石油化工装置隔膜计量泵变频调速控制的研究与设计

朱英斌，杨明阳，刘欣朋，任景伟，姜海礁

（1.中国石油大港油田石油工程研究院，天津300280）

（2.中国石油吉林石化公司，吉林吉林 132001）

（3.四川宝石花鑫盛油气运营服务有限公司，四川成都 610057）

隔膜计量泵是一种往复式容积泵，其原理是依靠柱塞的往复运动将少量、定量的液体进行输送，其主要由电机、减速机、柱塞、隔膜、阀门构成。由电机提供驱动力，通过机械结构将旋转运动转换成往返运动，通过减速机实现柱塞不同速度、距离的往返运动，而柱塞的往返运动将迫使液体推动隔膜产生往复形变，结合进出口阀门的单向启闭，来实现流体的定量输送，常见的隔膜式计量泵泵典型结构示意见图1。变频调速技术响应速度快，稳定性高的特点，将其运用到在隔膜计量泵控制中是石油化工的主流趋势，因此对优化变频调速控制展开研究具有非常重要的意义。其次，计量泵也有着向着高精确、高复杂控制程度发展的趋势，因此，运用新的控制理论与技术提高隔膜计量泵的自适应能力和抗扰动能力，符合计量泵控制技术的发展趋势，也具有实际的经济意义。

图1 计量泵工作原理

1 原理及框架

1.1 模糊控制器原理

模糊控制一种非线性智能控制，它是基于模糊集合、模糊语言变量等理论，以模糊控制器为核心，采用模糊逻辑推理所形成的，是将模糊数学应用到控制系统上具体表现。模糊控制的流程图如图2所示，首先对被控对象的参数进行采样和处理，并将得到的值与系统给定值进行比较，计算误差。然后将误差值模糊化，转化为模糊量，根据模糊控制规则进行模糊决策，从而得到对模糊控制量的模糊控制。最后，为了控制被控对象，需要改变产生的模糊控制量，将模糊运算转化为一定的值，使系统能够对其进行处理。整个模糊控制的实现就是按照上述过程进行连续采样、处理、变换和输出控制。

图2 模糊控制流程图

1.2 三相异步电机调速系统设计的框架

随着计算机技术的发展，交流变频调速已逐渐成为现代工业控制的主流，其具有高效、高功率因数、高节能效果的优点。在交流电机控制中的发展中，许多复杂算法不断被运用其中，如矢量控制、变结构控制等，这些算法极大的增强了电机控制的调速性能，在某些方面甚至超过直流电机。而隔膜计量泵的常用的驱动动力用的三相异步电机是一种常见的交流电机，可通过逆变器、整流电路、滤波电路等将频率固定的交流电源转换成频率连续可调的交流电。图3所示为三相异步电机调速系统设计的框架：系统主要检测电机电流和转速两个参数，通过控制电流矢量来调节电机转子的磁链和转矩。通过比较实际测量和系统最初设置的目标转速达到的误差值，通过磁链估计器、磁通调节、转速调节和转矩调节等模块，经Park反变换和Clarke反变换可得出三相电流值电流值，与实际测量得到三相电流来输出PWM控制信号，实现三相异步电机的控制工作。

图3 三相异步电机调速系统设计的框架

2 隔膜计量泵控制系统的硬件设计

2.1 总体思路

总体思路是通过检测电机的电流转速两个主要参数，将信号反馈至微控制器，输出6路PWM脉冲信号，本文所研究的控制系统是针对驱动装置为三相异步电机的隔膜计量泵而展开的，设计的重点就是选用合适的微控制器来输出，经IPM驱动模块转化为输出等效可控频率的三相交流电，从而实现异步电机运转的控制。隔膜计量泵控制系统总体结构如图4所示，硬件电路的设计分成控制板和驱动板两部分。其中，控制板采用5V弱点供电，主要集成了液晶界面、声光报警、CAN通信、液位检测接口、模拟信号接口和微控制器，属于弱电电路设计；驱动板通过从主控制板接收PWM脉冲信号，将固定频率电源转变可变频率交流电给逆变器供电，属于强电电路设计。通过分区设计很好的实现了强弱电隔离，极大增加了系统的稳定性。

图4 隔膜计量泵控制系统总体结构图

2.2 器件选择

选用DSPIC30F6010A作为微控制器，其具有强大的引擎功能和多个移位寄存器，具有成熟的电机控制PWM模块，通过简单的调试即可同步输出PWM信号实现三相异步电机的控制。采用点阵式液晶12864-16作为LCD液晶显示模块，其128×64的全点阵能够使显示屏上显示4行8列汉字，主要用于显示操作界面对流量等信息进行实时刷新。选用MHDR1X10作为按键控制模块，并接串联上拉电阻来增加电路的稳定性和抗干扰性，设置有设置键，上、下选择键，返回键及开关键，能过进行页面选择、模式转换、输入参数等操作。选用ACS712霍尔电流传感器作为电流检测模块，用于采集交流电流，其内部集成了一个偏置电路，避免进行额外设计，优化了电路设计的空间，具有精度高、线性好的特点。CAN通信模块采用的是高速CAN收发器TJA1040来实现物理总线与控制器的CAN网络之间的收发，其能耗低，电磁辐射若，抗电磁干扰能力强，还具有远程唤醒功能；采用IPM-智能功率模块作为驱动主板，具备了丰富的保护功能如过热保护、短路保护、过流保护和欠压保护等，大大降低了开发的难度。

3 软件部分设计及系统调试

3.1 主程序软件设计

主程序按照开始、系统初始化、开中断、开定时器、主程序循环依次执行。其中初始化主要是对系统相关变量及各模块进行初始化。在主程序循环中，计量泵的运行速度有启动模式和相关参数决定，一般是以默认参数启动，也可通过按键操作来并控制计量泵的启停和设置运行速度。计量泵启动后，若接受到故障信号，则会进入故障信号中断子程序进行处理。整个主程序的流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

3.2 系统调试结果

为验证系统运行的正确性，获取了两组不同工作压力下不同工作频率下的流量曲线，其横坐标为时间，纵坐标为流量。从图中可以看出，工作频率越高，流量越大两者几乎正成相关。而各曲线的波动很小，说明该流量控制系统具有较强的稳定性，能满足实际生产的要求。在相同频率下，工作压力越大，计量泵的流量越小，这也符合实际生产情况。

图6 流量变化曲线图

4 结语

本文探索了将模糊控制技术和PID控制技术结合并应用于隔膜计量泵控制系统。测试结果表明，在该控制系统下，隔膜计量泵运行稳定，功能正常，模块设计合理。该控制结合能有效缩短调节时间，有减小系统的超调量，提高系统的动态稳定性。采用变频调速的方案在提高电压的利用率同时简化了控制操作，避免电压波动带来的损耗，降低了运行中的能耗。