变频器内置PID功能在恒压供水设备中的应用宗红星天俱时

变频器内置PID功能在恒压供水设备中的应用宗红星天俱时电议试验中心摘要：以往的恒压供水设备往往采用诸如利用电接点压力表等来控制泵的起停，把压力控制在一定的范围之内亦或是采用带有模入/模出的可编程控制器或PID调节器与变频器配合使用来实现恒压供水，前者为机械式的联锁,运行中存在较大的压力波动而后者设备成本高，PID算法编程难度大，调试困难。随着电力电子技术的发展，变频器的功能也越来越强，充分利用变频器内置的各种功能，合理采用带有内置PID功能的变频器和压力传感设备来实现恒压供水，既做到了无级调速下稳定的、高品质的供水质量，又降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试的时间。本文以ABB公司生产的ACS510系列变频器为例，讲述了变频器内置PID功能在恒压供水系统中的应用。关键词：变频器PID恒压供水2目录1．变频调速恒压供水系统的现状和发展┄┄┄┄┄┄┄41.1变频调速恒压供水的目的和意义┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄41.2变频调速技术的特点及应用┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄42.变频调速内置PID控制的恒压供水系统┄┄┄┄┄┄52.1系统构成┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄52.1.1ACS510变频器概述┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄52.1.2系统中的感压元件┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄62.2系统运行中的三个状态┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄62.3PID控制概述┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄62.3.1系统的工作过程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄62.3.2PID的调节原理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄83.内置PID与变频器功能的预置┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄113.1PID功能的预置┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄113.2PID调节的运行特点┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄123.3变频器参数预置┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄123.4暂停（睡眠与苏醒）功能┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄13总结┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14致谢┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄15参考文献┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1631．变频调速恒压供水系统的现状和发展1.1变频调速恒压供水的目的和意义对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求，所以流量是供水系统的基本控制对象。但流量的测量比较复杂，考虑到在动态情况下，管道中某一点的水压p的大小与供水能力和用水流量之间的平衡情况有关，如果以安装压力表的位置作为分界点，把压力表之前的流量称为供水流量（QG），压力表之后的流量称为用水流量（QU），则：如QGQU，则p↑；如QGQU，则p↓；如QG=QU，则p＝const（恒量）。然而在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在“供水流量”与“用水流量”的差别。这里的QG和QU是为了说明当供水能力与用水流量之间不适应时，导致管道内的压力发生变化而假设的量。总之，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量的平衡，恰好满足用户所需的用水流量，这是恒压供水所要达到的目的，而随着科技的进步,工业对供水的质量要求越来越严格，实现恒压供水既提高了供水质量也为企业在节约能源的同时保证了产品质量，提高了工作效率。1.2变频调速技术的特点及应用近几年来电机调速技术发展很快，应用范围也越来越广泛，变频调速器（以下简称“变频器”）就是其中的一种，它不仅操作方便，故障率低，且节能效果明显，优于调压调速、变级调速、滑差调速、串级调速、整流子调速和液力偶合调速等。变频调速的主要特点有：（１）体积小，重量轻，可挂墙安装，不占地面；（２）可手控、遥控，亦可与可编程可控制器、计算机等联结，4实现自控；（３）启动电流约为电机额定电流的１.７倍（电机启动电流为５倍～7倍额定电流），对电网设备冲击小；（４）具有许多种保护功能（如过压、欠压、过流、短路、瞬间停电等）；（５）可减振降噪，延长设备使用寿命。正是由于变频器具有上述特点，不少企业把变频器的应用作为一种重要的节能手段，一般工矿企业企业也不例外，在风机、磨机、泵、计量等诸多系统中得到应用。2.变频调速内置PID控制的恒压供水系统2.1系统构成恒压供水系统的框图如图1所示。PS是压力变送器，它在测量管道内压力p的同时，还将测得的压力信号转换成电压信号或电流信号,（在本例中转换成的是电流信号）该信号在控制系统中作为反馈信号输入到变频器的模拟输入端AI2。所以，反馈信号也就是实测的压力信号，即AI2∝p。此系统中还包括变频器(带有内置PID功能)、供水泵。在本例中调速系统分为手自动控制，自动时由压变把反馈信号送到变频器中由变频器内置的PID来控制，手动时由面板上的电位5器控制，图中的RP就是用来实现手动下的调速功能的模拟给定，其手动的具体控制过程在此不再赘述。2.1.1ACS510变频器概述ACS510系列变频器是ABB公司生产的作为一种高品质的电机变频调速控制设备，是一款杰出的低压交流传动产品。其产品从1.1KW-110KW，容量范围广，应用领域更广，典型的应用如恒压系统、恒温系统等。此系列内置RFI滤波、有八种不同的应用宏可供选择，高级控制盘、内置两个独立的PID调节器：PID1和PID2。PID1可设置两套参数，通过PID2可控制一个独立的外部阀门；多点U/F曲线控制可自由定义5点U/F曲线。其安装、设置和使用都很简单，可以节省大量时间，合理选用不同内置功能的变频器能够给我们带来事半功倍的成效。2.1.2系统中的感压元件本系统中采用的是CJT型电容式智能压力变送器，它的核心是一个电容式压力传感器。传感器是一个完全密封的组件，过程压力通过隔离膜片和灌充液硅油传到传感膜片，引起传感膜片的位移。传感膜片两电容极板之间的电容差由电子部件转换成4～20mA两线制输出的电流信号反馈给变频器。2.2系统运行中的三个状态①稳态运行：水泵装置的供水能力与用户用水需求处于平衡状态，供水压力p稳定而无变化，反馈信号于目标信号近乎相等，PID的调节量为0。此时变频器控制的电机处在fx下匀速运行。②用水流量增大：当用户的用水流量增大，超过了供水能力时，供水压力p有所下降，反馈信号减小，合成信号（目标值－反馈值）增大，PID产生正的调节量，变频器的输出频率和电机的转速上升，使供水能力增大，压力恢复。③用水流量减小：当用户的用水流量减小时，供水能力小于用水需求，则供水压力上升，反馈信号增大，合成信号则减小，PID产生负的调节量，6结果是变频器的输出频率和电机的转速下降，使供水能力下降，压力又开始恢复。当压力大小重新恢复到目标值时，供水能力与用水需求又达到新的平衡，系统又恢复到稳态运行。2.3PID控制概述2.3.1系统的工作过程变频器内部PID调节功能的框图如图2所示。XT和XF两者是相减的，其合成信号XD=|XT-XF|；经过PID调节处理后成为频率给定信号XG，决定变频器的输出频率ƒ（X）。图2变频器内部的控制框图当用水流量减小，使QGQU时，则供水压力p↑→XF↑→XD↓→ƒX↓→电动机转速nX↓→QG↓→QG=QU直至压力大小回复到目标值（XF≈XT），从而达到平衡；反之当用水流量增加使QG＜QU时，则p↓→XF↓→XD↑→ƒX↑→nX↑→QG↑→QG＝QU→XF≈XT，又达到新的平衡。因此，供水系统总是根据用户的7用水情况不断地处于自动调整状态中。在此例中选用的是ABB公司生产的ACS510系列变频器，根据现场操作要求分手自动控制，当DI2得电时选择PID调节下的自动控制，DI2失电时为手动控制。启动停止两种方式均为两线制，为了防止误启动变频器，还设有允许运行功能，只有在DI5得电的情况下才能启动变频器。详细的控制回路端子接线图如图3所示：8图3端子接线图92.3.2PID的调节原理①问题的提出恒压供水过程存在着一个矛盾：一方面，我们要求水管的实际压力（其大小与XF成正比）应无限接近于目标压力（其大小与XT成正比），即要求XD=|XT-XF|→0；另一方面，变频器的输出频率ƒX又是由XT和XF相减的结果来决定的。所以，如果把(XT-XF)直接作为给定信号XG，系统将无法工作。②比例增益环节(P)解决上述矛盾的方法是：将|XT-XF|进行放大后再作为频率给定信号：XG=KP(XT-XF)(1)式(1)中，KP为放大倍数，即比例增益。上述关系如图4所示。由于XG是(XT-XF)成正比放大的结果，故称为比例放大环节。另一方面，XG又是使变频器输出某一频率ƒX所必须的信号。显然，KP越大，则(XT-XF)=越小，XF越接近于XT。图4比例放大前后各量间的关系框图(a)输出与输入的比例关系(b)比例带的概念10图5比例与比例带这里，XF只能是无限接近于XT，却不能等于XT，即XF和XT之间总会有一个差值，称为静差，用ε表示。该值应该越小越好。显然，比例增益KP越大，ε越小。在专用PID调节器中，比例增益的大小常常是通过“比例带”来进行调节的。比例带就是按比例放大的区域，用P表示（等于KP的倒数），如图5所示。P越小，相当于KP越大。但在几乎所有变频器内置的PID调节功能中，都是直接预置KP的。比例增益环节的引入，减小了系统稳定后的静差ε，如图6(a)所示。于是又出现了新的矛盾：为了减小静差ε，应尽量增大比例增益KP，但由于系统有惯性，KP过大容易引起被控量（压力）忽大忽小，形成振荡，如图6(b)所示。(a)P调节(b)振荡现象11(c)PI调节(d)PID调节图6P、I、D的综合作用示意图③积分环节（I）引入积分环节的目的：使给定信号XG的变化与乘积KP(XT-XF)对时间的积分成正比。即尽管KP(XT-XF)一下子增大（或减小）了许多，但XG只能在“积分时间”内逐渐地增大（或减小），从而减缓了XG的变化速度，防止了振荡。积分时间越长，XG的变化越慢；只要偏差不消除(XT-XF≠0)，积分就不停止，从而有效地消除静差，如图6(c)所示。但积分时间太长，又会发生当被控量（压力）急剧变化时难以迅速恢复的情况。④微分环节(D)其作用是：可根据偏差的变化趋势，提前给出较大的调节动作，从而缩短调节时间，克服了因积分时间过长而使恢复滞后的缺点，如图6(d)所示。在供水系统中，当对过渡过程时间的要求并不严格时，通常用PI调节。3.内置PID与变频器功能的预置3.1PID功能的预置⑴预置PID功能预置的内容是：变频器的PID功能是否有效。当变频器的PID调节功能有效后，其升、降速过程将完全取决于由P、I、D数据所决定的动态响应过程，而原来预置的“升速时间”和“降速时间”将不再起作用。⑵目标值XT的预置PID调节的根本依据是反馈量XF与目标值XT之间进行比较的结果。因此，准确地预置目标值XT是十分重要的。主要有以下两种方法：①面板输入式只需通过键盘输入目标值XT。其确定方法通常是：目标压力与传感器量程之比的百分数。例如，某供水系统要求的压力（目标压力）为2MPa，所用压力表的量程是0～5MPa时，则目标值为40%。②外接给定式由外接电位器进行预置，但显示屏上仍显示目标值12的百分数。在此例中选用第一种方法，此法易懂、操作简单、直观。结合ABB变频说明书PID参数设置如表一所示,其实际设定值应根据工艺要求以实际为依据。表一：启动数据设定9901语言选择1（中文）9902宏设置6（PID控制宏）9905电机额定电压380V9906电机额定电流要与实际相符9907电机额定频率要与实际相符9908电机额定转速要与实际相符9909电机额定功率要与实际相符表二：过程PID设置参数代码内容设定参数代码4006单位11（mA）4007显示格式14010给定值选择19（内部给定）4011内部给定值恒压目标值4018实际值1下限0%3.2PID调节的运行特点当变频器按P、I、D调节规律运行时，需要注意以下两点：①变频器的输出频率（ƒX）只根据实际压力(XF)与目标压力(XT)比较的结果进行调整，所以，频率的大小与被控量之间并无对应关系；②变频器的输出频率(ƒX)始终处于调整状态，因此，