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[1]、時效和可靠性要求均有較嚴格的要求[2]。隨著時代發(fā)展和技術(shù)進步，如何實現(xiàn)安全、快速、可靠的油料保障成為后勤人員面臨的現(xiàn)實問題，而自動化壓力加油自身的諸多優(yōu)點[3]，成為實現(xiàn)這一目標的最佳選擇[4]。

自動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)速實現(xiàn)輸油管線壓力的穩(wěn)定可調(diào)，同時要充分保證管線運行安全。本文將對某機場供油系統(tǒng)的控制問題進行研究，在現(xiàn)有輸油工藝管線基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)其自動化壓力加油系統(tǒng)。

1 工藝概況

系統(tǒng)有4臺37KW管道泵，航油通過輸油管道經(jīng)緩沖罐和環(huán)形管為飛機供油。每臺管道泵配1臺變頻器，通過對4臺泵的聯(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壓力表各1臺。由于輸油管線距離較長，可根據(jù)實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，電接點壓力表作為壓力保護設(shè)備與泵控系統(tǒng)電氣回路直接連鎖，保障運行安全。

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

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 PID控制與多泵聯(lián)合調(diào)度

系統(tǒng)運行時，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)計允許工作壓力和飛機油箱允許加油壓力。PID控制器根據(jù)管線壓力和設(shè)定值計算輸出頻率，啟動第一臺泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到一定頻率（能效需求設(shè)定，如45Hz）并持續(xù)一段時間后，若管線壓力仍沒達到設(shè)定值，程序會自動根據(jù)泵運行狀態(tài)和累積運行時間，選擇一臺無故障且運行累積時間最小的泵并將其啟動。如此繼續(xù)，直到4臺泵全部啟動[7]。

減泵依據(jù)泵運行數(shù)量、管線壓力和變頻器運轉(zhuǎn)頻率。當(dāng)正在運行泵數(shù)量大于0并且變頻器運轉(zhuǎn)頻率低于一定數(shù)值（能效需求設(shè)定，如20Hz），程序?qū)堰\行累積時間最長的泵停止，如此繼續(xù)，直到所有泵都停止運行。整個過程PID控制器都實時根據(jù)管線壓力和設(shè)定值控制變頻器轉(zhuǎn)速，以及PID參數(shù)整定實現(xiàn)管線壓力控制。不論幾臺泵運轉(zhuǎn)，都是多臺泵同頻運轉(zhuǎn)，保證泵的使用效率。實踐表明，當(dāng)一臺泵滿頻率運轉(zhuǎn)，其他泵低速運轉(zhuǎn)時，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)、手自動狀態(tài)進行判斷，做到判斷智能化、調(diào)度最優(yōu)化。4臺泵間完全對等且互為備用，只要有2臺變頻泵正常工作，就可以通過本控制系統(tǒng)實現(xiàn)飛機的加油保障，極大提高整體可靠性和可維護性。

2.2 安全保護與故障診斷

為了使變頻器工作在較高效率區(qū)間，在工作流程設(shè)計時考慮了低頻停泵。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。當(dāng)管線壓力大于設(shè)定報警值時無條件停泵、停PID控制器。同時將電接點壓力表的觸點直接接入變頻器的啟?？刂苹芈?，實現(xiàn)壓力超限的硬連鎖，從而實現(xiàn)在更高層級上的安全聯(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或者信號干擾導(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，防止系統(tǒng)在斷線或卡件失效時“飛車”。

2.3 人機界面與遠程操作

為了便于就地操作，機柜控制面板上預(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，實現(xiàn)更豐富的操作功能，如：壓力曲線的實時監(jiān)控，泵的運行狀態(tài)監(jiān)控，泵運轉(zhuǎn)曲線監(jiān)控，遠程啟停泵，PID參數(shù)整定，故障診斷狀態(tài)顯示等。

2.4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

控制系統(tǒng)采用施耐德M340系列PLC進行數(shù)據(jù)采集與程序控制，變頻器采用三墾力達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、信號分配器、防雷等根據(jù)規(guī)范標準配置。

系統(tǒng)采集的信號如下：

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

開關(guān)量信號：變頻器上電、運行、故障、遠程/就地狀態(tài)，壓力變送器數(shù)據(jù)采集通道、手自動切換狀態(tài)，電接點壓力表狀態(tài)，參考壓力切換旋鈕狀態(tài)，啟停變頻器信號等。

3 程序設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 程序流程圖設(shè)計

程序流程圖如下圖1所示：

3.2 PID核心控制程序設(shè)計

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 泵累積運行時間計算

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

3.4 安全保護程序

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

4 結(jié)語

以PID控制器為核心，實現(xiàn)了飛機直線加油壓力穩(wěn)定與追蹤，滿足加油保障對穩(wěn)壓的需求。實踐表明，通過基于泵累計運行時間的管道泵優(yōu)化調(diào)度算法，實現(xiàn)了4臺變頻泵的最優(yōu)調(diào)度切換，使得各泵對等互備且負荷均衡，大大提高了壓力加油系統(tǒng)的可靠性與可維護性。通過設(shè)定增減泵頻率，保證變頻管道泵始終運行在高效區(qū)域，實現(xiàn)節(jié)能降耗的需求。本系統(tǒng)完全實現(xiàn)設(shè)計目標，實用性、安全性、可靠性與可維護性得到了充分檢驗?？刂品桨敢部捎糜诙嗯_變頻泵的控制調(diào)度系統(tǒng)，并提高泵控系統(tǒng)更大負荷范圍內(nèi)的適應(yīng)能力。