石油化工裝置隔膜計(jì)量泵變頻調(diào)速控制的研究與設(shè)計(jì)

朱英斌，楊明陽(yáng)，劉欣朋，任景偉，姜海礁

（1.中國(guó)石油大港油田石油工程研究院，天津300280）

（2.中國(guó)石油吉林石化公司，吉林吉林 132001）

（3.四川寶石花鑫盛油氣運(yùn)營(yíng)服務(wù)有限公司，四川成都 610057）

隔膜計(jì)量泵是一種往復(fù)式容積泵，其原理是依靠柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將少量、定量的液體進(jìn)行輸送，其主要由電機(jī)、減速機(jī)、柱塞、隔膜、閥門(mén)構(gòu)成。由電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成往返運(yùn)動(dòng)，通過(guò)減速機(jī)實(shí)現(xiàn)柱塞不同速度、距離的往返運(yùn)動(dòng)，而柱塞的往返運(yùn)動(dòng)將迫使液體推動(dòng)隔膜產(chǎn)生往復(fù)形變，結(jié)合進(jìn)出口閥門(mén)的單向啟閉，來(lái)實(shí)現(xiàn)流體的定量輸送，常見(jiàn)的隔膜式計(jì)量泵泵典型結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。變頻調(diào)速技術(shù)響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，將其運(yùn)用到在隔膜計(jì)量泵控制中是石油化工的主流趨勢(shì)，因此對(duì)優(yōu)化變頻調(diào)速控制展開(kāi)研究具有非常重要的意義。其次，計(jì)量泵也有著向著高精確、高復(fù)雜控制程度發(fā)展的趨勢(shì)，因此，運(yùn)用新的控制理論與技術(shù)提高隔膜計(jì)量泵的自適應(yīng)能力和抗擾動(dòng)能力，符合計(jì)量泵控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也具有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)意義。

圖1 計(jì)量泵工作原理

1 原理及框架

1.1 模糊控制器原理

模糊控制一種非線性智能控制，它是基于模糊集合、模糊語(yǔ)言變量等理論，以模糊控制器為核心，采用模糊邏輯推理所形成的，是將模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用到控制系統(tǒng)上具體表現(xiàn)。模糊控制的流程圖如圖2所示，首先對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行采樣和處理，并將得到的值與系統(tǒng)給定值進(jìn)行比較，計(jì)算誤差。然后將誤差值模糊化，轉(zhuǎn)化為模糊量，根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊決策，從而得到對(duì)模糊控制量的模糊控制。最后，為了控制被控對(duì)象，需要改變產(chǎn)生的模糊控制量，將模糊運(yùn)算轉(zhuǎn)化為一定的值，使系統(tǒng)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行處理。整個(gè)模糊控制的實(shí)現(xiàn)就是按照上述過(guò)程進(jìn)行連續(xù)采樣、處理、變換和輸出控制。

圖2 模糊控制流程圖

1.2 三相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速已逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)控制的主流，其具有高效、高功率因數(shù)、高節(jié)能效果的優(yōu)點(diǎn)。在交流電機(jī)控制中的發(fā)展中，許多復(fù)雜算法不斷被運(yùn)用其中，如矢量控制、變結(jié)構(gòu)控制等，這些算法極大的增強(qiáng)了電機(jī)控制的調(diào)速性能，在某些方面甚至超過(guò)直流電機(jī)。而隔膜計(jì)量泵的常用的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力用的三相異步電機(jī)是一種常見(jiàn)的交流電機(jī)，可通過(guò)逆變器、整流電路、濾波電路等將頻率固定的交流電源轉(zhuǎn)換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。圖3所示為三相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架：系統(tǒng)主要檢測(cè)電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)參數(shù)，通過(guò)控制電流矢量來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。通過(guò)比較實(shí)際測(cè)量和系統(tǒng)最初設(shè)置的目標(biāo)轉(zhuǎn)速達(dá)到的誤差值，通過(guò)磁鏈估計(jì)器、磁通調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)等模塊，經(jīng)Park反變換和Clarke反變換可得出三相電流值電流值，與實(shí)際測(cè)量得到三相電流來(lái)輸出PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)的控制工作。

圖3 三相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架

2 隔膜計(jì)量泵控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

總體思路是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的電流轉(zhuǎn)速兩個(gè)主要參數(shù)，將信號(hào)反饋至微控制器，輸出6路PWM脈沖信號(hào)，本文所研究的控制系統(tǒng)是針對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置為三相異步電機(jī)的隔膜計(jì)量泵而展開(kāi)的，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是選用合適的微控制器來(lái)輸出，經(jīng)IPM驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)化為輸出等效可控頻率的三相交流電，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制。隔膜計(jì)量泵控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，硬件電路的設(shè)計(jì)分成控制板和驅(qū)動(dòng)板兩部分。其中，控制板采用5V弱點(diǎn)供電，主要集成了液晶界面、聲光報(bào)警、CAN通信、液位檢測(cè)接口、模擬信號(hào)接口和微控制器，屬于弱電電路設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)板通過(guò)從主控制板接收PWM脈沖信號(hào)，將固定頻率電源轉(zhuǎn)變可變頻率交流電給逆變器供電，屬于強(qiáng)電電路設(shè)計(jì)。通過(guò)分區(qū)設(shè)計(jì)很好的實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電隔離，極大增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 隔膜計(jì)量泵控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 器件選擇

選用DSPIC30F6010A作為微控制器，其具有強(qiáng)大的引擎功能和多個(gè)移位寄存器，具有成熟的電機(jī)控制PWM模塊，通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)試即可同步輸出PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)的控制。采用點(diǎn)陣式液晶12864-16作為L(zhǎng)CD液晶顯示模塊，其128×64的全點(diǎn)陣能夠使顯示屏上顯示4行8列漢字，主要用于顯示操作界面對(duì)流量等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新。選用MHDR1X10作為按鍵控制模塊，并接串聯(lián)上拉電阻來(lái)增加電路的穩(wěn)定性和抗干擾性，設(shè)置有設(shè)置鍵，上、下選擇鍵，返回鍵及開(kāi)關(guān)鍵，能過(guò)進(jìn)行頁(yè)面選擇、模式轉(zhuǎn)換、輸入?yún)?shù)等操作。選用ACS712霍爾電流傳感器作為電流檢測(cè)模塊，用于采集交流電流，其內(nèi)部集成了一個(gè)偏置電路，避免進(jìn)行額外設(shè)計(jì)，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)的空間，具有精度高、線性好的特點(diǎn)。CAN通信模塊采用的是高速CAN收發(fā)器TJA1040來(lái)實(shí)現(xiàn)物理總線與控制器的CAN網(wǎng)絡(luò)之間的收發(fā)，其能耗低，電磁輻射若，抗電磁干擾能力強(qiáng)，還具有遠(yuǎn)程喚醒功能；采用IPM-智能功率模塊作為驅(qū)動(dòng)主板，具備了豐富的保護(hù)功能如過(guò)熱保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和欠壓保護(hù)等，大大降低了開(kāi)發(fā)的難度。

3 軟件部分設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試

3.1 主程序軟件設(shè)計(jì)

主程序按照開(kāi)始、系統(tǒng)初始化、開(kāi)中斷、開(kāi)定時(shí)器、主程序循環(huán)依次執(zhí)行。其中初始化主要是對(duì)系統(tǒng)相關(guān)變量及各模塊進(jìn)行初始化。在主程序循環(huán)中，計(jì)量泵的運(yùn)行速度有啟動(dòng)模式和相關(guān)參數(shù)決定，一般是以默認(rèn)參數(shù)啟動(dòng)，也可通過(guò)按鍵操作來(lái)并控制計(jì)量泵的啟停和設(shè)置運(yùn)行速度。計(jì)量泵啟動(dòng)后，若接受到故障信號(hào)，則會(huì)進(jìn)入故障信號(hào)中斷子程序進(jìn)行處理。整個(gè)主程序的流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的正確性，獲取了兩組不同工作壓力下不同工作頻率下的流量曲線，其橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為流量。從圖中可以看出，工作頻率越高，流量越大兩者幾乎正成相關(guān)。而各曲線的波動(dòng)很小，說(shuō)明該流量控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。在相同頻率下，工作壓力越大，計(jì)量泵的流量越小，這也符合實(shí)際生產(chǎn)情況。

圖6 流量變化曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文探索了將模糊控制技術(shù)和PID控制技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用于隔膜計(jì)量泵控制系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，在該控制系統(tǒng)下，隔膜計(jì)量泵運(yùn)行穩(wěn)定，功能正常，模塊設(shè)計(jì)合理。該控制結(jié)合能有效縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，有減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。采用變頻調(diào)速的方案在提高電壓的利用率同時(shí)簡(jiǎn)化了控制操作，避免電壓波動(dòng)帶來(lái)的損耗，降低了運(yùn)行中的能耗。