機(jī)場油庫供油控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(jì)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(shí)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(diǎn)，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(shí)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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)壓力表、液位開關(guān)、液位計(jì)等設(shè)備構(gòu)成。

采用恒壓供油系統(tǒng)可以實(shí)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(diǎn)。

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(shí)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)恒壓供油。因此恒壓供油的實(shí)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(shí)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(diǎn)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(jì)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)就是泵的特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)、、等。這樣就可以滿足實(shí)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)壓力表，如果管線壓力超限，干接點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)壓力表。由于輸油管線距離較長，可根據(jù)實(shí)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(diǎn)，本工程選擇泵出口壓力作為控制器參考點(diǎn)。電接點(diǎn)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(jì)

本項(xiàng)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(jì)

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(jì)算模塊，為了防止計(jì)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(jì)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(jì)。

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(shí)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(jì)運(yùn)行時間的管道泵優(yōu)化調(diào)度算法，實(shí)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(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的需求。

實(shí)踐證明，本系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，安全性、可靠性、實(shí)用性以及可維護(hù)性得到了充分檢驗(yàn)。

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