桩机正常工作动力头转速要求35radmin。因此，长螺旋、螺杆电动履带式桩机动力头转速要求316 radmin。长螺旋桩机钻杆螺距400一1000mm；螺杆桩机钻杆螺距要求400600mm；在实际施工过程中，长螺旋桩动力头的转速与卷扬放绳或提升的速度无严格的匹配要求，但螺杆桩
8、要求动力头每旋转一周钻杆向下钻进一个或几个螺距。因此，设计时要分别对长螺旋和螺杆桩进行设置。设计时，可采用同步技术或非同步技术计算大卷扬的绳速y，本设计选择同步技术进行设计，即动力头每旋转一周，钻具向下钻进或向上提升一个螺距。设动力头的转速为n(radmin)，螺距为P(mm)，通过动力头的转速和螺距可计算出提升和加压卷扬的绳速y(ms)，即V=nP10 q60(ms)，通过控制大卷扬绳速来保证螺距。3桩机控制系统的选型长螺旋、螺杆电动履带式桩机电控系统主要包括：直流调速部分、交流控制部分和监测部分。直流调速部分包括：直流调速器、PLC、数据采集模块AD和DA、传感器等。交流控制部分包括：断路
9、器、接触器、继电器等。监测部分为液晶显示器。31直流调速器直流电动机具有响应速度快，从零速度到额定速度能够维持额定转矩，可实现从零速到额定转速的无级调速。交流电机与变频器进行无级调速，其转矩随电机的速度变化而变化，一般当电机频率低于30Hz时运行已不稳定，所以直流调速比交流调速范围广。因此，本设计选择直流调速。本设计共选择三台DC590系列直流调速器，两台对动力头直流电机转速进行控制，另一台对加压或提升大卷扬进行控制。DC590系列直流调速器使用交流110500V的3相标准电源，提供直流输出电压和电流，用于电机和励磁，适用于直流他激电动机和永磁电动机的控制。590系列的控制器CPU采用16位微
10、处理器，具有许多先进性能：1)复杂的控制算法，这是简单的模拟技术无法实现的；2)标准软件模块与可组合的软件控制电路万方数据第1期 张宗嫒等：基于PLC的长螺旋和螺杆电动履带式桩机设计 59相结合；3)通过串行线路，可与其它传动装置或主计算机通讯，构成先进的过程系统。32 PLC的选择M1本设计选择三菱FX2N斟MR枷l PLC。FX2N系列是三菱FX家族中最先进的系列，具有高速处理及可扩展，满足单个需要的特殊功能模块等，为工业自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。三菱的FX2N系列PLC的两大优势：1)高速计数器指令比$7-200方便；2)422口比西门子的PPI口耐用。西门子s7200系列的
11、PPI口是非光电隔离，非规范操作和仿制的编程电缆可能会导致串口损坏。33数据输入输出模块本设计要实现自动控制，须通过动力头的转速确定大卷扬匀速放绳和收绳的速度，因此需要设置传感器采集动力头和大卷扬的转速信号，采集后的信号经过PLC PID运算处理后，通过模拟量输出模块送入直流调速器进行调速。本设计选择三菱FX2N-2AD 2通道模拟量输入模块和FX2N-2DA 2通道模拟量输出模块，选择010V电压输入输出方式。模拟量输入模块FX2N-2AD，该模块为2路电压输入(010V DC，05V DC)或电流输入(420mA DC)，12位高精度分辨率，转换的速度为25ms通道。这个模块占用8个IO点
12、。模拟量输出模块FX2N-2DA，该模块为12位的数字量转换成2点模拟输出，输出的形式可为电压或电流。电压输出时，两个模拟输出通道输出信号为010V DC，05V DC；电流输出为420mA DC。分辨率为25mV(010V DC)和4斗A(420mA)。转换速度为4ms通道，该模块需占用8个IO点。34传感器大卷扬的绳速可通过测量大卷扬的转轴速度计算所得。本设计选择旋转编码器，通过测量编码器所产生的脉冲数，可测量出转轴的转速，进而计算出加压和提升卷扬的绳速。编码器轴或轴孔与驱动的伺服电机同轴连接(也有与丝杠同轴连接的，是分离型编码器)，电机或机械部分旋转时带着编码器轴同步旋转，编码器既可给出
13、几个均匀的脉冲串序列一一A、B、A一、B一等电气信号，且转一圈给出的各个脉冲串的脉冲总数是固定数J7、r。因此，一个脉冲对应着转动了360N度的机械角位移，只要计数相关脉冲个数，就可实现转速的测量。4桩机控制系统的设计41桩机控制系统的硬件设计本设计要求通过动力头的转速确定大卷扬匀速放绳和收绳的速度。因此，首先预设定动力头直流电机的转速和大卷扬电机的转速，然后通过AD采集模块测量编码器的脉冲信号，将采集到的脉冲信号送入PLC进行处理得出调整后的大卷扬直流电机的转速，将处理后的信号通过模拟输出模块送入直流调速器，最后经过直流调速器对大卷扬电机的转速进行PID调整，实现匀速放绳和收绳。转速控制原理
14、图如图2所示，PLC输输出系统框图如图3所示。液c1日口控制嚣图2转速控制原理图LC FX2N64MR-00 1亡1FX2N-2A动力头测速电机转速传感器图3 PLC输A输出系统框图人卷扬直流调速万方数据60 沈阳理工大学学报 第30卷42桩机控制系统的软件设计电控单元软件程序流程图如图4所示。图4电控单元软件程序流程图系统初始化，选择长螺旋桩或螺杆桩。以螺杆桩为例，当选择自动钻孑L或提升时，动力头按设定的转速开始启动旋转。钻孔时，动力头设定转(上接第16页)参考文献：1】邱致和GPSM码信号的BOC调制【J导航，2005，(t)：792John WBetzBinary Offset Cart
15、ier Modulations for Radio navi-gation，Journal ofthe institute of NavigationJ2001-2002，48(4)：227246【3马明，冯永新，黄迎春HLA中时间管理策略在GPS导航系速，通过AD数据采集模块测量动力头测速发电机的实际转速和加压绳实际绳速，通过PLC对测量的动力头电机转速和大卷扬电机转速进行计算，通过DA将需要改变的动力头电机和大卷扬电机的转速值传给直流调速器进行调速，使钻头匀速钻进；提升与加压同理，改变计算即可。5结束语PLC控制的长螺旋、螺杆电动履带式桩机调速准确，行走机构采用电动履带式，移动方便、施工效
16、率高，电机故障率低，维修费用大大减少。可广泛应用于城市建筑的各种桩基础工程和深基坑支护工程、防洪工程中的防渗坝等各类工业与民用建筑施工中。参考文献：1张琴，朱守东长螺旋干成孔泵压混凝土灌注桩施工技术与质量控制J建筑技术，2004，35(3)：1801812汪新军方圆JzL_w型多功能电动履带式桩机J工程机械与维修，2006，35(3)：33-343王万俊，张远鉴螺旋桩机同步跟踪自动控制系统的研制J华中科技大学学报(自然科学版)，2002，30(04)：35-364陈中平，周少华，侯玉宝，等三菱VXQ PLC自学手册M北京：人民邮电出版社，2009(责任编辑：赵丽琴)统仿真中的应用J沈阳理工大学
17、学报，2006，25(6)：l-34周彦，戴剑伟HLA仿真程序设计M北京：电子工业出版社。20025迟刚，王树宗HLA仿真技术综述J，计算机仿真学报。2004，7(7)：1-36J Bill Helfinstine，Deborah WilbertExperiences with Data Distilbution Management in La呼一Scale FederationsRSimulationInteroperability Workshop，2000，3：1745-1758(责任编辑：马金发)万方数据基于PLC的长螺旋和螺杆电动履带式桩机设计作者： 张宗媛， 赵立杰， 刘守进， ZHANG Zongyuan， ZHAO Lijie， LIU Shoujin作者单位： 东北煤田地质局沈阳钻探机械研制中心,辽宁沈阳,110122刊名： 沈阳理工大学学报英文刊名： TRANSACTIONS OF SHENYANG LIGONG UNIVERSITY年，卷(期)： 2011,30(1)本文链接：http:/
