Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát quá trình khoan gia cố nền đất yếu

Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát cho máy khoan phun cọc xi măng gia cố nền đất yếu tại các công trình xây dựng. Hệ thống điều khiển được thiết kế bằng việc sử dụng các phần mềm thông dụng như OPC PC Access S7 200, Visual Basic 6.0... Hệ thống điều khiển đã được chạy thử nghiệm và được đưa vào sử dụng tại công trường.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH KHOAN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DESIGN, CONTROL AND MONITOR SYSTEM FOR THRILLING WEAK LAND Trương Thị Bích Liên*, Trần Đình Thơng, Bùi Thị Thu Hà, Hà Thị Kim Duyên TÓM TẮT Trong giai đoạn nay, việc hoàn thiện lý thuyết tính tốn, xây dựng điều khiển tự động kiểm sốt chất lượng q trình khoan cần thiết Với mong muốn khắc phục nhược điểm hệ thống điều khiển cũ nhà xản xuất đưa điều khiển có nhiều tính hơn, đáp ứng yêu cầu khoa học cơng nghệ giảm bớt chi phí tổn hao trình thực Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho máy khoan phun cọc xi măng gia cố đất yếu cơng trình xây dựng Hệ thống điều khiển thiết kế việc sử dụng phần mềm thông dụng OPC PC Access S7 200, Visual Basic 6.0 Hệ thống điều khiển chạy thử nghiệm đưa vào sử dụng công trường Các kết đạt thể khả làm chủ công nghệ liệu giám sát điều khiển in thơng qua hệ thống điều khiển Từ khố: Hệ thống điều khiển; máy khoan gia cố đất yếu; giám sát điều khiển liệu ABSTRACT Currently, completing mathematical theory, building the control system and monitoring the quality in the thrilling process is very important With the motivation to reduce the drawbacks of the old control system and to introduce a new control system (more functions low cost), this paper proposed a novel controlling and monitoring system or Concrete spraying pile machine to strengthen the weak land in the construction sites The results of this system are also discussed in this paper The control system was design by the software such as OPC PC Access S7 200, Visual Basic 6.0 and so on This system was tested and used in the construction sites The obtained results show the owning technique and data through the control system Keywords: Control System; floor driller; data supervising and controlling Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: tbliencn@gmail.com Ngày nhận bài: 15/6/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/7/2019 Ngày chấp nhận đăng: 20/02/2020 CHỮ VIẾT TẮT CDM DAO HMI Cement Deep Mixing Data Access Object Human Machine Interface Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn OLE OPC PLC Object Linking and Embedding OLE for Process Control Programmable Logic Controller GIỚI THIỆU Để nâng cao chất lượng lĩnh vực xử lý đất cho cơng trình xây dựng, thủy lợi, giao thơng,… có nhiều cơng nghệ đưa vào ứng dụng rộng rãi bấc thấm, vải địa, kỹ thuật cọc cát,… Nhưng phương pháp gia cố cọc xi măng đất ứng dụng rộng rãi ưu điểm bật đặc biệt giải khó khăn q trình thi cơng [1] Cọc xi măng đất thi công tạo thành theo phương pháp khoan trộn sâu Dùng máy khoan thiết bị chuyên dụng khoan vào đất với đường kính chiều sâu lỗ khoan theo thiết kế Đất q trình khoan khơng đưa lên khỏi lỗ khoan mà bị phá vỡ liên kết, kết cấu cánh mũi khoan nghiền tơi, trộn với chất kết dính xi măng Trái tim máy khoan hệ thống điều khiển kiểm soát chất lượng cọc xi măng đất Hệ thống điều khiển kiểm soát phải đảm bảo cho chất lượng cọc xi măng đất đạt chất lượng thiết kế đề Hiện nay, nước có nhiều cơng ty xây dựng chun thi cơng gia cố nền, móng nhập máy khoan cọc xi măng đất để thi công đại trà như: LICOGI13-FC, Hà Thành, FECON,… Các máy đa phần nhập từ Nhật Bản, Trung Quốc kèm điều khiển theo máy, hầu hết không sử dụng điều khiển khơng phù hợp với đất Việt Nam Với lợi hiểu đặc điểm thổ nhưỡng nước ta, tự nghiên cứu, thiết kế điều khiển để thay bộ điều khiển nhà sản xuất Hệ thống điều khiển nhà sản xuất đa phần dùng điều khiển sử dụng vi điều khiển khó khăn cho trình bảo trì sửa chữa,… hiển thị giám sát q trình khoan, chất lượng phụ thuộc nhiều vào người vận hành máy Vì nhược điểm chúng tơi xây dựng điều khiển để thay điều cũ hệ thống máy khoan Vol 56 - No (Feb 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 39 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Theo phân tích ngun lý thi cơng cọc xi măng đất ta xây dựng sơ đồ khối tổng thể điều khiển hệ thống hình Hình Sơ đồ cơng nghệ thi cơng cọc xi măng đất công nghệ trộn ướt [1] NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MÁY GIA CỐ NỀN ĐẤT 2.2 Nguyên lý điều khiển Nguyên lý hoạt động điều khiển máy khoan bao gồm hai trình: + Quá trình khoan xuống: Mũi khoan vừa quay vừa khoan xuống, đồng thời phun vữa xi măng, trình làm tơi đất trộn hỗn hợp để tạo thành bê tông đất vữa bơm cung cấp cho hố khoan Cảm biến lưu lượng đo lưu lượng phun thực tế bơm Khi cảm biến làm việc động nâng cần khoan hoạt động nâng dần mũi khoan xuống Cảm biến báo lượng vữa thực tế chảy qua đường ống phun vào đất, tín hiệu truyền điều khiển PLC, PLC xuất tín hiệu đưa vào biến tần, biến tần điều khiển tốc độ phun ổn định lượng vữa vào lòng đất đồng thời cảm biến đo góc quay (encoder) làm việc báo tín hiệu hồi tiếp tốc độ nâng mũi khoan độ sâu khoan, tín hiệu đưa PLC để xử lý Dựa vào tín hiệu đó, PLC xử lý truyền tín hiệu tới biến tần để điều khiển động dẫn động nâng mũi khoan + Quá trình khoan dịch chuyển lên: Mũi khoan quay theo chiều ngược lại đánh tơi trộn thêm lần 2.1 Nguyên lý máy thiết kế Trong hành trình khoan, thơng số khống chế chiều sâu, lưu lượng vữa phun phân đoạn (thường 20cm) đo nhờ (Encoder) cảm biến lưu lượng (Flowmeter) truyền tín hiệu đến điều khiển hiển thị trực tiếp lên hình điều khiển máy khoan, thợ vận hành máy theo dõi điều chỉnh trực tiếp lưu lượng, tốc độ khoan rút lên phân đoạn Phiếu in thông số khoan phun in liên tục phân đoạn sở để đánh giá, nghiệm thu chất lượng cọc thi công Theo công nghệ trộn ướt thi cơng theo bước sau:  Bước 1: Đinh vị máy khoan vào vị trí khoan cọc máy toàn đạc điện tử  Bước 2: Bắt đầu khoan vào đất, trình mũi khoan xuống đến độ sâu theo thiết kế  Bước 3: Bắt đầu bơm vữa theo qui định trộn mũi khoan xuống, tốc độ mũi khoan xuống: 0,5 ÷ 0,7m/phút  Bước 4: Tiếp tục hành trình khoan xuống, bơm vữa trộn đều, đảm bảo lưu lượng vữa theo thiết kế  Bước 5: Khi đến độ sâu mũi cọc, dừng khoan dừng bơm vữa tiến hành quay mũi ngược lại rút cần khoan lên, trình rút lên kết hợp trộn lần nén chặt vữa lòng cọc, nhờ cấu tạo mũi khoan Tốc độ rút cần khoan lên trung bình: 0,8 ÷ 1,2m/phút  Bước 6: Sau mũi khoan rút lên khỏi miệng hố khoan, 01 cọc vữa hồn thành Thực cơng tác dọn dẹp phần phơi vữa rơi vãi hố khoan, chuyển máy sang vị trí cọc Encoder Nhập số liệu đầu vào Biến tần Động quay cần khoan Hệ thống chấp hành Biến tần Động nâng hạ Hệ thống nâng hạ mũi khoan Chương trình điều khiển Encoder HMI PLC Biến tần Bơm phun Hệ thống cấp liệu Cảm biến lưu lượng Hình Sơ đồ khối tổng thể điều khiển [1] Như vậy, dựa phân tích nguyên lý hoạt động dựa hình kiểm sốt chất lượng cọc xi măng, nhiệm vụ điều khiển thiết kế giải ba vấn đề sau: - Ổn định tốc độ quay mũi khoan: dựa hồi tiếp tốc độ encoder tín hiệu đưa đến biến tần để ổn định tốc độ động điều khiển mũi khoan - Điều khiển hệ thống nâng hạ mũi khoan Đo chiều sâu mũi khoan, xuất tín hiệu máy in cho phân đoạn mũi khoan (thường 20cm/1 phân đoạn) để kiểm tra chất lượng độ tơi đất xác định vị trí mũi khoan - Lưu lượng vữa xi măng bơm vào đất theo mũi khoan: cảm biến lưu lượng đo lượng dung vữa qua bơm phun, hồi tiếp tín hiệu đưa PLC để điều chỉnh biến tần từ điều chỉnh tốc độ bơm phun 40 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (02/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 - Cảm biến lưu lượng: Đo lưu lượng khối vữa xi măng bơm phun vào cọc xi măng đất Bắt đầu Đặt tốc độ quay mũi khoan (V1) PLC Hình Kiểm sốt chất lượng cọc xi măng [1] Chuyển đổi D/A THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 3.1 Điều khiển tốc độ quay mũi khoan Từ nhiệm vụ đặt tốc độ khoan cần khơng đổi suốt q trình khoan (nâng - hạ mũi khoan) khoan (hạ mũi khoan) đến độ sâu đặt trước nâng mũi khoan vị trí ban đầu Hình mơ tả sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ khoan Độ sâu cần khoan (d1) tốc độ khoan (V2) đặt từ hình HMI Bộ điều khiển_2 thiết kế nhằm ổn định tốc độ động nâng hạ mũi khoan (tương ứng với tốc độ khoan), tính tốn độ sâu tức thời mũi khoan thông qua phản hồi vị trí Encoder_2 Trên sở thuật tốn điều khiển thể hình ∆d Bộ điều khiển_2 Động nâng hạ khoan Hệ thống chấp hành Sai Động quay mũi khoan Đo tốc độ động mũi khoan (V1') V1 = V1' Đúng d2, V2 Biến tần Quay mũi khoan đến hết hành trình xuống - lên Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển tốc độ mũi khoan d2', V2' Bắt đầu Đặt độ sâu cần khoan (d2); tốc độ khoan V2 Encoder_2 PLC Hình Sơ đồ khối điều khiển tốc độ khoan 3.2 Điều khiển tốc độ khoan (tốc độ nâng - hạ mũi khoan) Điều khiển lưu lượng vữa xi măng qua vòi phun theo mũi khoan ln ổn định suốt trình khoan Khi lưu lượng ổn định khối lượng vữa xi măng trộn vào đất phân đoạn khoan cọc xi măng - đất Hình mơ tả sơ đồ khối điều khiển lưu lượng vữa xi măng bơm vào đất Thuật toán điều khiển tốc độ khoan thể hình ∆Q Lưu lượng đặt (Q) Bộ điều khiển_3 Động bơm phun Chuyển đổi D/A 4-20mA Biến tần fmin - fmax Động khoan (hạ) Đo tốc độ động khoan (V2') S Hệ thống chấp hành V2 = V2' Q' Đ Cảm biến lưu lượng Đo độ sâu mũi khoan (d2') S Hình Sơ đồ khối điều khiển lượng vữa phân đoạn - Bộ điều khiển_3: Chương trình điều khiển xây dựng PLC - Động bơm phun: động khơng đồng pha rotor lồng sóc - Hệ thống chấp hành: hệ thống dẫn vữa xi măng từ xi-lô chứa vữa xi măng đến vòi phun xi măng đầu mũi khoan Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn d2'=d2 Đ Đảo chiều quay động khoan (nâng) S Vị trí ban đầu Đ Kết thúc Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển q trình khoan Vol 56 - No (Feb 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 41 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trong trình khoan (hạ mũi khoan) cọc xi măng đất, vữa xi măng phun vào trộn với đất (nhờ cánh mũi khoan), nhiên q trình khoan đầu vòi phun bị dính đất, dính vữa dẫn đến lưu lượng vữa xi măng đưa vào đất không Để nhận biết lưu lượng vữa không ta sử dụng cảm biến lưu lượng Khi có sai lệch lưu lượng vữa so với giá trị đặt, Bộ điều khiển _3 cần điều chỉnh để điều chỉnh tốc độ động bơm phun bám theo lưu lượng đặt (đảm bảo sai lệch nhỏ nhất) 3.3 Xây dựng phần mềm giám sát, quản lý thống kê cho hệ thống khoan cọc xi măng đất Sử dụng giao diện HMI để điều khiển giám sát cho hệ thống điều khiển tự động Kết hợp ngôn ngữ Wincc Flex [7] nhúng S7-200 PC Access (OPC server) vào VB6.0 [6] Để thực xây dựng giao diện tương tác giám sát điều khiển liệu hệ thống Song song với trình in phiếu để theo dõi quản lý chất lượng cọc xi măng đất, cần phải lưu trữ phiếu kết sở liệu để thống kê, kiểm tra dễ dàng máy tính Chính vì, nhóm tác giả thiết kế phần mềm đảm bảo giải tốn sau: - Có giao diện người máy (HMI) giao tiếp người vận hành máy móc thiết bị hay có “giao tiếp” với máy móc qua hình giao diện - In phiếu kết trình khoan cọc xi măng đất - Xây dựng sở liệu để lưu trữ quản lý thống kê phiếu kết Có thể in lại phiếu cọc xi măng đất lưu trữ Ngoài sử dụng thực nhúng S7-200 PC Access (OPC server) vào VB6.0 [9,10] xây dựng số giao diện cụ thể hình 8, 9, 10 + Giao diện điều khiển: Hình Giao diện điều khiển + Giao diện hiệu chỉnh: + Giao diện quản lý thông kê, in phiếu xuất: Hình 10 Giao diện quản lý, thống kê MÔ PHỎNG GIẢ LẬP VÀ TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM 4.1 Thực mô giả lập Để thực mơ giả lập từ giao diện hình điều khiển chính, bấm vào nút “MP” để vào hình mơ hình 11 Hình 11 Giao diện điều khiển Từ hình mơ bấm “chạy” sau bấm “MP”, bấm “chiều khoan xuống” để thực q trình chạy mơ từ hình 12 Hình 12 Giao diện chạy mô Để thực trình mơ tủ điểu khiển, nhóm tác giả tạo chương trình phát xung mơ thay cảm biến encoder trình lên xuống cần khoan Ngồi nhóm giả lập tín hiệu lưu lượng bơm vữa tiến hành chạy thử điều kiện mô với tham số cài đặt giả định bảng Bảng Tham số mô giả định Hình Giao diện hiệu chỉnh 42 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (02/2020) Chiều sâu cọc khoan 12m Lưu lượng 73 lít/phút Vận tốc khoan xuống 0,5m/phút Vận tốc khoan lên: 1m/phút Số lít /mét = lưu lượng /vận tốc 29 lít/0,2m Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Sau tiến hành cài đặt thông số tiến hành bấm “chạy”, máy khoan tự động khoan điều kiện mơ sau in phiếu kết hình 13 Hình 13 Phiếu in kết chạy mô Từ phiếu in kết hình 13 thấy:  Cột số (HH:MM:SS) số giờ-phút-giây khoan  Cột số (MET) quãng đường mũi khoan dịch chuyển xuống (cứ 0,2m tính phân đoạn khoan)  Cột số (M/P) vận tốc dịch chuyển mũi khoan: khống chế ổn định 0,5m/phút  Cột số (LP1) lưu lượng dòng chảy vữa xi măng: có giá trị dao động 20 lít/phút Có giá trị sai lệch 21, 22, 23, 24 lít/phút nhằm đảm bảo khối vữa xi măng đưa vào phân đoạn phải ổn định  Cột số (L1) thể tích khối vữa xi măng đưa vào phân đoạn cọc xi măng đất Trong mô số khối vữa xi măng đưa vào phân đoạn ổn định với giá trị 50l  Cột số (TL1) tổng lưu lượng khối vữa xi măng suốt trình khoan (cộng dồn giá trị cột số Nhận xét: Trên kết vừa phân tích phiếu in mơ phỏng, thấy chất lượng điều khiển thiết kế đảm bảo tốc độ, lưu lượng bám giá trị thiết lập với kết sai số nhỏ 4.2 Triển khai thực nghiệm Hình 14 Phiếu in kết chạy thực nghiệm Thực trình điều khiển mơ hình thật địa hình thực tế cơng trường Nhà máy nhiệt điện Hải Dương Hệ thống triển khai bao gồm trạm trộn với máy khoan có hai mũi khoan Kết thực thực tế thông qua việc giám sát lưu lượng in hình 14 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Các kết thực triển khai thực nghiêm hình 14 minh chứng hoạt động ổn định hệ thống thiết kế theo thiết lập tham số từ hình giám sát đảm bảo theo yêu cầu kỹ thuật thi công nhằm nâng cao hiệu công việc để đảm bảo chất lượng đất yếu vị trí khác KẾT LUẬN Việc cải tiến điều khiển cho máy khoan phun cọc xi măng đất từ điều khiển tay sang điều khiển hoàn toàn tự động trình khoan phun làm cho lượng vữa xi măng phun vào đất cách đồng suốt chiều sâu khoan, làm tăng chất lượng cọc xi măng đất đồng thời tăng suất khoan Mơ hình thực nghiệm thiết kế, chế tạo, hoạt động hoàn toàn tự động mô máy thực tế Kết sở để nghiên cứu áp dụng cho thực tế đơn vị sử dụng thiết bị thi công Việt Nam Với kết nghiên cứu thực việc điều khiển giám sát thơng số kỹ thuật q trình khoan gia cố đất yếu cho máy khoan cọc xi măng đất đảm bảo chất lượng cọc xi măng đất có độ tròn Trong tương lai để nâng cao hiệu suất giám sát điều khiển việc gia cố đất yêu nhiều máy khoan thông qua kết nối không dây xu hướng nhiều nhà khoa học quan tâm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Duy Liêm Xử lý đất yếu cọc đất ximăng http:// www.orbitec.vn [2] E Larsson, 2005 Introduction to Advanced System-on-Chip: Test, Design and Optimization Springer Publisher [3] Intel Corporation: www.intel.com [4] M Dixon, P Hammarlund, S Jourdan and R Singhal, 2010 The Next Generation Intel Core Microarchitecture Intel Technology Journal, Vol 14, Issue 3, pp - 29 [5] Marilyn Wolf, 2012 Computers as components: Principles of Embedded Computing Systems Design Morgan Kaufmann publisher, ISBN: 978-0-12388436-7 [6] Ron Sass, Andrew G., 2010 Schmidt: Embedded Systems Design with Platform FPGAs Elsevier Inc [7] Xilinx 2013 Zynq™-7000 All Programmable SoCs http://www.xilinx com/publications/prod_mktg/zynq7000/Zynq-7000-combined-product-table.pdf [8] Tran Van Huan, and Xuan Tu Tran, 2011 CoMoSy: a Flexible System-onChip Platform for Embedded Applications Journal of Research, Development, and Application on Information and Communication Theory (8), 17-26 [9] Hai-Phong Phan, Hung K Nguyen, Duy-Hieu Bui, Nam-Khanh Dang, and Xuan-Tu Tran, 3013 System-on-chip testbed for validating the hardware design of H.264/AVC encoder In Proceedings of the 2013 National Conference on Electronics and Communications (REV2013-KC01), Hanoi [10] Crockett, L.H., et al., 2014 The Zynq Book: Embedded Processing with the Arm Cortex-A9 on the Xilinx Zynq-7000 All Programmable Soc Strathclyde Academic Media AUTHORS INFORMATION Truong Thi Bich Lien, Tran Dinh Thong, Bui Thi Thu Ha, Ha Thi Kim Duyen Faculty of Electronics Engineering Technology, Hanoi University of Industry Vol 56 - No (Feb 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 43 ... nghệ trộn ướt [1] NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MÁY GIA CỐ NỀN ĐẤT 2.2 Nguyên lý điều khiển Nguyên lý hoạt động điều khiển máy khoan bao gồm hai trình: + Quá trình khoan xuống: Mũi khoan vừa quay vừa khoan. .. điều khiển giám sát thơng số kỹ thuật q trình khoan gia cố đất yếu cho máy khoan cọc xi măng đất đảm bảo chất lượng cọc xi măng đất có độ tròn Trong tương lai để nâng cao hiệu suất giám sát điều. .. măng đất Sử dụng giao diện HMI để điều khiển giám sát cho hệ thống điều khiển tự động Kết hợp ngôn ngữ Wincc Flex [7] nhúng S7-200 PC Access (OPC server) vào VB6.0 [6] Để thực xây dựng giao diện