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

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1、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

2、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恒压供水目录1 .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 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 4-42.1系统构成42.1.1 ACS510 变频器概述 52.1.2系统中的感压元件 42.2系统运行中的三个状态 62.3 PID控制概述 4-42.3.1 系统的工作过程42.3.2 PID 的调

3、节原理43. 内置PID与变频器功能的预置 44443.1 PID功能的预置 43.2 PID调节的运行特点123.3 变频器参数预置 143.4 暂停（睡眠与苏醒）功能 14-4总结 44致谢 44参考文献1671. 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：

4、如 QGQ,U贝S pf;如 QGQU时，则供水压力 p f XFf XDJ ?XJ电动机转速 n XJ QGt QG=QUl 至压 力大小回复到目标值（XFXT）,从而达到平衡；反之当用水流量 增加使 Q&QU时，贝卩 pJ XFJ XDf ?Xf nXf QGT QG =QIXF-XT,又达到新的平衡。因此，供水系统总是根据用户的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

5、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：PI礎制宏该应用妄用于多种闭环控制系统，如压力控制勺流量控制 等。要闌用它设置泰数巧M的值为旗FID CTRL）TaaH倡寻也蝮叶声厳髯l凤皑端1斤部簪定】（41風忡部趨抚！ CJJDl :山】Qf1AGdDToT AJ J WU2flJ W2爭肴应E】D耳DC去阳gg 皿7！EX 嶽叔肾A駛晌金井端 删圍1：几却砧应1蜒：EIDnA 嶽握输岀也粉仝井铺注炉-*rnt 札lit? MCU常貓颂留岀和*切匚 軸賭也骼出的亞迪端 阶打歡丰出A的金井锚 启詩瞬丰（+1 :碍出轻詩 EDH口 12这莓：殆也匪那FD桂制. 唱建斓

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7、3 端子接线图9比例带的概念(b)232 PID的调节原理 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？X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。 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二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

8、节。另一方面，XG又是使变频器输出某一频率?X所 必须的信号。显然，KP越大，则(XT-XF)=越小，XF越接近于XT。g _ 工&(a)输出与输入的比例关系图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，用表示。该值应该越小越好。 显然，比例增益KP越大，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

9、，如图6(a) 所示。于是又出现了新的矛盾：为了减小静差，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。P(c) PI 调节(d) PID 调节图6 P、丨、D的综合作用示意图 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-XF0)，积分就不停止，从而有效地消除静差，如图6(c)所

10、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。 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3.1 PID功能的预置预置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。目标值XT的预置PID调节的根本依据是反

11、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： 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 05MPa时，则目 标值为40% 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仲文）9902宏设置6 （PID控制宏）9905电机

12、额定电压380V9906电机额定电流要与实际相符9907电机额疋频率要与实际相符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 (mA4007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%3.2 PID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： 变频器的输出频率（？X）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； 变频器的输出频率（?X）始终处于调整状态，因此，其数值常不稳3.3

13、变频器参数预置对变频器参数的预置，首先要把调速对象泵铭牌上的基本参数（如电压、电流、功率、转速等）对照选用变频器的参数表输入到 变频器中去，其次要对模拟输入进行设置，模拟量有0-20mA的，有4-20mA的，以实际为准。以ABB变频ACS51Q系列为例，参数见 下表：表三：给定选择设定1102外部控制选择21103给定值1选择11104给定值1下限0Hz / 0rpm1105给定值1上限50Hz /额定转速rpm1106给定值2选择19 （内部PID给定）1107给定值2下限20%1108给定值2上限100%表四：模拟输入设定1301AI1下限0%1302AI1上限100%1304AI2下限2

14、0%1305AI2上限100%表五：限幅设疋2001最小转速02002最大转速电机额定转速2003最大电流1.5In3.4 暂停（睡眠与苏醒）功能在实际生产过程中有时用水量会很小甚至用水量为零，使变频器一直处于低速运转既浪费了能源也对设备会造成一定程度的寿 命损失，因此在这种情况下需要让变频器休眠， 直到压力下降到一 定程度时才允许变频启动。睡眠功能当变频器的工作频率已经降至下限频率，而压 力仍偏高时，水泵应暂停工作（使变频器处于睡眠状态）。以ABB 的ACS510系列变频器为例，当压力传感器的量程为 1MPa而所要 求的供水压力为0.4MPa时，则目标值为40% “睡眠值”可设定 为41%-

15、45% （相当于压力的上限，即4023的设定值）。 苏醒功能 当水管中的压力小于某一下限值时，应使系统中止 睡眠而重新开始工作（即中止暂停或称之为“苏醒”），苏醒值可 设定为15%- 19%总结随着科技的进步，变频器的功能将会越来越强大，应用范围也 会随之越来越广，合理选用具有内置功能的变频器将会给人们带来 很大的便捷。本文以ABB生产的ACS510系列变频器为例，简单的讲述了变 频器内置PID控制的恒压供水系统以及一些参数的设置， 只要功能 选用的合理，在实际的整个过程中最重要的环节就是根据具体的工 艺要求合理的设置参数，强大的内置功能使人们省去了繁杂的计算 与操作，使工作过程更简易化。15

16、致谢来公司的这几年里我学到了不少的东西，使我的技术能力有了 日新月易的变化，尤其是实践能力，这些都是无法从书本中学到的。 而所有的这一切都是在公司的大家庭里所享受到的温暖，在这个大家庭里有领导的栽培，有师父的教诲，有同事的帮助，才使我有了 今天的成绩，在这里我对你们说一声谢谢！同时也感谢家人对我的 支持，有了你们的支持我才能在外安心的工作。在今后我会更加的努力工作，用我的工作成绩来感谢温暖，感谢亲情!参考文献1. 盛克仁.过程测量仪表.化学工业出版社.2001.3.第一版2. 乐嘉谦.仪表工手册.化学工业出版社.19984 第一版3. 仇慎谦.PID调节规律和过程控制.江苏科学技术出版社.1987.12第一版4. ABB公司生产的ACS510系列变频器说明书