摘要：接收鐵路油槽車都存在如何高效的收盡槽車底油的問題,若按每個槽車殘留底油5kg計算,按去年一年收油車數6741車，一年將損失33.7噸油品。本案采取配備掃槽泵收油的方法，但是在運轉過程中，因無法控制泵機運行轉速，時常會出現強烈震動，嚴重損害泵機運行并且影響收油的效果。為此，本文將針對這一問題，提出解決方案，詳細的介紹了運用的方法和理論。
一、泵機配備變頻的原因
在用擺動轉子泵掃槽車剩余底油時，由于掃艙軟管口徑較小,在全液流動時,易產生泵進口真空過高，導致泵振動、噪聲增大的問題。采用擺動轉子泵掃艙是進行氣液混輸，因此必須考慮泵的汽蝕性能，在槽車底油多時，掃艙軟管吸入飽滿，泵進口真空度高，當真空超過泵汽蝕點后，泵的振動、噪聲將增大。因此擺動轉子泵掃艙時需隨時調節電機的運行速度,以便控制泵進口的真空度 ,達到泵平穩工作,提高效率,同時減少噪音的效果.本案例采取配置變頻器及仕樂克儀表壓力變送器，利用PID 控制器進行調節。
二、PID控制器原理
PID控制器(Proportion Integration Differentiation比例-積分-微分控制器 )由比例控制單元P、積分控制單元I和微分控制單元D組成，并分別通過參數K，Ti，Td的設定把收集到的數據和預設的經驗值進行比較，經過將比較的結果計算產生新的值作為輸入信號。這個新的輸入值的目的是可以讓系統穩定在設定參考值的一定范圍內，這樣可以使系統更加準確，更加穩定。PID控制系統它的特點是原理簡單，使用方便、適用性強等特點。
1.PID具體含義。比例控制單元P的特點是快速反應，但是對具有自平衡性的被控對象存在靜差。增加積分調節單元I后，對消除靜差起到一定的積極作用，但是卻降低了系統的響應速度。為了解決這一問題，必須要在偏差出現前，對偏差量做出反應，也要對偏差的變化趨勢做出判斷并加以控制，便增加微分控制單元D。綜上所述，為達到控制效果，要選擇PID控制器。PID是以比例、積分、微分函數的算法而命名的，這三個參數是取得高性能算法的關鍵。這三種算法是：
1.1比例控制單元:按比例反映系統的偏差。加大比例系數,可以減少系統的穩態誤差,提高系統的控制精度,加快響應速度。但是過大的比例系數會造成系統的穩定性下降,甚至系統的不穩定。
1.2積分控制單元:主要使系統消除穩態誤差,提高系統的穩態性能。積分作用的強弱取決于積分時間常數T,T越小,積分作用越強,反之,作用越弱。積分作用使系統的穩定性下降,動態響應變慢.因此,積分環節通常與其他兩種調節器結合使用。
1.3微分控制單元:微分作用反映偏差信號的變化趨勢,具有預見性。適當的微分調節,能改善系統的動態性能,減少調節時間.但過強的微分調節,對系統干擾不利。
2.仕樂克儀表的PID參數設定。過程PID用于壓力過程變量的控制。比例環節產生與偏差成比例變化的控制作用來減少偏差；積分環節主要用于消除靜差，積分時間越大，積分的作用越弱，積分時間越短，積分作用越強；微分環節通過偏差的變化趨勢預測偏差信號的變化，并在偏差變大之前產生抑制變差變化的控制信號，從而加快控制的響應速度。
PID參數調整原則：
比例參數的調節。先將比例增益從較小值如（0.20）增加直至反饋信號開始震蕩，然后減少40-60%使反饋信號穩定，比例系數P設置較大值會導致系統不穩定，頻繁震蕩；P值設置較小，又會使系統敏感性下降。恰當的設置比例系數會使系統有足夠的靈敏度但又不會反應過于靈敏，一定時間的延遲要通過對積分時間設置來進行調節積分、微分參數的調節。將積分時間從較大值（如20.00s）直至反饋信號開始震蕩，然后增加10-50%使反饋信號穩定。如果通過比例、積分參數的調節還是收不到理想的控制要求，而且系統對超調和動態誤差要求較高，就需要增加微分單元（有的系統要求時間滯后，才需要附加這個參數），可以通過調節微分時間參數，初次調試時要從小到大，逐步調節的方法，直到系統穩定。
3.本案采取的算法本案例采取PID增量式算法 ,具體算法如下:
離散化公式：
其中:u(k)為第k次采樣時刻控制器的輸出；e(k)、ec(k)分別為系統的偏差、偏差變化量；kp、ki、kd分別為比例系數、積分系數、微分系。PID控制通過對這三個參數的整定,從而獲得良好的系統控制性能。增量型控制,即輸出量是兩個采樣周期,控制器的輸出增量△u(k)由下式可得:
其中 T1為積分時間常數；TD為微分時間常數；T為采樣周期。上公式稱為PID增量是控制算式,增量式算式具有下速優點 :
(1)計算機只輸出控制增量,即執行機構位置的變化部分,誤動作影響小。
(2)在進行手動和自動切換時 ,控制量沖擊小,能較平滑的過度。
(3)增量算法中增量△u(k)只受最近的第k次的輸出數值，這樣運算就可以通過加權算法來處理，可以得到理想的控制效果，由于沒有累加，消除了當前偏差存在時發生飽和的危險。
比例項與積分項的符號有以下關系：
在增量式算法中，如果被控量偏離預設值，則比例項和積分項的符號相同，而當被控量向設定值靠近時，則這兩項的符號反相。但如果被控量與設定值相差較遠，而僅在剛開始向設定值靠近時，由于比例項和積分項反向，將會延緩控制過程，增加控制時間。為了提高控制效率，本案設定一個偏差范圍△l，當偏差△u(k)< △l時，就按正常規律調節，而當△u(k)>= △l時，則取消判斷比例項作用為正或為負，使它向有利于接近設定值的方向調整，使其符號與積分項一致。可以大大加快控制的動態過程。
三、現場變頻器工作原理
變頻調速的基本控制方式，在電動機調速時，一個重要的因素是希望保持電機每極磁通量￠m為額定值￠m太小，電機的鐵心沒有得到充分的利用，浪費較大；如果增加￠m，會導致點擊的繞組過熱而損毀電機，為此，通過三相異步電機定子每相電動勢的有效值公式來看；
式中Eg為感應電動勢； f1為定子頻率； N1為定子每相繞組串聯匝數； KN1為基波繞組系數；
（1）基頻（額定頻率）以下調速：通過公式可以看出，要保持￠m不變，當頻率f1從額定值向下調節時，必須同時降低Eg，從而使得Eg/ f1=常值，屬于“恒轉矩調速”的性質。
（2）基頻以上調速：頻率可以從額定頻率往上增高，但那時電壓卻不能增加的比額定電壓還高，最多只能保持在額定電壓下工作，通過公式可以看出￠m與f1 成反比的降低，屬于“恒功率調速”的性質。
本案中系統采用一臺變頻器控制一臺掃槽泵運行方式，安裝在掃槽泵進口真空壓力變送器，用于檢測掃槽泵進口真空壓力，將壓力轉化為4～20mA的電流信號，提供變頻器，經過變頻器模擬量輸入，變頻器根據給定的真空壓力設定值與實際的檢測值進行PID運算，變頻器調節掃槽泵電機的供電電壓和頻率。變頻器是掃槽泵電機的控制設備，能按照真空壓力恒定需要將0～50HZ的頻率信號供給掃槽泵電機，調整其轉速。本系統采用PID控制的應用宏，進行閉環控制，采用仕樂克儀表壓力變送器，變頻器作為中心控制裝置，實現所需功能。
在泵進口真空度較低時，提高轉速，增大泵的排量；泵進口較高時，降低轉速，減少排量，從而達到控制泵進口真空的目的。避免在泵進口真空較高時，泵發生汽蝕，產生振動、噪聲。避免在未安裝變頻器的情況下,泵進口真空較低時，掃艙吸入速度慢，需要人工調節提高泵轉速，這樣較繁瑣操作。
四、結語
在現場實際應用，變頻器采用 PID 調節，可以減輕操作的繁瑣性，使泵工作更加平穩，提高了泵的掃艙效果，是一種較好的掃艙作業控制方式。
