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【摘 要】为了解决机场油库大范围变负荷恒压供油系统控制的可靠性和精度问题，设计了一种恒压供油控制系统。此系统通过PLC中的PID控制器控制变频器调速进而控制油管线出口压力实现恒压供油。通过采用优化的选泵策略以及安全联锁，不仅极大的提高了供油作业的安全性、可靠性、快速性，而且使系统具有很好的节能效果。
【关键词】恒压供油;PID控制;变频调速;PLC;安全联锁
1.概述
机场油库供油系统具有多参数、非线性、大时滞的特点，并对压力波动、时效性、和可靠性的要求又比较严格，其优劣直接影响机场油料保障。由于机场油库工艺情況和保障任务量不尽相同，因此，存在多种不同控制方式的供油系统。
传统机场恒压供油采用油罐充气方式，但是其存在造价高、压力控制精度低、维护工作量大的不足。而采用“回流调节法”的恒压供油系统，油泵以工频运行方式运行，通过安装在油泵出口到入口旁路的回流调节阀的开度，调节回流流量，进而实现加油管网内压力维持在一定范围。这种方法虽然在一定程度上可以实现恒压供油，但是存在能源浪费的不足。
为了解决上述恒压供油系统的不足之处，变频调速以其功能完善、安全可靠、控制灵活及高效节能等特点，成为解决机场恒压供油系统“加油量大、工况多变”等问题的绝佳方案，得到了广泛的应用。本文主要针对恒压供油系统的构成、原理、工作方式、PID参数整定、安全保护及故障诊断、系统节能效果等多个方面进行详细介绍。
2.系统构成及功能
机场恒压供油系统主要有PLC控制器、变频器、油泵、输油管道、压力变送器、电接点压力表、液位开关、液位计等设备构成。
采用恒压供油系统可以实现恒压供油、手/自动切换、优化选泵、设备上电自动检测等功能。系统在为飞机提供可靠燃料保障的基础上，还具有安全联锁、操作简单灵活、节能等特点。
3.恒压供油系统的原理
3.1恒压供油系统原理图
机场恒压供油系统的核心问题是泵控和稳压，恒压供油系统是一个压力闭环调节的回路，其控制回路如图1所示。
其中Pt为机场停机坪加油管线出口实际压力值，PS为可靠保障飞机加油的要求压力，是总管线流量，也为系统的干扰。
3.2油泵特性
管道泵在转速一定、阀门开度不变的情况下，管道泵的扬程与流量之间的关系为，而管阻特性为，其主要反映了管道泵的能量用来克服泵系统压力变化、流体在管道中流动阻力的变化规律。通过对扬程、流量以及管阻特性曲线进行分析发现，流量存在一个稳定点，可使系统即满足扬程特性又能满足管阻特性，处理稳定运行状态。
3.3变频调速原理
为了使系统能够稳定在稳态工作状态，在恒压供油系统中采用三相异步电动机驱动管道泵，通过变频器调节异步电动机的转速，从而改变油管线的出口流量实现恒压供油。因此恒压供油的实质就是异步电动机的变频调速。通常情况下异步电动机特征用以下公式进行描述：
式中，为异步电机的理想空载转速，为异步电机转子转速，为异步电机的定子电源频率，为异步电机的极对数。
从公式3可知，当极对数不变时，电机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。通过图1可以得知为了使变频器工作在一个合适频率下，需要根据泵出口压力的实际值与压力设定值的差值进行PID运算得到系统工作稳定点的变频器频率值。从而可知恒压供油系统的关键在于PID控制器设计和参数整定。
3.4 PID控制器及参数整定
（1） PID控制器。PID控制是一种非线性控制器由于其算法简单、鲁棒性好等优点被广泛的应用在工业控制中，离散化的PID表达式如公式5所示。
式中：为积分参数，为微分参数，为比例参数，为积分时间常数，为微分时间常数，为采样周期。
（2）PID参数整定。PID参数整定目的是找到一组参数使得偏差最小。通过分析PID参数对系统输出特性的影响情况，总结得出一套恒压供油PID参数整定原则。
①当的绝对值较大时，为使管道出口压力有较好的跟踪性能，应取较大和较小的，为了避免系统出现较大的超调，取为0。
②当的绝对值大小中等时，应该小一些，这样系统就会有较小的超调，而的取值也应该小一些，为了保证系统的响应速度，取值要适当。
③当的绝对值较小时，为了得到较好的稳态性能，、应取较大值，而取值应适当，这样可以避免系统在设定值附近出现振荡。
3.5恒压供油系统节能原理
通常情况下电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求除外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。采用该系统，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。当电机转速从变到时，电机轴功率P的变化关系如公式5所示。
4.恒压供油系统的原理分析及工作方式
4.1恒压供油的原理分析
通常管路特性可用如下公式表示：
其中，为泵的出口压力，是机坪管线出口实际压力，为管线的总流量，为管路的等效阻力系数。与管路参数和流体的雷诺数有关，对特定的管线和输送介质，为的一个非线性函数对于机场供油系统而言，管道内航煤的流动几乎都处于大雷诺数的湍流状态，这时随的变化不是很明显，可视为常数。
通过图2可以看出来，只要机坪的加油量在之间变化，控制回路就能使泵的转速在间变化，泵的工作点就是泵的特性曲线与管路特性曲线的交点、、等。这样就可以满足实现恒压供油。
此外，从图2中可以看出当时不能再增大，如果仅一台变频调速泵工作，控制回路的抗负载扰动的能力为，在负载为时回路出现正饱和。当负载扰动由增大到时，已不能对压力进行调节。在作用下，泵的出口压力由下降到，泵的工作点由转到，管路特性曲线下移为图2中虚线，机坪加油管网的压力由下降为，不能实现恒压供油。 因此，当一台变频调速泵无法满足恒压供油的要求时，需要将第一台变频调速泵工作在的频率下，使其充当一台恒速泵的角色，使其稳定运行后承担的流量，剩下的流量已在的范围之内，这样又可以实现正常的压力调节。如果2台泵工作无法满足恒压供油的要求，以此类推启动第三台泵，直到全部的泵启动或者满足恒压供油的要求。同理可以类比得出需要退出泵的原理，在此不进行赘述。
4.2恒压供油的工作方式
恒压供油系统有两种工作状态：无飞机加油时处于“保压状态”，有飞机加油时处于“供油状态”。供油状态时，若加油量小则用一台变频调速泵实现恒压供油，如果加油量比较大，则使用多台变频调速泵实现恒压供油。
（1）保压状态的压力控制。系统处于保压状态时，要求加油管网的压力维持在0.15-0.2MPa，其为开环控制。通常情况下当处于保压状态时管线的压力下降的速度非常缓慢，如果出现有飞机加油状态时，管线的压力会急剧下降，但是压力变送器的测量精度达到0.075%，响应时间约0.2s，完全可以及时准确的测量管线压力的变化情况，所以我们将管线压力的变化率作为是否处于保压状态的一个识别条件，出发系统对保压泵进行启停控制。
（2）供油状态的压力控制。当系统处于供油状态时采用循环启动油泵的模式进行稳压。通过测量管线压力变送器的压力Pt和压力设定值PS（既满足工作要求又能保证管线和飞机安全的压力值）进行做差，将差值作为PID控制器的给定值，PID控制器根据压力差值计算出变频器的频率值，启动1台油泵，如果变频器处于频率上限值45HZ时，管线压力仍然不能达到设定要求，流量仍然不能满足，因电动机本身特征，系统无法再无限度提高供电频率，只能通过增加泵的数量去改变管道出口压力。此时第一台油泵工作在45HZ，通过编写的优化程序（选择累计运行时间少、无故障、功率大小合适）选择第二台泵投入到变频调速工作中，如果仍然不能满足压力设定值要求，根据优化程序继续增加油泵数量，直至油泵全部启动或达到压力设定要求。
当加油通道使用数量减少时，根据管线压力、泵的运行频率以及泵的运行累计时间等通过优化算法选择停掉运行频率低于频率下限的油泵，直到油泵全部停到或达到压力设定要求。
4.3安全保护及优化
恒压供油系统完全依靠管线压力变送器与压力设定值的差值进行频率调节，为了保证管线压力在安全的范围内，在系统中增加电接点压力表，如果管线压力超限，干接点压力表直接触发停泵。通过硬联锁的压力保护可靠性、稳定性、实时性更好。
为了防止在发油过程中油罐的液位过低造成油罐、油泵的损坏，将油罐的液位开关信号也接入到停泵控制回路中，如果油罐液位低于设定值时，实现停泵触发联锁，使系统更加安全、可靠。
此外在增减泵的过程中存在以下情况：在恒压供油过程中管线压力在设定值附近波动，这样就会造成油泵在投入和切除状态之间摆动，这样不仅对于系统的稳定性不利，而且会损坏设备缩短设备的使用寿命。而当压力降低到设定值附近时也会出现类似的情况。
考虑到上述不利因素，在恒压供油系统启停泵的条件中增加了回滞延时环节。即在启停泵判断条件必须满足且维持一段时间后，才可以进行油泵的投切操作。
5.某机场油库稳压供油实例
5.1工艺概况
系统有4台37KW的管道泵，每台油泵配置1台变频器，通过对4台泵的联合调度核变频调速稳定管线的压力，满足不同加油负荷情况下的安全可靠保障。在管道泵出口汇管以及管线总出口各安装压力变送器和电接点压力表。由于输油管线距离较长，可根据实际需要选择泵出口或总管线出口作为控制器的压力参考点，本工程选择泵出口压力作为控制器参考点。电接点压力表作为压力保护设备与泵控系统电气回路直接连锁，保障运行安全。
5.2系统设计
本项目控制系统主要设备采用施耐德M340系列PLC进行数据采集及程序运算控制，变频器采用ABB-ACS550系列，压力变送器采用罗斯蒙特3051系列。其他设备如继电器、接触器等根据规范标准配置，系统采集信号包括变频器上电状态、运行状态、故障状态、频率给定及反馈，压力设定值，压力表状态，泵的启停信号，压力变送器电流信号等。
5.3程序设计
以PID控制器为核心，操作功能包括PID参数整定、手自动切换、压力设定值、过程值输入与切换、采样周期管理、PID控制器服务、死区控制等程序。
泵累积运行时间计算模块，为了防止计时数值溢出，4台泵中任意一台泵的累积运行时间达到溢出值时，就将所有计时器复位，避免泵控调度依据失准。这样的做法虽然不能保证各台泵的累积运行时间绝对均等，但是正常运行情况下的相对误差基本可以忽略不计。
安全保护程序包括压力保护、数据采集通道故障等异常情况的保护，停泵同时停止并复位PID，防止故障恢复后瞬间泵高速运转。
6 .结论
以PID控制器为核心，实现了飞机直线加油的压力稳定与追踪，满足加油保障对稳定压力的需求。通过基于泵累计运行时间的管道泵优化调度算法，实现了4台变频泵的无优先级调度切换，使得4台泵对等互备且负荷均衡，大大提高了压力加油系统的可靠性和可维护性。通过设定增减泵频率，可以保证泵始终运行在高效区域，实现节能降耗的需求。
实践证明，本系统完全实现设计目标，安全性、可靠性、实用性以及可维护性得到了充分检验。
参考文献
[1] 高翔. 飞机压力加油系统设计研究. 科技创新与应用.2015（34）：17.
[2] 陈宝林，何礼高. 变频调速在恒压供油控制系统中的应用. 电气传动自动化.2003.25（6）：49.
[3] 陈远富. 首都机场供油自动化系统技术开发研究与工程实现[D]. 北京：北京航空航天大学.1999
[4] 王三秀. PLC变频调速恒压供油系统. 台州学院学报. 2007（29）：3.
[5] 戴琳，邹阳春. 机场变频恒压供油过程的实现. 后勤工程学院学报.2005.04（06）：03.
[6] 宋英哲. 模糊控制在供水系统中的应用[D]. 硕士学位论文，辽宁工程技术大学，2007
[7] 戴广平. 電动机变频器与电力拖动[M]. 中火石化出版社.1999：88-106
[8] 沈晖.刘大铭.参数自适应模糊PID在恒压供水中的应用.中国农村水利水电 2007（09）：63
[9] 李玉柱，苑明顺. 流体力学[M]. 北京：高等教育出版社，1989.
【关键词】恒压供油;PID控制;变频调速;PLC;安全联锁
1.概述
机场油库供油系统具有多参数、非线性、大时滞的特点，并对压力波动、时效性、和可靠性的要求又比较严格，其优劣直接影响机场油料保障。由于机场油库工艺情況和保障任务量不尽相同，因此，存在多种不同控制方式的供油系统。
传统机场恒压供油采用油罐充气方式，但是其存在造价高、压力控制精度低、维护工作量大的不足。而采用“回流调节法”的恒压供油系统，油泵以工频运行方式运行，通过安装在油泵出口到入口旁路的回流调节阀的开度，调节回流流量，进而实现加油管网内压力维持在一定范围。这种方法虽然在一定程度上可以实现恒压供油，但是存在能源浪费的不足。
为了解决上述恒压供油系统的不足之处，变频调速以其功能完善、安全可靠、控制灵活及高效节能等特点，成为解决机场恒压供油系统“加油量大、工况多变”等问题的绝佳方案，得到了广泛的应用。本文主要针对恒压供油系统的构成、原理、工作方式、PID参数整定、安全保护及故障诊断、系统节能效果等多个方面进行详细介绍。
2.系统构成及功能
机场恒压供油系统主要有PLC控制器、变频器、油泵、输油管道、压力变送器、电接点压力表、液位开关、液位计等设备构成。
采用恒压供油系统可以实现恒压供油、手/自动切换、优化选泵、设备上电自动检测等功能。系统在为飞机提供可靠燃料保障的基础上，还具有安全联锁、操作简单灵活、节能等特点。
3.恒压供油系统的原理
3.1恒压供油系统原理图
机场恒压供油系统的核心问题是泵控和稳压，恒压供油系统是一个压力闭环调节的回路，其控制回路如图1所示。
其中Pt为机场停机坪加油管线出口实际压力值，PS为可靠保障飞机加油的要求压力，是总管线流量，也为系统的干扰。
3.2油泵特性
管道泵在转速一定、阀门开度不变的情况下，管道泵的扬程与流量之间的关系为，而管阻特性为，其主要反映了管道泵的能量用来克服泵系统压力变化、流体在管道中流动阻力的变化规律。通过对扬程、流量以及管阻特性曲线进行分析发现，流量存在一个稳定点，可使系统即满足扬程特性又能满足管阻特性，处理稳定运行状态。
3.3变频调速原理
为了使系统能够稳定在稳态工作状态，在恒压供油系统中采用三相异步电动机驱动管道泵，通过变频器调节异步电动机的转速，从而改变油管线的出口流量实现恒压供油。因此恒压供油的实质就是异步电动机的变频调速。通常情况下异步电动机特征用以下公式进行描述：
式中，为异步电机的理想空载转速，为异步电机转子转速，为异步电机的定子电源频率，为异步电机的极对数。
从公式3可知，当极对数不变时，电机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。通过图1可以得知为了使变频器工作在一个合适频率下，需要根据泵出口压力的实际值与压力设定值的差值进行PID运算得到系统工作稳定点的变频器频率值。从而可知恒压供油系统的关键在于PID控制器设计和参数整定。
3.4 PID控制器及参数整定
（1） PID控制器。PID控制是一种非线性控制器由于其算法简单、鲁棒性好等优点被广泛的应用在工业控制中，离散化的PID表达式如公式5所示。
式中：为积分参数，为微分参数，为比例参数，为积分时间常数，为微分时间常数，为采样周期。
（2）PID参数整定。PID参数整定目的是找到一组参数使得偏差最小。通过分析PID参数对系统输出特性的影响情况，总结得出一套恒压供油PID参数整定原则。
①当的绝对值较大时，为使管道出口压力有较好的跟踪性能，应取较大和较小的，为了避免系统出现较大的超调，取为0。
②当的绝对值大小中等时，应该小一些，这样系统就会有较小的超调，而的取值也应该小一些，为了保证系统的响应速度，取值要适当。
③当的绝对值较小时，为了得到较好的稳态性能，、应取较大值，而取值应适当，这样可以避免系统在设定值附近出现振荡。
3.5恒压供油系统节能原理
通常情况下电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求除外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。采用该系统，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。当电机转速从变到时，电机轴功率P的变化关系如公式5所示。
4.恒压供油系统的原理分析及工作方式
4.1恒压供油的原理分析
通常管路特性可用如下公式表示：
其中，为泵的出口压力，是机坪管线出口实际压力，为管线的总流量，为管路的等效阻力系数。与管路参数和流体的雷诺数有关，对特定的管线和输送介质，为的一个非线性函数对于机场供油系统而言，管道内航煤的流动几乎都处于大雷诺数的湍流状态，这时随的变化不是很明显，可视为常数。
通过图2可以看出来，只要机坪的加油量在之间变化，控制回路就能使泵的转速在间变化，泵的工作点就是泵的特性曲线与管路特性曲线的交点、、等。这样就可以满足实现恒压供油。
此外，从图2中可以看出当时不能再增大，如果仅一台变频调速泵工作，控制回路的抗负载扰动的能力为，在负载为时回路出现正饱和。当负载扰动由增大到时，已不能对压力进行调节。在作用下，泵的出口压力由下降到，泵的工作点由转到，管路特性曲线下移为图2中虚线，机坪加油管网的压力由下降为，不能实现恒压供油。 因此，当一台变频调速泵无法满足恒压供油的要求时，需要将第一台变频调速泵工作在的频率下，使其充当一台恒速泵的角色，使其稳定运行后承担的流量，剩下的流量已在的范围之内，这样又可以实现正常的压力调节。如果2台泵工作无法满足恒压供油的要求，以此类推启动第三台泵，直到全部的泵启动或者满足恒压供油的要求。同理可以类比得出需要退出泵的原理，在此不进行赘述。
4.2恒压供油的工作方式
恒压供油系统有两种工作状态：无飞机加油时处于“保压状态”，有飞机加油时处于“供油状态”。供油状态时，若加油量小则用一台变频调速泵实现恒压供油，如果加油量比较大，则使用多台变频调速泵实现恒压供油。
（1）保压状态的压力控制。系统处于保压状态时，要求加油管网的压力维持在0.15-0.2MPa，其为开环控制。通常情况下当处于保压状态时管线的压力下降的速度非常缓慢，如果出现有飞机加油状态时，管线的压力会急剧下降，但是压力变送器的测量精度达到0.075%，响应时间约0.2s，完全可以及时准确的测量管线压力的变化情况，所以我们将管线压力的变化率作为是否处于保压状态的一个识别条件，出发系统对保压泵进行启停控制。
（2）供油状态的压力控制。当系统处于供油状态时采用循环启动油泵的模式进行稳压。通过测量管线压力变送器的压力Pt和压力设定值PS（既满足工作要求又能保证管线和飞机安全的压力值）进行做差，将差值作为PID控制器的给定值，PID控制器根据压力差值计算出变频器的频率值，启动1台油泵，如果变频器处于频率上限值45HZ时，管线压力仍然不能达到设定要求，流量仍然不能满足，因电动机本身特征，系统无法再无限度提高供电频率，只能通过增加泵的数量去改变管道出口压力。此时第一台油泵工作在45HZ，通过编写的优化程序（选择累计运行时间少、无故障、功率大小合适）选择第二台泵投入到变频调速工作中，如果仍然不能满足压力设定值要求，根据优化程序继续增加油泵数量，直至油泵全部启动或达到压力设定要求。
当加油通道使用数量减少时，根据管线压力、泵的运行频率以及泵的运行累计时间等通过优化算法选择停掉运行频率低于频率下限的油泵，直到油泵全部停到或达到压力设定要求。
4.3安全保护及优化
恒压供油系统完全依靠管线压力变送器与压力设定值的差值进行频率调节，为了保证管线压力在安全的范围内，在系统中增加电接点压力表，如果管线压力超限，干接点压力表直接触发停泵。通过硬联锁的压力保护可靠性、稳定性、实时性更好。
为了防止在发油过程中油罐的液位过低造成油罐、油泵的损坏，将油罐的液位开关信号也接入到停泵控制回路中，如果油罐液位低于设定值时，实现停泵触发联锁，使系统更加安全、可靠。
此外在增减泵的过程中存在以下情况：在恒压供油过程中管线压力在设定值附近波动，这样就会造成油泵在投入和切除状态之间摆动，这样不仅对于系统的稳定性不利，而且会损坏设备缩短设备的使用寿命。而当压力降低到设定值附近时也会出现类似的情况。
考虑到上述不利因素，在恒压供油系统启停泵的条件中增加了回滞延时环节。即在启停泵判断条件必须满足且维持一段时间后，才可以进行油泵的投切操作。
5.某机场油库稳压供油实例
5.1工艺概况
系统有4台37KW的管道泵，每台油泵配置1台变频器，通过对4台泵的联合调度核变频调速稳定管线的压力，满足不同加油负荷情况下的安全可靠保障。在管道泵出口汇管以及管线总出口各安装压力变送器和电接点压力表。由于输油管线距离较长，可根据实际需要选择泵出口或总管线出口作为控制器的压力参考点，本工程选择泵出口压力作为控制器参考点。电接点压力表作为压力保护设备与泵控系统电气回路直接连锁，保障运行安全。
5.2系统设计
本项目控制系统主要设备采用施耐德M340系列PLC进行数据采集及程序运算控制，变频器采用ABB-ACS550系列，压力变送器采用罗斯蒙特3051系列。其他设备如继电器、接触器等根据规范标准配置，系统采集信号包括变频器上电状态、运行状态、故障状态、频率给定及反馈，压力设定值，压力表状态，泵的启停信号，压力变送器电流信号等。
5.3程序设计
以PID控制器为核心，操作功能包括PID参数整定、手自动切换、压力设定值、过程值输入与切换、采样周期管理、PID控制器服务、死区控制等程序。
泵累积运行时间计算模块，为了防止计时数值溢出，4台泵中任意一台泵的累积运行时间达到溢出值时，就将所有计时器复位，避免泵控调度依据失准。这样的做法虽然不能保证各台泵的累积运行时间绝对均等，但是正常运行情况下的相对误差基本可以忽略不计。
安全保护程序包括压力保护、数据采集通道故障等异常情况的保护，停泵同时停止并复位PID，防止故障恢复后瞬间泵高速运转。
6 .结论
以PID控制器为核心，实现了飞机直线加油的压力稳定与追踪，满足加油保障对稳定压力的需求。通过基于泵累计运行时间的管道泵优化调度算法，实现了4台变频泵的无优先级调度切换，使得4台泵对等互备且负荷均衡，大大提高了压力加油系统的可靠性和可维护性。通过设定增减泵频率，可以保证泵始终运行在高效区域，实现节能降耗的需求。
实践证明，本系统完全实现设计目标，安全性、可靠性、实用性以及可维护性得到了充分检验。
参考文献
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[9] 李玉柱，苑明顺. 流体力学[M]. 北京：高等教育出版社，1989.