基于PID和时间优化的多泵联合直线加油控制系统设计与实现

杨玉婷，文俊

（中国自控系统工程有限公司，北京 100026）

0 引言

飞机加油系统不同于一般的市政供水，其对供油系统的压力波动[1]、时效和可靠性要求均有较严格的要求[2]。随着时代发展和技术进步，如何实现安全、快速、可靠的油料保障成为后勤人员面临的现实问题，而自动化压力加油自身的诸多优点[3]，成为实现这一目标的最佳选择[4]。

自动化压力加油的核心问题是泵控和稳压，如何通过变频调速实现输油管线压力的稳定可调，同时要充分保证管线运行安全。本文将对某机场供油系统的控制问题进行研究，在现有输油工艺管线基础上，设计并实现其自动化压力加油系统。

1 工艺概况

系统有4台37KW管道泵，航油通过输油管道经缓冲罐和环形管为飞机供油。每台管道泵配1台变频器，通过对4台泵的联合调度和变频调速稳定管线压力，满足不同加油负荷情况下的安全可靠保障。管道泵出口汇管管线和缓冲罐出口均安装压力变送器和电接点压力表各1台。由于输油管线距离较长，可根据实际需要选择泵出口或缓冲罐出口作为控制器的压力参考点，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。

实际需求中同时开启的加油单元数量不确定，数量波动也较大，影响管线输油负荷波动也大。4台管道泵的工艺设计不只为满足负荷波动的需求，也为实现多台管道泵的互备，提高可靠性。因此，系统存在多非线性因素，建立模型并实现压力精确控制较困难，PID控制器自身具有较强的鲁棒性和适应性，且参数整定比较简单，是实现该泵控系统压力控制的最佳选择[5-6]。

2 系统设计与实现

2.1 PID控制与多泵联合调度

系统运行时，首先根据保障设定工作压力，压力设定根据管线设计允许工作压力和飞机油箱允许加油压力。PID控制器根据管线压力和设定值计算输出频率，启动第一台泵，当转速达到一定频率（能效需求设定，如45Hz）并持续一段时间后，若管线压力仍没达到设定值，程序会自动根据泵运行状态和累积运行时间，选择一台无故障且运行累积时间最小的泵并将其启动。如此继续，直到4台泵全部启动[7]。

减泵依据泵运行数量、管线压力和变频器运转频率。当正在运行泵数量大于0并且变频器运转频率低于一定数值（能效需求设定，如20Hz），程序将会把运行累积时间最长的泵停止，如此继续，直到所有泵都停止运行。整个过程PID控制器都实时根据管线压力和设定值控制变频器转速，以及PID参数整定实现管线压力控制。不论几台泵运转，都是多台泵同频运转，保证泵的使用效率。实践表明，当一台泵满频率运转，其他泵低速运转时，低速泵对管线压力影响甚微[8]。

为增加系统可靠性，在泵的加减中，均要对变频器的供电状态、故障状态、手自动状态进行判断，做到判断智能化、调度最优化。4台泵间完全对等且互为备用，只要有2台变频泵正常工作，就可以通过本控制系统实现飞机的加油保障，极大提高整体可靠性和可维护性。

2.2 安全保护与故障诊断

为了使变频器工作在较高效率区间，在工作流程设计时考虑了低频停泵。由于控制系统无法采集正在加油的通道数量，也无法判管线的加油负荷，因此泵的启停完全依赖管线压力变化。为保证管线安全，控制系统应考虑压力保护。当管线压力大于设定报警值时无条件停泵、停PID控制器。同时将电接点压力表的触点直接接入变频器的启停控制回路，实现压力超限的硬连锁，从而实现在更高层级上的安全联锁。

程序还应考虑输出频率死区控制，防止因压力微小波动或者信号干扰导致变频器频繁启停。此外压力传感器失效问题也不容忽视，PLC卡件AI采集失效等故障的保护，防止系统在断线或卡件失效时“飞车”。

2.3 人机界面与远程操作

为了便于就地操作，机柜控制面板上预留启泵、停泵、紧急停车、管线压力显示、工作压力设定等操作功能。此外还提供了上位软件操作画面，实现更丰富的操作功能，如：压力曲线的实时监控，泵的运行状态监控，泵运转曲线监控，远程启停泵，PID参数整定，故障诊断状态显示等。

2.4 系统功能实现

控制系统采用施耐德M340系列PLC进行数据采集与程序控制，变频器采用三垦力达400V系列VM05，压力变送器选用罗斯蒙特3051系列。其他系统配套设备如继电器、接触器、信号分配器、防雷等根据规范标准配置。

系统采集的信号如下：

模拟量信号：压力变送器电流信号，变频器频率反馈信号，变频器频率给定信号，变频器累积运行时间，压力设定值信号。

开关量信号：变频器上电、运行、故障、远程/就地状态，压力变送器数据采集通道、手自动切换状态，电接点压力表状态，参考压力切换旋钮状态，启停变频器信号等。

3 程序设计与实现

3.1 程序流程图设计

程序流程图如下图1所示：

3.2 PID核心控制程序设计

以PID控制器为核心，周边操作功能包括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控制器服务和死区控制等。

3.3 泵累积运行时间计算

泵累计运行时间计算模块，为防止及时数值溢出，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。这样虽不能保证各台泵的累积运行时间绝对均等，但正常运行情况下的相对误差基本可忽略不计。

3.4 安全保护程序

此模块包含压力保护和切换，数据采集通道故障等异常情况保护，停泵同时停止并复位PID，防止故障恢复后瞬间泵高速运转。

4 结语

以PID控制器为核心，实现了飞机直线加油压力稳定与追踪，满足加油保障对稳压的需求。实践表明，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台变频泵的最优调度切换，使得各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与可维护性。通过设定增减泵频率，保证变频管道泵始终运行在高效区域，实现节能降耗的需求。本系统完全实现设计目标，实用性、安全性、可靠性与可维护性得到了充分检验。控制方案也可用于多台变频泵的控制调度系统，并提高泵控系统更大负荷范围内的适应能力。