基于PID和時(shí)間優(yōu)化的多泵聯(lián)合直線加油控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊玉婷，文俊

（中國自控系統(tǒng)工程有限公司，北京 100026）

0 引言

飛機(jī)加油系統(tǒng)不同于一般的市政供水，其對供油系統(tǒng)的壓力波動(dòng)[1]、時(shí)效和可靠性要求均有較嚴(yán)格的要求[2]。隨著時(shí)代發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，如何實(shí)現(xiàn)安全、快速、可靠的油料保障成為后勤人員面臨的現(xiàn)實(shí)問題，而自動(dòng)化壓力加油自身的諸多優(yōu)點(diǎn)[3]，成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳選擇[4]。

自動(dòng)化壓力加油的核心問題是泵控和穩(wěn)壓，如何通過變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)輸油管線壓力的穩(wěn)定可調(diào)，同時(shí)要充分保證管線運(yùn)行安全。本文將對某機(jī)場供油系統(tǒng)的控制問題進(jìn)行研究，在現(xiàn)有輸油工藝管線基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化壓力加油系統(tǒng)。

1 工藝概況

系統(tǒng)有4臺(tái)37KW管道泵，航油通過輸油管道經(jīng)緩沖罐和環(huán)形管為飛機(jī)供油。每臺(tái)管道泵配1臺(tái)變頻器，通過對4臺(tái)泵的聯(lián)合調(diào)度和變頻調(diào)速穩(wěn)定管線壓力，滿足不同加油負(fù)荷情況下的安全可靠保障。管道泵出口匯管管線和緩沖罐出口均安裝壓力變送器和電接點(diǎn)壓力表各1臺(tái)。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緩沖罐出口作為控制器的壓力參考點(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。

實(shí)際需求中同時(shí)開啟的加油單元數(shù)量不確定，數(shù)量波動(dòng)也較大，影響管線輸油負(fù)荷波動(dòng)也大。4臺(tái)管道泵的工藝設(shè)計(jì)不只為滿足負(fù)荷波動(dòng)的需求，也為實(shí)現(xiàn)多臺(tái)管道泵的互備，提高可靠性。因此，系統(tǒng)存在多非線性因素，建立模型并實(shí)現(xiàn)壓力精確控制較困難，PID控制器自身具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性，且參數(shù)整定比較簡單，是實(shí)現(xiàn)該泵控系統(tǒng)壓力控制的最佳選擇[5-6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 PID控制與多泵聯(lián)合調(diào)度

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先根據(jù)保障設(shè)定工作壓力，壓力設(shè)定根據(jù)管線設(shè)計(jì)允許工作壓力和飛機(jī)油箱允許加油壓力。PID控制器根據(jù)管線壓力和設(shè)定值計(jì)算輸出頻率，啟動(dòng)第一臺(tái)泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定頻率（能效需求設(shè)定，如45Hz）并持續(xù)一段時(shí)間后，若管線壓力仍沒達(dá)到設(shè)定值，程序會(huì)自動(dòng)根據(jù)泵運(yùn)行狀態(tài)和累積運(yùn)行時(shí)間，選擇一臺(tái)無故障且運(yùn)行累積時(shí)間最小的泵并將其啟動(dòng)。如此繼續(xù)，直到4臺(tái)泵全部啟動(dòng)[7]。

減泵依據(jù)泵運(yùn)行數(shù)量、管線壓力和變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。當(dāng)正在運(yùn)行泵數(shù)量大于0并且變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)頻率低于一定數(shù)值（能效需求設(shè)定，如20Hz），程序?qū)?huì)把運(yùn)行累積時(shí)間最長的泵停止，如此繼續(xù)，直到所有泵都停止運(yùn)行。整個(gè)過程PID控制器都實(shí)時(shí)根據(jù)管線壓力和設(shè)定值控制變頻器轉(zhuǎn)速，以及PID參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)管線壓力控制。不論幾臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，都是多臺(tái)泵同頻運(yùn)轉(zhuǎn)，保證泵的使用效率。實(shí)踐表明，當(dāng)一臺(tái)泵滿頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，其他泵低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，低速泵對管線壓力影響甚微[8]。

為增加系統(tǒng)可靠性，在泵的加減中，均要對變頻器的供電狀態(tài)、故障狀態(tài)、手自動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，做到判斷智能化、調(diào)度最優(yōu)化。4臺(tái)泵間完全對等且互為備用，只要有2臺(tái)變頻泵正常工作，就可以通過本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的加油保障，極大提高整體可靠性和可維護(hù)性。

2.2 安全保護(hù)與故障診斷

為了使變頻器工作在較高效率區(qū)間，在工作流程設(shè)計(jì)時(shí)考慮了低頻停泵。由于控制系統(tǒng)無法采集正在加油的通道數(shù)量，也無法判管線的加油負(fù)荷，因此泵的啟停完全依賴管線壓力變化。為保證管線安全，控制系統(tǒng)應(yīng)考慮壓力保護(hù)。當(dāng)管線壓力大于設(shè)定報(bào)警值時(shí)無條件停泵、停PID控制器。同時(shí)將電接點(diǎn)壓力表的觸點(diǎn)直接接入變頻器的啟停控制回路，實(shí)現(xiàn)壓力超限的硬連鎖，從而實(shí)現(xiàn)在更高層級(jí)上的安全聯(lián)鎖。

程序還應(yīng)考慮輸出頻率死區(qū)控制，防止因壓力微小波動(dòng)或者信號(hào)干擾導(dǎo)致變頻器頻繁啟停。此外壓力傳感器失效問題也不容忽視，PLC卡件AI采集失效等故障的保護(hù)，防止系統(tǒng)在斷線或卡件失效時(shí)“飛車”。

2.3 人機(jī)界面與遠(yuǎn)程操作

為了便于就地操作，機(jī)柜控制面板上預(yù)留啟泵、停泵、緊急停車、管線壓力顯示、工作壓力設(shè)定等操作功能。此外還提供了上位軟件操作畫面，實(shí)現(xiàn)更豐富的操作功能，如：壓力曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，泵的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，泵運(yùn)轉(zhuǎn)曲線監(jiān)控，遠(yuǎn)程啟停泵，PID參數(shù)整定，故障診斷狀態(tài)顯示等。

2.4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)采用施耐德M340系列PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與程序控制，變頻器采用三墾力達(dá)400V系列VM05，壓力變送器選用羅斯蒙特3051系列。其他系統(tǒng)配套設(shè)備如繼電器、接觸器、信號(hào)分配器、防雷等根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)配置。

系統(tǒng)采集的信號(hào)如下：

模擬量信號(hào)：壓力變送器電流信號(hào)，變頻器頻率反饋信號(hào)，變頻器頻率給定信號(hào)，變頻器累積運(yùn)行時(shí)間，壓力設(shè)定值信號(hào)。

開關(guān)量信號(hào)：變頻器上電、運(yùn)行、故障、遠(yuǎn)程/就地狀態(tài)，壓力變送器數(shù)據(jù)采集通道、手自動(dòng)切換狀態(tài)，電接點(diǎn)壓力表狀態(tài)，參考?jí)毫η袚Q旋鈕狀態(tài)，啟停變頻器信號(hào)等。

3 程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 程序流程圖設(shè)計(jì)

程序流程圖如下圖1所示：

3.2 PID核心控制程序設(shè)計(jì)

以PID控制器為核心，周邊操作功能包括PID參數(shù)整定、手自動(dòng)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)和死區(qū)控制等。

3.3 泵累積運(yùn)行時(shí)間計(jì)算

泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算模塊，為防止及時(shí)數(shù)值溢出，4臺(tái)泵中任意一臺(tái)泵的累積運(yùn)行時(shí)間達(dá)到溢出值時(shí)，就將所有計(jì)時(shí)器復(fù)位，避免泵控調(diào)度依據(jù)失準(zhǔn)。這樣雖不能保證各臺(tái)泵的累積運(yùn)行時(shí)間絕對均等，但正常運(yùn)行情況下的相對誤差基本可忽略不計(jì)。

3.4 安全保護(hù)程序

此模塊包含壓力保護(hù)和切換，數(shù)據(jù)采集通道故障等異常情況保護(hù)，停泵同時(shí)停止并復(fù)位PID，防止故障恢復(fù)后瞬間泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

以PID控制器為核心，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)直線加油壓力穩(wěn)定與追蹤，滿足加油保障對穩(wěn)壓的需求。實(shí)踐表明，通過基于泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的管道泵優(yōu)化調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)了4臺(tái)變頻泵的最優(yōu)調(diào)度切換，使得各泵對等互備且負(fù)荷均衡，大大提高了壓力加油系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性。通過設(shè)定增減泵頻率，保證變頻管道泵始終運(yùn)行在高效區(qū)域，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的需求。本系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)用性、安全性、可靠性與可維護(hù)性得到了充分檢驗(yàn)。控制方案也可用于多臺(tái)變頻泵的控制調(diào)度系統(tǒng)，并提高泵控系統(tǒng)更大負(fù)荷范圍內(nèi)的適應(yīng)能力。