1、    機場油庫供油控制系統設計與實現    雷曉義【摘  要】為了解決機場油庫大范圍變負荷恒壓供油系統控制的可靠性和精度問題，設計了一種恒壓供油控制系統。此系統通過plc中的pid控制器控制變頻器調速進而控制油管線出口壓力實現恒壓供油。通過采用優化的選泵策略以及安全聯鎖，不僅極大的提高了供油作業的安全性、可靠性、快速性，而且使系統具有很好的節能效果?！娟P鍵詞】恒壓供油;pid控制;變頻調速;plc;安全聯鎖1.概述機場油庫供油系統具有多參數、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格，其優劣直接影響機場油料保障。由于

2、機場油庫工藝情況和保障任務量不盡相同，因此，存在多種不同控制方式的供油系統。傳統機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、維護工作量大的不足。而采用“回流調節法”的恒壓供油系統，油泵以工頻運行方式運行，通過安裝在油泵出口到入口旁路的回流調節閥的開度，調節回流流量，進而實現加油管網內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恒壓供油，但是存在能源浪費的不足。為了解決上述恒壓供油系統的不足之處，變頻調速以其功能完善、安全可靠、控制靈活及高效節能等特點，成為解決機場恒壓供油系統“加油量大、工況多變”等問題的絕佳方案，得到了廣泛的應用。本文主要針對恒壓供油系統的構成、原

3、理、工作方式、pid參數整定、安全保護及故障診斷、系統節能效果等多個方面進行詳細介紹。2.系統構成及功能機場恒壓供油系統主要有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、液位計等設備構成。采用恒壓供油系統可以實現恒壓供油、手/自動切換、優化選泵、設備上電自動檢測等功能。系統在為飛機提供可靠燃料保障的基礎上，還具有安全聯鎖、操作簡單靈活、節能等特點。3.恒壓供油系統的原理3.1恒壓供油系統原理圖機場恒壓供油系統的核心問題是泵控和穩壓，恒壓供油系統是一個壓力閉環調節的回路，其控制回路如圖1所示。其中pt為機場停機坪加油管線出口實際壓力值，ps為可靠保障飛機加油的要求壓

4、力，是總管線流量，也為系統的干擾。3.2油泵特性管道泵在轉速一定、閥門開度不變的情況下，管道泵的揚程與流量之間的關系為，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壓力變化、流體在管道中流動阻力的變化規律。通過對揚程、流量以及管阻特性曲線進行分析發現，流量存在一個穩定點，可使系統即滿足揚程特性又能滿足管阻特性，處理穩定運行狀態。3.3變頻調速原理為了使系統能夠穩定在穩態工作狀態，在恒壓供油系統中采用三相異步電動機驅動管道泵，通過變頻器調節異步電動機的轉速，從而改變油管線的出口流量實現恒壓供油。因此恒壓供油的實質就是異步電動機的變頻調速。通常情況下異步電動機特征用以下公式進行描述：式中，

5、為異步電機的理想空載轉速，為異步電機轉子轉速，為異步電機的定子電源頻率，為異步電機的極對數。從公式3可知，當極對數不變時，電機轉子轉速與定子電源頻率成正比，因此，連續調節異步電機供電電源的頻率，就可以連續平滑地調節電機的同步轉速，從而調節其轉子的轉速。通過圖1可以得知為了使變頻器工作在一個合適頻率下，需要根據泵出口壓力的實際值與壓力設定值的差值進行pid運算得到系統工作穩定點的變頻器頻率值。從而可知恒壓供油系統的關鍵在于pid控制器設計和參數整定。3.4  pid控制器及參數整定（1） pid控制器。pid控制是一種非線性控制器由于其算法簡單、魯棒性好等優點被廣泛的應用在工業控制中，

6、離散化的pid表達式如公式5所示。式中：為積分參數，為微分參數，為比例參數，為積分時間常數，為微分時間常數，為采樣周期。（2）pid參數整定。pid參數整定目的是找到一組參數使得偏差最小。通過分析pid參數對系統輸出特性的影響情況，總結得出一套恒壓供油pid參數整定原則。當的絕對值較大時，為使管道出口壓力有較好的跟蹤性能，應取較大和較小的，為了避免系統出現較大的超調，取為0。當的絕對值大小中等時，應該小一些，這樣系統就會有較小的超調，而的取值也應該小一些，為了保證系統的響應速度，取值要適當。當的絕對值較小時，為了得到較好的穩態性能，、應取較大值，而取值應適當，這樣可以避免系統在設定值附近出現振

7、蕩。3.5恒壓供油系統節能原理通常情況下電機不能在滿負荷下運行，除達到動力驅動要求除外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。采用該系統，在壓力偏高時，可降低電機的運行速度，使其在恒壓的同時節約電能。當電機轉速從變到時，電機軸功率p的變化關系如公式5所示。4.恒壓供油系統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。與管路參數和流體的雷諾數有關，對特定的管線和輸送介質，為的一個非線性函數對于機場供油系統而言，管道內航煤的流動幾乎都處于大雷諾數的湍流狀態，這時隨的變化不是很明

8、顯，可視為常數。通過圖2可以看出來，只要機坪的加油量在之間變化，控制回路就能使泵的轉速在間變化，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恒壓供油。此外，從圖2中可以看出當時不能再增大，如果僅一臺變頻調速泵工作，控制回路的抗負載擾動的能力為，在負載為時回路出現正飽和。當負載擾動由增大到時，已不能對壓力進行調節。在作用下，泵的出口壓力由下降到，泵的工作點由轉到，管路特性曲線下移為圖2中虛線，機坪加油管網的壓力由下降為，不能實現恒壓供油。因此，當一臺變頻調速泵無法滿足恒壓供油的要求時，需要將第一臺變頻調速泵工作在的頻率下，使其充當一臺恒速泵的角色，使其穩定運行后承擔的流

9、量，剩下的流量已在的范圍之內，這樣又可以實現正常的壓力調節。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，在此不進行贅述。4.2恒壓供油的工作方式恒壓供油系統有兩種工作狀態：無飛機加油時處于“保壓狀態”，有飛機加油時處于“供油狀態”。供油狀態時，若加油量小則用一臺變頻調速泵實現恒壓供油，如果加油量比較大，則使用多臺變頻調速泵實現恒壓供油。（1）保壓狀態的壓力控制。系統處于保壓狀態時，要求加油管網的壓力維持在0.15-0.2mpa，其為開環控制。通常情況下當處于保壓狀態時管線的壓力下降的速度非常緩慢，如果出現

10、有飛機加油狀態時，管線的壓力會急劇下降，但是壓力變送器的測量精度達到0.075%，響應時間約0.2s，完全可以及時準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的一個識別條件，出發系統對保壓泵進行啟?？刂?。（2）供油狀態的壓力控制。當系統處于供油狀態時采用循環啟動油泵的模式進行穩壓。通過測量管線壓力變送器的壓力pt和壓力設定值ps（既滿足工作要求又能保證管線和飛機安全的壓力值）進行做差，將差值作為pid控制器的給定值，pid控制器根據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到設定要求，流量仍然不能滿足，因電

11、動機本身特征，系統無法再無限度提高供電頻率，只能通過增加泵的數量去改變管道出口壓力。此時第一臺油泵工作在45hz，通過編寫的優化程序（選擇累計運行時間少、無故障、功率大小合適）選擇第二臺泵投入到變頻調速工作中，如果仍然不能滿足壓力設定值要求，根據優化程序繼續增加油泵數量，直至油泵全部啟動或達到壓力設定要求。當加油通道使用數量減少時，根據管線壓力、泵的運行頻率以及泵的運行累計時間等通過優化算法選擇停掉運行頻率低于頻率下限的油泵，直到油泵全部停到或達到壓力設定要求。4.3安全保護及優化恒壓供油系統完全依靠管線壓力變送器與壓力設定值的差值進行頻率調節，為了保證管線壓力在安全的范圍內，在系統中增加電接

12、點壓力表，如果管線壓力超限，干接點壓力表直接觸發停泵。通過硬聯鎖的壓力保護可靠性、穩定性、實時性更好。為了防止在發油過程中油罐的液位過低造成油罐、油泵的損壞，將油罐的液位開關信號也接入到停泵控制回路中，如果油罐液位低于設定值時，實現停泵觸發聯鎖，使系統更加安全、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定值附近波動，這樣就會造成油泵在投入和切除狀態之間擺動，這樣不僅對于系統的穩定性不利，而且會損壞設備縮短設備的使用壽命。而當壓力降低到設定值附近時也會出現類似的情況?？紤]到上述不利因素，在恒壓供油系統啟停泵的條件中增加了回滯延時環節。即在啟停泵判斷條件必須滿足且維持一段

13、時間后，才可以進行油泵的投切操作。5.某機場油庫穩壓供油實例5.1工藝概況系統有4臺37kw的管道泵，每臺油泵配置1臺變頻器，通過對4臺泵的聯合調度核變頻調速穩定管線的壓力，滿足不同加油負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設備與泵控系統電氣回路直接連鎖，保障運行安全。5.2系統設計本項目控制系統主要設備采用施耐德m340系列plc進行數據采集及程序運算控制，變頻器采用abb-acs550系列，壓力變送

14、器采用羅斯蒙特3051系列。其他設備如繼電器、接觸器等根據規范標準配置，系統采集信號包括變頻器上電狀態、運行狀態、故障狀態、頻率給定及反饋，壓力設定值，壓力表狀態，泵的啟停信號，壓力變送器電流信號等。5.3程序設計以pid控制器為核心，操作功能包括pid參數整定、手自動切換、壓力設定值、過程值輸入與切換、采樣周期管理、pid控制器服務、死區控制等程序。泵累積運行時間計算模塊，為了防止計時數值溢出，4臺泵中任意一臺泵的累積運行時間達到溢出值時，就將所有計時器復位，避免泵控調度依據失準。這樣的做法雖然不能保證各臺泵的累積運行時間絕對均等，但是正常運行情況下的相對誤差基本可以忽略不計。安全保護程序包

15、括壓力保護、數據采集通道故障等異常情況的保護，停泵同時停止并復位pid，防止故障恢復后瞬間泵高速運轉。6 .結論以pid控制器為核心，實現了飛機直線加油的壓力穩定與追蹤，滿足加油保障對穩定壓力的需求。通過基于泵累計運行時間的管道泵優化調度算法，實現了4臺變頻泵的無優先級調度切換，使得4臺泵對等互備且負荷均衡，大大提高了壓力加油系統的可靠性和可維護性。通過設定增減泵頻率，可以保證泵始終運行在高效區域，實現節能降耗的需求。實踐證明，本系統完全實現設計目標，安全性、可靠性、實用性以及可維護性得到了充分檢驗。參考文獻1 高翔. 飛機壓力加油系統設計研究. 科技創新與應用.2015（34）：17.2 陳寶林，何禮高. 變頻調速在恒壓供油控制系統中的應用. 電氣傳動自動化.2003.25（6）：49.3 陳遠富. 首都機場供油自動化系統技術開發研究與工程實現d. 北京：北京航空航天大學.19994 王三秀. plc變頻調速恒壓供油系統. 臺州學