张拉机全自动控制系统设计

邝润锡

1 简介

预应力混凝土管桩直径分为300毫米、400毫米、500毫米、600毫米等规格，我司生产的主要有500毫米两种规格的PHC预应力高强混凝土管桩，分别为500毫米的A管桩和500毫米的AB管桩；管桩全是工厂化生产，常用节长由4米到15米不等，管桩按桩身抗裂弯矩的大小分为A型、AB型、B型。A型的有效预应力约为760 kN，AB型为1 070 kN，B型约为1 480 kN[1]，一般管桩有200 kN以上的有效预应力，打桩时桩身混凝土可有效地抵抗抗弯桩应力。

传统的标尺读取刻度法，是由以下两个因素来决定它的拉伸量：

（1）管桩钢筋规格的不同，拉伸值不同；

（2）管桩的长度不同，拉伸量也要作相应的改变，国家规定了每米的钢筋拉伸值，这样才可以保证不同长度下每条管桩的预应力一样。

由于施工现场的环境和结构不一样，工程施工的打桩方式一般分俩种：定尺（全部只打一个额定的管桩米数）和定压（把管桩施加到一定压力）；无论哪种施工方式，各处施工场所的施工深度是不同的，管桩的配对生产长度是根据每个工地来匹配（如需要25米管桩，可以由10米+15米或12米+13米等组合而成，公司生产单条管桩的长度由4到15米不等的管桩长度），致使两个规格（A和AB）各12种拉伸长度要相对应，共24种拉伸值；操作员工在生产现场，要对应相应规格、长度的拉值来参考，这样的操作劳动强度大，效率低，人为因素的出错机率高。

2 系统设计原理

全自动张拉机控制系统是采用对液压油泵压强直接换算张拉机的拉力的方法，这种控制方式只是有一个因素影响：根据规格的不同而张拉力不一样，跟管桩的长度无关（同规格不同长度的管桩，它的张拉力是相同的）；这样只需要在开始计算好它的拉伸力，直接输入到触摸屏里，以后使用只要按相应的规格按扭（A管桩或AB管桩）就可以调用管桩的标准拉伸值，这样的控制方式，大大地减小对生产员工的操作要求，产品的合格率得到保证，公司的效益得到显著的提升。

张拉机全自动控制系统设计的原理是根据预应力大小，经过液压缸（俗称千斤顶）的缸体，换算成液压油泵的压强来控制预应力，根据帕斯卡原理：F(压力，单位：牛顿)＝S(面积，单位：平方米)乘以P(压强，单位：帕斯卡)，公式中压力就是液压缸的拉伸力，而面积相当于张拉机的液压缸面积，压强等于液压油泵的输出油的压强。当液压缸的缸径不变时，只要控制液压油泵中液压油压强的大小，就可以相应地按比例控制管桩的拉伸力（预应力）。液压油泵压强的控制是采用压力变送器来检测，由压力变送器将信号送给模拟量转换模块（A-D），再由模拟量转换模块(A-D)的信号输送到PLC内处理，PLC根据接收到的信号和设定的数值相比较，进行处理，处理结果后再由模拟量模块（D-A）输出控制液压油泵的变频器，变频器再控制液压油泵的转速，到最后液压油泵的压强大小再次由压力变送器反馈；从而形成一个闭环控制系统，实现快速、稳定、高效的控制模式；如图1所示。

图1 电器原理图

图2 是液压系统原理图，其中电磁阀是采用三位四通换向阀来完成，油路中的a电磁阀负责加载液压缸，而b电磁阀负责缷荷液压缸。当选择相应的管桩规格，按下启动按扭后，a电磁阀通电，液压油泵启动，加载的液压缸向后运行；当完成加载在管桩的预应力固定过程中，液压系统是处于空载状态，即液压油由三位四通换向阀的P端流入后，从T端流出到油箱，形成一个循环；若管桩的预应力固定完成后，按下液压缸复位按扭，b电磁阀得电，缷荷油路启动，液压压缸向前移动复位。

全自动张拉机液压系统在实际的投入运行中，需要注意的问题：

（1）液压油泵必须确保转向与厂家标注方向一致，若转向相反，不仅没有油压输出，严重还会损坏液压油泵；

（2）压力变送器的安装位置尽量装在液压缸上，避免装在液压油泵处，因为装在液压油泵处，液压油泵输出的油压波动相对液压缸来说会大，加上液压油泵的振动等因素，所以安装在液压缸上效果要好；

（3）加载电磁阀在达到设定压力时停止输出，这时电磁阀受到管桩的反向预应力冲击，容易出现故障，后来经过改良，在加载电磁阀到张拉机的输油管中间加装一个油路单向截止阀，完美解决加载电磁阀易损坏的情况；

图2 液压系统原理图[3]

（4）输油管宜采用耐高压橡胶软管，适当加大管径，使液体流速小于或等于推荐的流速值，起到减小液压冲击的作用[2]；

（5）必须安装溢流阀，它的作用是起到定压和保护油路系统的作用，当系统出现异常（如过载）时，当前的工作压力超过设计时承受的压力，使系统进入危险时，阀开启溢流，对系统起过载保护。

3 控制系统的设计

全自动张拉机系统的设计要求，分配PLC的输入输出点（本文以三菱FX系列的PLC来举例），得出输入输出接线图，如图3所示。

输入输出接线图中：

X0是程序启动运行按钮；

X1是程序中止按钮；

X2是液压缸复位按钮；

X3是A管桩规格输入信号；

X4是AB管桩规格输入信号；

X5是液压系统超压输入信号，由指针式压力保护开关安装在液压油泵的输出端，它的作用是当压力变送器或加载电磁阀发生故障，液压油泵压力一直升高到指针式压力保护开关的阀值时，保护开关就会发送信号到PLC内部，从而切断变频器的输出，起到保护设备和人身安全的作用；

X6是故障报警清零按钮，当X5指针式压力保护开关有信号输入时，必须要按清零按钮才可以消除Y5报警信号，系统才能再次正常启动；

Y0是张拉机加载电磁阀门开启；

Y1是张拉机缷荷电磁阀门开启；

Y2是A管桩自动拉伸到设定预应力完成时的指示灯；

Y3是AB管桩自动拉伸到设定预应力完成时的指示灯；

Y4是液压油泵变频器启动信号；

Y5是报警信号输出警报灯。

图3 输入输出接线图

可编程序控制器采用三菱FX1N系列的PLC；而模拟量转换模块为FX0N-3A，PLC和模块采用设备应用指令中的RD3A和WR3A进行通信的[4]，模块有两路模拟量输入和一路模拟量输出，图3中输入信号是电流信号输入方式，而输出信号是电压信号[5]；压力变送器采用压力比例换算电流的方法进行反馈，为了提高测量精度，应注意使用时的显示值应在满量程的50%左右来选择测量范围或刻度范围，选择传感器的响应速度，目的是适应输入信号的频带宽度，从而得到高信噪比、高精度的传感器[6]；变频器参数为外围端子控制方式。

全自动张拉机系统中使用变频器来调节液压油泵的转速，可以更精确地控制张拉机的拉伸力，例如当拉伸力达到设定值的90%时，PLC就会通过模拟量转换模块（D-A）降低变频器的频率，从而控制液压油泵的供油速度，产品预应力的精度就可以达到更理想的效果。

全自动张拉系统操作流程：首先在触摸屏上输入相对应张拉机缸的直径（由厂家直接提供）和压力变送器的量程，然后再输入A桩和AB桩的拉伸力（生产的500毫米A桩拉伸力为760 kN，500毫米AB桩为1 070 kN，该拉伸力由公司的质检部按照国家标准统计得出），输入启动二级频率百分比（一般输入90%），再输入二级的工作频率（一般输入的数值为最高工作频率的70%），最后输入液压缸复位时间，触摸屏画面如图4所示。

当所有数据输入确定无误后，按下需要张拉的预应力混凝土管桩规格的按扭（AB桩或B桩按扭），触摸屏上显示相对应规格的指示灯亮(M12或M13置位)，再按下启动按扭（X0），系统自动打开加载电磁阀（a通电），变频器启动以全速50Hz运行到当前设定的二级频率启动百份比处，降频到设定的二级频率进行低速张拉，当实际的张拉力达到设定拉力时，系统自动停止加载电磁阀(a)，管桩的预应力完成固定后，按下复位按扭，缷荷电磁阀（b通电）动作，启动复位时间继电器，当液压缸复位到原始位置时，复位时间继电器计时结束，停止变频器输出并复位缷荷电磁阀。在张拉或复位过程中，如果出现异常情况，可以按下停止按扭，PLC所有的输出停止，保证设备和人身的安全。

图4 触摸屏画面[7]

全自动张拉机程序的设计中，需要注意以下几个问题。

（1）PLC只会识别数字号，当压力变送器的模拟信号转换成数字号时，要注意换算；例如采用0～60 MPa量程的压力变送器，经过FXON-3A模块转换后，得出的才是PLC可以识别的实际压强值。

（2）全自动张机系统还要实时自动换算压力和压强的比值，根据帕斯卡原理：压力＝面积×压强；在换算过程中需注意单位的转换。

（3）二级工作频率的百分比必须输入，因为在实际运行中，如果液压油泵全频运行，它的输送液压油的压强过大，容易造成张拉机的拉伸值过冲，过冲量如果超过标准，管桩本身的预应力就会没有作用，管桩的强度会降低，起到反效果；如果过冲量超到一定程度，钢筋还会拉断，作次废品；所以启动二级工作频率和二级工作频率这两个选项必须要配合好才能更高效、精确。

4 结束语

多年的设计、维修工作经验，必须要做到“胆子要够大，心底要细腻”才可以能人所不能。实际上也可以参考中医的四字金句：望、闻、问、切；望的意思是观察设备的所有工作情况，哪些行为正常，哪些存在疑惑；闻的意思是要多听设备各个部件的声音，哪部分正常，哪部分有杂音，并能分辨出设备是否存在异味的情况；问的意思是多咨询相关的员工，从出现故障之前和出现故障之后的区别作对比，多听听员工的意见；切的意思就是拿对应的仪器对其进行多方面的检查；综合以上四点就可以判断出现问题的原因和相对应的解决办法。