用PLC与变频实现飞机恒压加油

【摘要】一直以来，我国飞机管道加油工作就存在很多问题，由于加油系统不够先进科学，飞机加油过程中容易出现加油失控、加油效率低等问题。本文分析了一种先进科学的飞机加油系统――PLC与变频系统，论述了PLC与变频恒压加油系统的设计原因，结合实例具体分析了系统设计和应用的方法。

【关键词】PLC；变频；飞机；恒压加油

中图分类号：TM344.6文献标识码： A

一、前言

实现飞机恒压加油是当下飞机加油工作的趋势所在，用PLC与变频来实现飞机恒压加油已经有一定的理论研究基础和实践经验，本文在此基础上，深入分析了我国PLC和变频飞机恒压加油系统设计的原理和实践应用的可行性。

二、飞机管道加油系统控制技术现状

1、飞机进场的随机性,要求供油流量范围大

随着我国经济的飞速发展,各地机场航班次数不断增加,由机进场的随机性,机场飞机管道供油系统有时要同时给几架飞机加油,需要的流量较大,而有时又只给一架飞机加油,流量较小,如有的机场,流量变动范围在200~20000L・min之间,可见,未来机场进驻多架飞机时,对机场供油系统的流量要求范围非常大。解决这一问题,除了增大输送油泵的流量外,还应增加输送油泵的数量。

2、现有机场飞机管道加油系统控制方式简单

现有机场飞机管道加油系统控制管理方式简单,压力控制方式的选用受诸多因素影响,不能充分发挥变频调速系统先进技术的经济性能。目前,我国机场的飞机管道加油系统都采用了变频调速系统,利用泵的变速运行保证供油系统流量和压力的需求,实现流量的无级调节和管道压力的恒定,但此类变频调速系统都是将压力控制点设置在泵出口。这种控制方式管理方便,但由于管道流量的随机变化,泵出口的恒压意味着加油口处的变压,没有达到真正意义上的恒压控制,在一定程度上影响了变频调速系统先进技术经济性能的充分发挥。现有机场供油系统压力控制方式在工程实践中的选用,还受诸多因素的影响,因此,应具体问题具体分析,合理确定压力控制方式。当供油管路较长,压力损失较大时,恒压控制点应设置在管路末端的最不利点处,以保证该点的压力恒定,并实现最大限度的节能,但这种方式实现起来较为复杂,特别是信号线路较长,信号衰减较大,传感器对设置距离有较为严格的要求,所以在供油管路较短时,恒压控制点一般选取在泵出口,使控制系统简化,但这种方式并不能保证最不利点处的压力恒定,也不能实现完全节能。

3、现有供油管网“水击”严重,压力不够稳定

我国机场飞机管道加油系统的供油泵房到停机坪一般都有一段距离,近的几十米,远的几公里,输油管道的口径大小不同,管网分布排列也不同,燃油在管内的运动规律非常复杂,存在非线性,长时延、时变不确定性等因素。当供油泵站到加油口距离超过数百米时,供油管线内的水击和喘振现象就比较严重了。因此,传统的机场飞机管道加油系统管线长度一般不超过1200m,否则要建中继油库和泵站。

系统在给飞机加油的过程中,加油口的开闭瞬间造成管内燃油流量突变,引起一种潮汐般的冲击,这种现象就是“水击”,尤其在多个加油口同时操作时这种现象更为严重。

按GJB716)895飞机地面压力加油系统通用规范6要求,供油管道系统中,瞬时水击压力应不大于0.827MPa。机场飞机供油管道系统和民用供水管道系统不同,民用供水系统有用水的连续性,较少出现大流量突变的情况；而飞机加油具有间隙性,大流量加油突变的情况时常发生,突然开阀和关阀必然会使加油管网水击压力增大。

三、变频恒压加油技术

1、变频恒压加油技术概述

变频恒压加油调速系统相关产品正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化是未来飞机管线加油控制设备适应新型飞机不同加油工艺要求的必然趋势。在短短的几年内，变频恒压加油调速系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压加油系统逐渐为多泵系统所代替。单泵产品系统设计简易可靠，但单泵电动机深度调速造成油泵、电动机运行效率低，而多泵型产品的投资更为节省，运行效率高，已发展成为主导产品。

2、变频恒压加控制方式

根据油泵工作原理，油泵消耗功率与转速的三次方成正比，即N=Kn3，（其中N为油泵消耗功率，n为油泵运行时的转速，K为比例系数）。而油泵是按工频运行时速设计的，但加油时除大机群加油高峰外，大部分时间加油量较小，由于采用了变频技术及微机控制技术，因此可以使油泵运行的转速随加油量的变化而变化，最终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使油泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能效率可达20%-40%。

（一）带PID回路调节器和/或PLC的控制方式

在该方式中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网的油压可控。传感器的任务是检测管网油压，压力设定单元为系统提供满足飞机需要的加油压力期望值，压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输给变频器一个频率控制信号。还有一种办法是将压力设定信号送入PID回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个频率控制信号。

（二）由于变频器的频率控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。而带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供油控制设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出端口另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个带开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出接口的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压加油控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低加油控制设备成本的一个关键环节。

（三）新型变频调速加油控制设备

新的变频调速加油控制设备将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。因为PID运算在变频器内部，这样就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，降低了生产成本，大大提高了生产效率。又因为变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使油压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证油压反馈信号值的准确、不失真，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的加格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以在满足工艺要求的情况下应优先采用。

（四）油泵电动机专用变频器

油泵电动机专用变频器是将普通变频器和PLC控制器集成在一起，是集供油、管控一体化的系统，内置供油专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供油闭环控制系统。传感器反馈的油压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。可设定多段压力运行，以适应不同飞机不同加油方式压力的需求。面板可以直接显示压力反馈值。

系统供油有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式。变频泵固定方式可选择“先开先关”和“先开后关”两种油泵关闭顺序；变频泵循环方式以“先开先关”的顺序关泵。

四、某机场变频恒压供油控制系统

某机场采用一个集中的油库给飞机加油车供应油料，由于加油点与油泵站有1000m左右，该油料股希望设计一个自动启动和停止油泵的控制系统，以取代原来人工控制的单片机的恒压供油系统。用户现有两台55kW的油泵，一个油压传感器，四个加油点。要求只要有加油点的油阀打开，油泵必须启动且恒压供油，当加油点的油阀都关闭了，油泵能自动停止。

五、需求分析

加油控制系统的控制对象是两台油泵，由于加油压力要恒定，而加油点的开启和关闭是随机的，因此要采用变频器来控制和调节油泵，才能达到恒压的目的。现场只一个油压传感器，必须充分利用这个信号。经过实地考察和实验，发现油管路的密闭性良好。因此采用压力差来控制油泵的启动和停止是可行的。加油点的油阀的流量是一致的，这给设计带来了一些便利。尽管加油点比较分散，仍然可以把四个加油阀看成一个大的加油阀，将大的加油阀分为四级开度，

可以对应加油阀的开启个数，而不必考虑其组合。同样可以两个油泵合为一个考虑。这样我们就可以把一个较复杂的系统简化为一个简单的系统。我们现在可以很容易的给出控制的策略，根据加油阀的四级开度，也将泵的转速分为四级，在油压恒定条件下，使开度与转速一一对应。因此我们根据开度来控制变频器的速度，即可达到恒压的目的。但现场只一个油压传感器，如何能知道泵的开度呢?其实泵在静态运行时，泵速、油压、流量是恒定的，当开度增加或减少时，流量必然随着增加或减少，在泵速不变的情况下，流量与油压成反比。油压的变化可以由压力传感器反映出来，尽管检测的信号比实际的动作滞后5s左右，但不影响系统的控制，因此我们可以根据这个变化量来控制泵速的增加或减少以及启动和停止。

六、硬件设计及系统简介

考虑到加油站是机场的重要部门，必须保证系统可靠，我们采用一台变频器带一台泵的设计方案，控制系统采用西门子S7-200系列PLC，型号为CPU224，数量一台。模拟输人输出模块一块，型号为EM235；显示元件为TD200；变频器采用三垦S1-IF系列变频器。系统控制方式分为自动和手动两种，自动方式用于正常运行情况，而手动方式用于调试和检测器失效情况下使用。油泵的起停按钮只有在手动方式时才有效。同时手动的调速旋钮R1，R2也是在手动方式时才有效，由K1在选择开关置于手动时接通。Q0.0和Q0.2分别为1#和2#变频器的启动信号，Q0.1和Q0.3为1#和2#变频器全速(50Hz)运行命令。Q0.7和Q1.0为Z#和2#变频器的转速调节模拟信号切换。通过开关SW2可以选择那台台变频器优先启动。控制系统运行前，先在TD200文本显示器中设定目标压力值、启动压力值和停机压力值，然后将SW1置于自动。如果压力传感器检测到管道的压力高于启动压力值时，系统将处于等待状态。直到加油点的阀门打开，管道的压力低于启动压力值时，系统将自动启动一台油泵，变频器按第一级开度的对应频率运行。如果在预设的时间内，压力未达到设定值，变频器按第二级开度的对应频率运行。依此类推，当所有加油点的阀门全开时，则一台变频器处于全速运行，另一台调速运行。当加油点的阀门关闭时，压力传感器检测到管道压力有上升的趋势，则将变频器的频率按开度级依次降下来。直到变频器的运行频率低于第一级开度的对应频率或管道的压力高于停机压力值达到预定的时间，则系统停止变频器的运行，处于待机状态。另外，变频器运行在任一开度级频率时，程序会根据压力的误差，模拟人工作一些细微的调整，使管道压力维持恒定。程序流程图如图1所示。

图1程序流程图

七、供油系统的安全性设计

飞机加油设备和设施尤其重视安全可靠性问题。为此,要研究系统中主要设备、设施布置的安全性和多种安全功能,研究系统软件和硬件在各种情况下的安全保护功能,使供油系统安全可靠性得到较好解决。

1、自动卸压。飞行结束,飞机加油完成后,只要切断油泵电机电源,泵进出口管路跨线上的电磁阀自动开启,泵出口管路中的油料流入泵入口管路,流回使用罐,使管路中压力降低。当加油管线压力超过控制压力一定值时,管路跨线上的电磁阀也自动开启；油料回流；使管路中压力降低,减小水击。

2、异常保护。若因故障引起控制失灵,造成管路中压力过度升高,将会损坏设备。为保护设备,该系统具有异常保护功能。当压力达到所设置的保护值时,自动切断电源,使泵停转,而且电磁阀自动开启卸压。

3、报警。当系统中某一部位发生故障引起控制失灵时,或管路中油品压力达到设定的上限值时,警笛鸣叫,或广播喇叭发出提醒警告,提请操作人员注意,及时采取措施,以避免事故发生。

八、结束语

本文研究了PLC与变频实现飞机恒压加油的原理和具体的案例，分析结果显示该系统具有较好的可行性和可操作性，能够大大提高飞机加油的稳定性和效率，需要注意的是，构建飞机恒压加油系统的过程中，必须要考虑安全因素，确保系统建设成功后的安全运行。

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