雷曉義

【摘? 要】為了解決機(jī)場油庫大范圍變負(fù)荷恒壓供油系統(tǒng)控制的可靠性和精度問題，設(shè)計了一種恒壓供油控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過PLC中的PID控制器控制變頻器調(diào)速進(jìn)而控制油管線出口壓力實現(xiàn)恒壓供油。通過采用優(yōu)化的選泵策略以及安全聯(lián)鎖，不僅極大的提高了供油作業(yè)的安全性、可靠性、快速性，而且使系統(tǒng)具有很好的節(jié)能效果。

【關(guān)鍵詞】恒壓供油;PID控制;變頻調(diào)速;PLC;安全聯(lián)鎖

1.概述

機(jī)場油庫供油系統(tǒng)具有多參數(shù)、非線性、大時滯的特點，并對壓力波動、時效性、和可靠性的要求又比較嚴(yán)格，其優(yōu)劣直接影響機(jī)場油料保障。由于機(jī)場油庫工藝情況和保障任務(wù)量不盡相同，因此，存在多種不同控制方式的供油系統(tǒng)。

傳統(tǒng)機(jī)場恒壓供油采用油罐充氣方式，但是其存在造價高、壓力控制精度低、維護(hù)工作量大的不足。而采用“回流調(diào)節(jié)法”的恒壓供油系統(tǒng)，油泵以工頻運(yùn)行方式運(yùn)行，通過安裝在油泵出口到入口旁路的回流調(diào)節(jié)閥的開度，調(diào)節(jié)回流流量，進(jìn)而實現(xiàn)加油管網(wǎng)內(nèi)壓力維持在一定范圍。這種方法雖然在一定程度上可以實現(xiàn)恒壓供油，但是存在能源浪費(fèi)的不足。

為了解決上述恒壓供油系統(tǒng)的不足之處，變頻調(diào)速以其功能完善、安全可靠、控制靈活及高效節(jié)能等特點，成為解決機(jī)場恒壓供油系統(tǒng)“加油量大、工況多變”等問題的絕佳方案，得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要針對恒壓供油系統(tǒng)的構(gòu)成、原理、工作方式、PID參數(shù)整定、安全保護(hù)及故障診斷、系統(tǒng)節(jié)能效果等多個方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.系統(tǒng)構(gòu)成及功能

機(jī)場恒壓供油系統(tǒng)主要有PLC控制器、變頻器、油泵、輸油管道、壓力變送器、電接點壓力表、液位開關(guān)、液位計等設(shè)備構(gòu)成。

采用恒壓供油系統(tǒng)可以實現(xiàn)恒壓供油、手/自動切換、優(yōu)化選泵、設(shè)備上電自動檢測等功能。系統(tǒng)在為飛機(jī)提供可靠燃料保障的基礎(chǔ)上，還具有安全聯(lián)鎖、操作簡單靈活、節(jié)能等特點。

3.恒壓供油系統(tǒng)的原理

3.1恒壓供油系統(tǒng)原理圖

機(jī)場恒壓供油系統(tǒng)的核心問題是泵控和穩(wěn)壓，恒壓供油系統(tǒng)是一個壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)的回路，其控制回路如圖1所示。

其中Pt為機(jī)場停機(jī)坪加油管線出口實際壓力值，PS為可靠保障飛機(jī)加油的要求壓力，是總管線流量，也為系統(tǒng)的干擾。

3.2油泵特性

管道泵在轉(zhuǎn)速一定、閥門開度不變的情況下，管道泵的揚(yáng)程與流量之間的關(guān)系為，而管阻特性為，其主要反映了管道泵的能量用來克服泵系統(tǒng)壓力變化、流體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。通過對揚(yáng)程、流量以及管阻特性曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，流量存在一個穩(wěn)定點，可使系統(tǒng)即滿足揚(yáng)程特性又能滿足管阻特性，處理穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3.3變頻調(diào)速原理

為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，在恒壓供油系統(tǒng)中采用三相異步電動機(jī)驅(qū)動管道泵，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變油管線的出口流量實現(xiàn)恒壓供油。因此恒壓供油的實質(zhì)就是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。通常情況下異步電動機(jī)特征用以下公式進(jìn)行描述：

式中，為異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，為異步電機(jī)的定子電源頻率，為異步電機(jī)的極對數(shù)。

從公式3可知，當(dāng)極對數(shù)不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比，因此，連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。通過圖1可以得知為了使變頻器工作在一個合適頻率下，需要根據(jù)泵出口壓力的實際值與壓力設(shè)定值的差值進(jìn)行PID運(yùn)算得到系統(tǒng)工作穩(wěn)定點的變頻器頻率值。從而可知恒壓供油系統(tǒng)的關(guān)鍵在于PID控制器設(shè)計和參數(shù)整定。

3.4? PID控制器及參數(shù)整定

（1） PID控制器。PID控制是一種非線性控制器由于其算法簡單、魯棒性好等優(yōu)點被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制中，離散化的PID表達(dá)式如公式5所示。

式中：為積分參數(shù)，為微分參數(shù)，為比例參數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)，為采樣周期。

（2）PID參數(shù)整定。PID參數(shù)整定目的是找到一組參數(shù)使得偏差最小。通過分析PID參數(shù)對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，總結(jié)得出一套恒壓供油PID參數(shù)整定原則。

①當(dāng)?shù)慕^對值較大時，為使管道出口壓力有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大和較小的，為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，取為0。

②當(dāng)?shù)慕^對值大小中等時，應(yīng)該小一些，這樣系統(tǒng)就會有較小的超調(diào)，而的取值也應(yīng)該小一些，為了保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取值要適當(dāng)。

③當(dāng)?shù)慕^對值較小時，為了得到較好的穩(wěn)態(tài)性能，、應(yīng)取較大值，而取值應(yīng)適當(dāng)，這樣可以避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩。

3.5恒壓供油系統(tǒng)節(jié)能原理

通常情況下電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動力驅(qū)動要求除外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。采用該系統(tǒng)，在壓力偏高時，可降低電機(jī)的運(yùn)行速度，使其在恒壓的同時節(jié)約電能。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從變到時，電機(jī)軸功率P的變化關(guān)系如公式5所示。

4.恒壓供油系統(tǒng)的原理分析及工作方式

4.1恒壓供油的原理分析

通常管路特性可用如下公式表示：

其中，為泵的出口壓力，是機(jī)坪管線出口實際壓力，為管線的總流量，為管路的等效阻力系數(shù)。與管路參數(shù)和流體的雷諾數(shù)有關(guān)，對特定的管線和輸送介質(zhì)，為的一個非線性函數(shù)對于機(jī)場供油系統(tǒng)而言，管道內(nèi)航煤的流動幾乎都處于大雷諾數(shù)的湍流狀態(tài)，這時隨的變化不是很明顯，可視為常數(shù)。

通過圖2可以看出來，只要機(jī)坪的加油量在之間變化，控制回路就能使泵的轉(zhuǎn)速在間變化，泵的工作點就是泵的特性曲線與管路特性曲線的交點、、等。這樣就可以滿足實現(xiàn)恒壓供油。

此外，從圖2中可以看出當(dāng)時不能再增大，如果僅一臺變頻調(diào)速泵工作，控制回路的抗負(fù)載擾動的能力為，在負(fù)載為時回路出現(xiàn)正飽和。當(dāng)負(fù)載擾動由增大到時，已不能對壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。在作用下，泵的出口壓力由下降到，泵的工作點由轉(zhuǎn)到，管路特性曲線下移為圖2中虛線，機(jī)坪加油管網(wǎng)的壓力由下降為，不能實現(xiàn)恒壓供油。

因此，當(dāng)一臺變頻調(diào)速泵無法滿足恒壓供油的要求時，需要將第一臺變頻調(diào)速泵工作在的頻率下，使其充當(dāng)一臺恒速泵的角色，使其穩(wěn)定運(yùn)行后承擔(dān)的流量，剩下的流量已在的范圍之內(nèi)，這樣又可以實現(xiàn)正常的壓力調(diào)節(jié)。如果2臺泵工作無法滿足恒壓供油的要求，以此類推啟動第三臺泵，直到全部的泵啟動或者滿足恒壓供油的要求。同理可以類比得出需要退出泵的原理，在此不進(jìn)行贅述。

4.2恒壓供油的工作方式

恒壓供油系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：無飛機(jī)加油時處于“保壓狀態(tài)”，有飛機(jī)加油時處于“供油狀態(tài)”。供油狀態(tài)時，若加油量小則用一臺變頻調(diào)速泵實現(xiàn)恒壓供油，如果加油量比較大，則使用多臺變頻調(diào)速泵實現(xiàn)恒壓供油。

（1）保壓狀態(tài)的壓力控制。系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)時，要求加油管網(wǎng)的壓力維持在0.15-0.2MPa，其為開環(huán)控制。通常情況下當(dāng)處于保壓狀態(tài)時管線的壓力下降的速度非常緩慢，如果出現(xiàn)有飛機(jī)加油狀態(tài)時，管線的壓力會急劇下降，但是壓力變送器的測量精度達(dá)到0.075%，響應(yīng)時間約0.2s，完全可以及時準(zhǔn)確的測量管線壓力的變化情況，所以我們將管線壓力的變化率作為是否處于保壓狀態(tài)的一個識別條件，出發(fā)系統(tǒng)對保壓泵進(jìn)行啟?？刂?。

（2）供油狀態(tài)的壓力控制。當(dāng)系統(tǒng)處于供油狀態(tài)時采用循環(huán)啟動油泵的模式進(jìn)行穩(wěn)壓。通過測量管線壓力變送器的壓力Pt和壓力設(shè)定值PS（既滿足工作要求又能保證管線和飛機(jī)安全的壓力值）進(jìn)行做差，將差值作為PID控制器的給定值，PID控制器根據(jù)壓力差值計算出變頻器的頻率值，啟動1臺油泵，如果變頻器處于頻率上限值45HZ時，管線壓力仍然不能達(dá)到設(shè)定要求，流量仍然不能滿足，因電動機(jī)本身特征，系統(tǒng)無法再無限度提高供電頻率，只能通過增加泵的數(shù)量去改變管道出口壓力。此時第一臺油泵工作在45HZ，通過編寫的優(yōu)化程序（選擇累計運(yùn)行時間少、無故障、功率大小合適）選擇第二臺泵投入到變頻調(diào)速工作中，如果仍然不能滿足壓力設(shè)定值要求，根據(jù)優(yōu)化程序繼續(xù)增加油泵數(shù)量，直至油泵全部啟動或達(dá)到壓力設(shè)定要求。

當(dāng)加油通道使用數(shù)量減少時，根據(jù)管線壓力、泵的運(yùn)行頻率以及泵的運(yùn)行累計時間等通過優(yōu)化算法選擇停掉運(yùn)行頻率低于頻率下限的油泵，直到油泵全部停到或達(dá)到壓力設(shè)定要求。

4.3安全保護(hù)及優(yōu)化

恒壓供油系統(tǒng)完全依靠管線壓力變送器與壓力設(shè)定值的差值進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，為了保證管線壓力在安全的范圍內(nèi)，在系統(tǒng)中增加電接點壓力表，如果管線壓力超限，干接點壓力表直接觸發(fā)停泵。通過硬聯(lián)鎖的壓力保護(hù)可靠性、穩(wěn)定性、實時性更好。

為了防止在發(fā)油過程中油罐的液位過低造成油罐、油泵的損壞，將油罐的液位開關(guān)信號也接入到停泵控制回路中，如果油罐液位低于設(shè)定值時，實現(xiàn)停泵觸發(fā)聯(lián)鎖，使系統(tǒng)更加安全、可靠。

此外在增減泵的過程中存在以下情況：在恒壓供油過程中管線壓力在設(shè)定值附近波動，這樣就會造成油泵在投入和切除狀態(tài)之間擺動，這樣不僅對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利，而且會損壞設(shè)備縮短設(shè)備的使用壽命。而當(dāng)壓力降低到設(shè)定值附近時也會出現(xiàn)類似的情況。

考慮到上述不利因素，在恒壓供油系統(tǒng)啟停泵的條件中增加了回滯延時環(huán)節(jié)。即在啟停泵判斷條件必須滿足且維持一段時間后，才可以進(jìn)行油泵的投切操作。

5.某機(jī)場油庫穩(wěn)壓供油實例

5.1工藝概況

系統(tǒng)有4臺37KW的管道泵，每臺油泵配置1臺變頻器，通過對4臺泵的聯(lián)合調(diào)度核變頻調(diào)速穩(wěn)定管線的壓力，滿足不同加油負(fù)荷情況下的安全可靠保障。在管道泵出口匯管以及管線總出口各安裝壓力變送器和電接點壓力表。由于輸油管線距離較長，可根據(jù)實際需要選擇泵出口或總管線出口作為控制器的壓力參考點，本工程選擇泵出口壓力作為控制器參考點。電接點壓力表作為壓力保護(hù)設(shè)備與泵控系統(tǒng)電氣回路直接連鎖，保障運(yùn)行安全。

5.2系統(tǒng)設(shè)計

本項目控制系統(tǒng)主要設(shè)備采用施耐德M340系列PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及程序運(yùn)算控制，變頻器采用ABB-ACS550系列，壓力變送器采用羅斯蒙特3051系列。其他設(shè)備如繼電器、接觸器等根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)配置，系統(tǒng)采集信號包括變頻器上電狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、頻率給定及反饋，壓力設(shè)定值，壓力表狀態(tài)，泵的啟停信號，壓力變送器電流信號等。

5.3程序設(shè)計

以PID控制器為核心，操作功能包括PID參數(shù)整定、手自動切換、壓力設(shè)定值、過程值輸入與切換、采樣周期管理、PID控制器服務(wù)、死區(qū)控制等程序。

泵累積運(yùn)行時間計算模塊，為了防止計時數(shù)值溢出，4臺泵中任意一臺泵的累積運(yùn)行時間達(dá)到溢出值時，就將所有計時器復(fù)位，避免泵控調(diào)度依據(jù)失準(zhǔn)。這樣的做法雖然不能保證各臺泵的累積運(yùn)行時間絕對均等，但是正常運(yùn)行情況下的相對誤差基本可以忽略不計。

安全保護(hù)程序包括壓力保護(hù)、數(shù)據(jù)采集通道故障等異常情況的保護(hù)，停泵同時停止并復(fù)位PID，防止故障恢復(fù)后瞬間泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

6 .結(jié)論

以PID控制器為核心，實現(xiàn)了飛機(jī)直線加油的壓力穩(wěn)定與追蹤，滿足加油保障對穩(wěn)定壓力的需求。通過基于泵累計運(yùn)行時間的管道泵優(yōu)化調(diào)度算法，實現(xiàn)了4臺變頻泵的無優(yōu)先級調(diào)度切換，使得4臺泵對等互備且負(fù)荷均衡，大大提高了壓力加油系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。通過設(shè)定增減泵頻率，可以保證泵始終運(yùn)行在高效區(qū)域，實現(xiàn)節(jié)能降耗的需求。

實踐證明，本系統(tǒng)完全實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)，安全性、可靠性、實用性以及可維護(hù)性得到了充分檢驗。

參考文獻(xiàn)

[1] 高翔. 飛機(jī)壓力加油系統(tǒng)設(shè)計研究. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2015（34）：17.

[2] 陳寶林，何禮高. 變頻調(diào)速在恒壓供油控制系統(tǒng)中的應(yīng)用. 電氣傳動自動化.2003.25（6）：49.

[3] 陳遠(yuǎn)富. 首都機(jī)場供油自動化系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)研究與工程實現(xiàn)[D]. 北京：北京航空航天大學(xué).1999

[4] 王三秀. PLC變頻調(diào)速恒壓供油系統(tǒng). 臺州學(xué)院學(xué)報. 2007（29）：3.

[5] 戴琳，鄒陽春. 機(jī)場變頻恒壓供油過程的實現(xiàn). 后勤工程學(xué)院學(xué)報.2005.04（06）：03.

[6] 宋英哲. 模糊控制在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 碩士學(xué)位論文，遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2007

[7] 戴廣平. 電動機(jī)變頻器與電力拖動[M]. 中火石化出版社.1999：88-106

[8] 沈暉.劉大銘.參數(shù)自適應(yīng)模糊PID在恒壓供水中的應(yīng)用.中國農(nóng)村水利水電 2007（09）：63

[9] 李玉柱，苑明順. 流體力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1989.