基于贝加莱工控产品的多桩锤同步振动控制系统

0 引言
       打桩锤（机）是用来实施预制桩的打入（压入）和拔出作业的土建施工机械，目前使用的有柴油锤、液压冲击锤、电动冲击锤、液压静力锤、振动锤等，早期曾广泛使用重力落锤和蒸汽锤。
       按预制桩沉入的作业方式来划分，主要有打入法（又称冲击法）、压入法和振动法。
       振动法是使桩身产生高频振动，从而使桩尖和桩身周围的泥土阻力大大减小，预制桩在自重和所施加的一定压力的作用下被逐渐沉入土中。振动法所采用的设备是振动锤，它是本文讨论的主题。振动锤需要与打桩架配套组成打桩机，利用桩锤的机械振动能将桩打入土层或从土层中拔出。该方法适用于沉/拔钢板桩、钢管桩和钢筋混凝土桩，较适合在沙土、塑性粘土及松软砂粘土等类土层中作业。
在现代大型土建工程施工中，随着预制桩的直径越来越大，长度越来越长，单台桩锤很难满足大型桩基施工的功率需求，因而多锤联动的同步打桩控制方案应运而生。

1 振动锤与振动打桩机
1.1 振动锤
       振动锤主要有机械式（即电动式）和液压式两类。
       振动锤采用机械式定向激振器，由两根装有相同偏心块并相向转动的轴组成。两根轴上的偏心块所产生的离心力在水平方向上的分力相互抵消，而垂直方向上的分力叠加。其上装设有依靠液压动力来调整它的两偏心块间夹角的装置，以控制振动幅度（强度）。
       其外形如图1所示，它主要由偏心块及其转轴、驱动电动机、导杆、压缩弹簧、减振梁、振动箱、传动齿轮和偏心块液压位置调整装置等组成。 具有贯入力强、沉桩质量好、坚固耐用、故障少、结构紧凑、低噪音、高效率、无污染等优点[4]。

这里给出以下关于振动锤贯入的力学公式：
N = k?×áM?×n/9550  （1）     N为振动功率，n为转速，M为偏心力矩；
M = m×A                 （2）     m为参加振动的质量，A为振动幅度；
M = R= 4N×S           （3）     R为桩在土中受到的静阻力，N为贯入值，S为桩的截面积[4]。
       不同土壤的贯入值大不相同，例如对于密实的砂土，其贯入值达到50以上，而对于普通的软粘土只有2~4。激振器的频率设置应根据现场实际土质的不同而确定，例如对于含饱和水的砂土，通常提供100～200Hz的振动频率，而对于含沙的砾土则通常需要70Hz左右的频率。
1.2 振动打桩机
       振动打桩机由振动锤、打桩架体、桩管、电控箱等组成。一台大型高功率振动打桩机通常包含一到数十个振动锤，从式（1）可知，每个振动锤所配置电动机的功率主要根据所需的偏心力矩和转速来确定，从数十千瓦到数百千瓦不等。据有关报道，日本曾采用以联动轴串联8台150kW振动桩锤的方案，沉入了直径为23m的大型钢圆筒。

2 多锤振动的同步控制
2.1 多锤联动的工作方式
       为了实现最佳打桩效果，可以让多个桩锤同步运行，并使其振动互相叠加。多锤联动就是将多个桩锤以组合方式进行合力打桩的一种技术，能够有效地解决单个桩锤功率限制的问题（如图2所示）。不过目前所采用的联动方式几乎都是用一台高功率交流电动机，通过轴联器等机械装置连接每个振动锤的内部偏心块的旋转轴来进行联动驱动，强制性地实现各振动锤的角速度和相位同步，因而存在联动机械结构复杂且易损坏、安装复杂、运输困难、同步精度低与单电机可靠性差等缺点，在工程应用中受到一定的限制。本方案利用现代传感技术、控制技术与实时高速网络通讯技术，将多台振动锤的控制装置进行组网，实现了振动锤之间的电气柔性连接，构建了同步振动控制系统。该方案可用若干个较小功率的桩锤来构成一台高功率打桩机，单个桩锤单元易于运输、安装，桩机的配置与组合也更加灵活[3]。

2.2 振动锤的激振力产生及调频调幅振动工作原理
       振动桩插是利用振动锤内部的偏心块的离心力所产生的激振力工作的，其原理如图3所示。具有等量偏心力矩的两部分偏心块左右对称布置，在同一台电动机的驱动下以相同的角速度相向旋转，（通过齿轮传动来保证），所产生的水平方向的离心力相互抵消，垂直方向的离心力则相互叠加而产生激振力。
       图3中，ω为偏心块的旋转角速度，ｒ为偏心块的半径，θ为一对偏心块之间的夹角，ｍ为振动体的质量，Ｃ为阻尼系数，ｋ为刚度常数，à线和á线分别为两偏心块的综合重心线。
       根据相关理论推导，当这对偏心块之间的夹角θ为０时，激振力最大，而当θ为π时，激振力为零，调整θ角即可对桩锤的激振力进行调节，进而调节振幅；调节ω则可对振动频率进行调节。无级调频调幅振动桩锤就是利用这个原理来实现的[1]。

2.3 同步振动控制原理
       由2.2节可知，同步振动的关键在于力的同步，多锤同步振动要求各桩锤偏心块的回转角速度和相位差角同步。不过在实际的调频调幅过程中，每台桩锤两偏心块之间的夹角θ很难保证完全相同，因此即便桩锤之间相应的偏心块的运动轨迹相同也并不意味着振动一定同步，必须分别检测振动锤的两个偏心块的位置，算出各自的综合重心线，以每台振动锤的两个偏心块的综合重心线所处的位置是否实时地对应相同，作为振动是否同步的标准，即如果各综合重心线的夹角为零则说明各桩锤已同步。综合重心线是指两偏心块离心力的合成方向（如图3中的à线与á线），这样就能保证多台振动锤的激振力能最大程度地合成，实现合力打桩。因此多锤同步振动的控制要求是各桩锤的回转角速度相同和综合重心线（代表相位）之间的夹角为零[1]。
各桩锤之间的角速度同步与相位同步指它们间实时的角速度差与相位差为零，由相关理论推导可知，在某时刻即便角速度同步，相位也不一定同步，但若要维持相位的稳定同步，角速度则必须同步，改变角速度差能使相位发生改变，其角速度与相位是相互影响相互制约的。因此，多振动锤同步控制的基本原理是：实时检测偏心块的角速度与相位值，通过一定的控制方法与控制策略控制每台桩锤的角速度，使相位达到同步，从而达到多桩锤同步振动的目的。
2.4角速度和相位差的检测
       在每片偏心块的转轴的端部装设1台抗震性强的冶金重载型绝对值编码器或旋转变压器，以适应高温、严寒、潮湿、剧烈震动等恶劣工况的场合。它能输出RS422位置（速度）编码信号，用来对偏心块的实时位置（图3中的夹角θ和à线与á线的位置）和角速度（图3中的ω）进行测量。以两台振动锤为例，检测其中一台桩锤的两片偏心块位置分别得到信号S1和信号S′1，检测另一台桩锤得到信号S2和信号S′2。通常S1与S′1的角速度ω应相等而它们之间的相位差为θ，S2与S′2之间的关系也一样。利用系统配置的X20CM1941编码器输入模块对这些信号进行检测并在主控站中处理。为保证速度与相位差的准确检测，所有输入信号必须有相同的时间基准，并保证时间的标尺相同。

3 同步振动控制系统的构成
       该同步振动控制系统结构如图4所示。控制主站采用贝加莱的Power Panel（4PP420型10寸操作屏+PCC一体机）作为控制面板，并配置相应的X20 分布式I/O模块，Power Panel集显示、控制功能于一体，并集成了部分PCC的功能，通过所配置的Ethernet Powerlink总线通信接口可与各个振动锤单元的ACOPOSinverter变频器进行通信，传输控制参数，实现各锤之间的网络化控制；每台振动桩锤的控制子系统相对独立，它们通过高速实时以太网Ethernet Powerlink连接在一起，构成一个分布式控制系统，这种开放式结构便于振动锤配置数量的调整；每台桩锤的控制系统由1台配置有Ethernet Powerlink总线接口的ACOPOSinverterP84系列变频器、1台驱动偏心块的冶金型三相交流异步电动机、两片偏心块转轴端部装设的各1台重载型旋转编码器构成。交流电动机的速度调节通过各自的变频器实现（接受主控站的软件PID输出作为速度指令）；编码器实时检测振动桩锤偏心轮的角速度与位置，通过X20系统配置的X20CM1941编码器输入模块传送到控制主站，再由其计算出各桩锤的综合重心线位置，然后根据一定的控制算法计算出速度控制值，再通过Ethernet Powerlink现场总线传送给各变频器，并通过变频器改变电动机的角速度，达到调节角速度和相位的目的；X20 I/O所配置的模拟量输出模块X20AO4622（4~20mA输出），根据计算结果输出信号去控制液压比例阀，以调节振动锤两偏心块间的夹角θ，从而调节其振动幅度（强度）。主控制器同时也作为整个系统的监控管理机，对作为其扩展单元的X20分布式I/O以及各台变频器进行协调控制，综合处理各振动锤的位置（速度）传感器的输入信号，发送控制命令，实时监视/记录系统的同步状态。
       在同步振动控制系统中，时间的同步至关重要，各台桩锤的角速度和相位的计算必须以同一时间为基准才具有比较的意义。该系统所采用的时间同步策略如下：假设以图4中的1#振动锤的控制软件模块为时间基准，它的偏转块的传感器信号通过X20 编码器模块输入至主控器，并传送给其余各台桩锤的控制软件模块，它们实时地接受该信号并以此信号为基准，按照一定的算法计算出相应的速度差与相位差，这样就保证了每台桩锤的信号检测是在同一时间基准下进行的。

4 同步振动控制策略
4.1速度调节与相位调节的切换[1]
       由前述可知，相位的调节是通过角速度的调节来实现的。要达到同步振动的效果，必须协调好相位和角速度的关系，使二者都达到同步。在速度差很大时对相位的调节是没有意义的，因此采用的控制策略如下：以（主轴）振动锤为基准，并设定某一速度阈值Vs，当其它各（从轴）振动锤与基准锤的速度差大于Vs时，启动速度调节软件模块，关闭相位调节软件模块，快速地对速度进行调节；当速度差小于Vs时，启动相位调节软件模块，关闭速度调节软件模块，通过一定的控制算法进行相位跟踪，直到消除相位差达到同步。由于外界干扰、负载变化等因素的扰动，系统将自动地在速度调节模块与相位调节模块之间往复切换，以维持同步。
4.2带主从速度补偿环节的并行速度控制策略
       在多电动机同步驱动控制系统中，常用的同步控制模式有：并行控制、串行控制、主从控制、交叉耦合控制、电子虚拟主轴控制等。其中并行控制的整个系统相当于开环控制，同步性能不好，鲁棒性差；电子虚拟主轴控制虽能较好地抑制各电机的负载扰动，但主参考轴与每个从动轴之间可能会存在一定的恒稳态位置差；主从控制则是把主电机的输出速度作为从电机的参考速度，从电机的速度跟随主电机的速度，主电机由于负载或电网等因素引起的速度扰动会影响到所有的从电机。在振动桩锤的同步振动控制中，稳定地保持速度同步是调节相位的基础，因此速度同步的稳定性和抗干扰能力至关重要。
       在多台桩锤同步振动控制过程中，各桩锤之间通过了桩连接在一起，“锤－桩－土”组成了一个非常复杂的系统。除了沉桩功效以外，桩锤之间还存在一定的运动与能量传递，对相位差的调节与控制可能造成影响，因此，制定控制策略时需考虑桩锤之间的相互作用对相位造成的影响。
       为了提高同步控制的精度与稳定性，采用了一种带主从速度补偿环节的并行速度控制策略，其结构框图如图5所示。该策略综合了并行控制模式在启动阶段的快速响应和主从控制模式的良好跟随性的特点，在此基础上增加了速度补偿环节，增强了系统的抗干扰能力。其控制原理为：除硬件设备以外，所有桩锤的速度调节软件模块均在控制主站中以软件方式实现，并接受同一速度设定值，且每个桩锤都有各自的编码器速度反馈信号参与速度闭环调节。以1#桩锤为主锤（主轴），其它桩锤为从锤（从轴），比较主从偏心块的测量角速度，其差值经速度补偿调节器（PI调节）后反馈到各从锤软件模块的输入端。

4.3 采用点动Bang-Bang控制算法的相位调节策略[1]
       偏心块的相位调节是通过小范围内调节其角速度来实现的，检测从轴偏心块的当前位置，并与主轴偏心块的位置比较，得到一个相位偏差，该偏差通过PID算法得出速度设定值，减慢或加快该从轴偏心块的角速度，速度差的积分会导致位置的相对移动，直到相位偏差小于设定值（如5度）时，PID停止调节。
       振动锤的振动是由电动机带动多片大质量的偏心块作旋转运动而产生的，且振动锤工作时电机的速度一般在1000r/min以上，系统的惯性非常大，在相位调节过程中如处理不当就会引起超调，进而引起速度不同步，还会造成速度调节模块与相位调节模块之间的频繁切换，影响同步效果。
       为了避免上述现象发生，在相位调节中采用了一种点动Bang-Bang控制算法。它的基本原理是：当速度差小于设定的速度阈值Vs时切换至相位调节模块。设速度调节时第i台（i≥1）从振动锤的控制量为Vfspi，检测主从桩锤相应偏心块之间的相位差，由给定算法得出该从桩锤当前的控制量Vphspi(t)。
       以桩锤偏心块每旋转两圈为一个控制周期，检测一次角速度差与相位差的值并进行一次相位调节。在一个控制周期内，由Bang-Bang控制算法计算出的控制量Vphspi(t)作用一段时间后，返回到速度调节时的控制量Vfspi并等待系统充分响应，然后再检测角速度差与相位差，进入下一个控制周期。这种“调节——等待——观察”的点动控制策略与人工干预十分类似，比较适合振动锤这类高速旋转的大惯性系统，它的优点是在尽量维持角速度同步的情况下快速地对相位进行调节，达到角速度与相位均保持同步的目的。

5 系统运行
5.1 技术条件和指标[3]
       运行条件：
       振动加速度：<22g；
       振动频率：<20Hz（对应偏心块角速度1200r/min）
       驱动电动机的低速扭矩特性较好，选择冶金重载型6~8极交流异步电机；
       各振动锤部件安装一致性好，位置偏差<0.5%。
       达到的指标：
       稳定运行时，各振动锤相位偏差小于10度（如0位时存在偏差，应减去0位实际偏差），用示波器测试时，测量信号上升沿之间时间差应小于（10×信号周期 / 360）；
系统连续24小时试运行无中断，即为合格。

5.2 系统操作[4]
（1）登录画面：系统上电，系统进入登录画面，提示输入用户名和密码；
（2）输入有效用户名和密码后，系统询问各振动锤偏心块的当前位置是否在初始位；
（3）确认各振动锤的偏心块在初始位后（假设初始状态各振动锤的实际相位偏差为0），以点击“启动”按钮；
（4）点击“启动”按钮后，X20 I/O的模拟输出信号自动控制液压比例阀，调节各振动锤的两偏心轮间夹角θ为π，使各振动锤处于无振动对称状态；
（5）然后顺序启动电机，并逐渐加速到设定速度；
（6）自动检测各振动锤偏心块的当前位置，以1#振动锤为主轴，当到达设定速度后，其它从轴偏心块参照主轴偏心块的位置，通过调节速度来跟随主轴的相位；
（7）当各从轴偏心块与主轴偏心块之间的相位差小于10度后，X20 I/O的模拟输出信号控制液压比例阀，逐渐减小各振动锤的两偏心轮间夹角θ，使振动幅度逐渐增强到设定值；
（8）停机指令发出后，主轴逐渐减速停止，从轴跟随主轴的角速度和相位，也逐渐停止下来。

6 结束语 
       多桩锤同步振动能有效地解决单桩锤沉桩功率不足的问题。利用先进的传感技术、控制技术与网络技术实现了各桩锤控制子系统之间的电气柔性连接，制定了基于主从速度补偿的并行速度调节和点动Bang-Bang相位调节的多锤振动同步控制策略，为多锤联动技术的开发打下了基础，也为大直径桩基的施工提供了一种新的有效方法和手段。工业试验表明，该技术方案改善了多锤联动的速度与相位同步效果，具有广阔的应用前景。

参考文献
[1] 来鑫，乌建中等．多桩锤同步振动系统及同步控制策略研究 [j]．振动与冲击．2011，31（3）：147-152.
[2] 百度文库．打桩锤概述. 2011-4.
[3] 陈志平. 基于贝加莱网络通讯技术的多桩锤电子轴同步振动控制方案. 2011-08.
[4] 宋振华. 贝加莱ACOPOSinverter在振动打桩锤上的应用. 2011-10.
作者简介
周晓霞 ，女，1966年生，甘肃人，高级政工师，学士，2007年加入贝加莱，主要从事市场支持和市场营销工作。