第一篇：變頻恒壓供水系統(tǒng)與PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇解讀

順 德 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) Journal of Shunde Polytechnic 收稿日期 :2011-08-03作者簡(jiǎn)介 :張

琳(1978— ,女,黑龍江省佳木斯市人,講師,碩士,研究方向:電子、自動(dòng)控制、通信與信息系統(tǒng)。

變頻恒壓供水系統(tǒng)與 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 張 琳

(天津?yàn)I海職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系 , 天津 300451 摘 要 :介紹基于愛(ài)默生 TD2100變頻器(內(nèi)置 PID 調(diào)節(jié)器 組成的變頻恒壓供水系

統(tǒng) , 其主要用于高層樓宇的供水 , 系統(tǒng)由變頻器、壓力傳感器等組成 , 具有優(yōu)良的節(jié)能 作用和穩(wěn)定可靠的運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞 :變頻器;PID 調(diào)節(jié)器;恒壓供水 中圖分類號(hào) :TP214;TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :B 文章編號(hào) :1672-6138(2011 04-0007-03 DOI :10.3969/j.issn.1672-6138.2011.04.003 科技與應(yīng)用

Vol.9No.4Oct.2011 變頻恒壓供水系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑中普遍采用的一種水 處理系統(tǒng),隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們節(jié)能意識(shí)的 不斷增強(qiáng),變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能特性使得其越來(lái)越 廣泛應(yīng)用于住宅小區(qū)、高層建筑的生活及消防供水系 統(tǒng)。本文介紹了基于愛(ài)默生 TD 2100變頻器(內(nèi)置 PI D 調(diào)節(jié)器 組成的變頻恒壓供水系統(tǒng),為達(dá)到系統(tǒng)最佳的 動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能,如何選擇 PI D 調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

1變頻恒壓供水系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由壓力傳感器、變頻器、供水泵組、供水

管路等組成,系統(tǒng)主要設(shè)備采用愛(ài)默生 TD 2100供水 專 用 變 頻 器 , 內(nèi) 置 PI 調(diào) 節(jié) 器 和 電 機(jī) 專 用 控 制 芯 片 D SP+CPLD +M CU ,無(wú)需配置 PLC 或供水控制器,即可實(shí) 現(xiàn)多種常用供水控制專用功能?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖 1所示。

愛(ài)默生 TD 2100變頻器功能強(qiáng)大 [1],比較適用于簡(jiǎn)單 的恒壓、恒流供水系統(tǒng)的水泵變頻調(diào)速控制。該變頻器 可靈活編程設(shè)定給定信號(hào)與反饋信號(hào)的類型及比率, PI D 等閉環(huán)控制參數(shù),漸變頻率啟泵與停泵的漸變延時(shí)

時(shí)間,最大、最小工作頻率及其他運(yùn)行參數(shù),具有很強(qiáng) 的設(shè)備超限運(yùn)行及安全保證功能等等。

變頻器的基本運(yùn)行工作參數(shù)如下:F 05=50;最大輸出頻率:50H z;F 06=50;基本運(yùn)行頻率 50H z;F 07=380;最大輸出電壓:380V;F 10=10;加速時(shí)間 10s;F 11=10;減速時(shí)間 10s;F 12=50;上限頻率 50H z;F 13=25;下限頻率 25H z;F 24=1;運(yùn)行方式:普通供水 PI閉環(huán);F 25=1;供水模式:1表示先起先停的 2臺(tái)變頻循 環(huán)泵控制方式;

F 34=30;泵投切判斷時(shí)間 30s;F 37=0.060;上限壓力限定值 60K Pa;F 38=0.000;下限壓力限定值 0K Pa;F 39=0.070;超壓力保護(hù)值 70K Pa;F 41=5;超欠壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)間 5s;系統(tǒng)中采用了 K Y B 壓力變送器:量程為 0~100K pa, 24V D C 電源,精度 0.5級(jí),輸出為 20m A。

2系統(tǒng)主電路接線圖

系統(tǒng)主電路接線圖如圖 2所示。生活水系統(tǒng)的控制

對(duì)象為兩臺(tái)常規(guī)水泵即為變頻水泵,兩臺(tái)水泵可以作為 一主一備使用,也可同時(shí)使用;當(dāng)供水系統(tǒng)在較小的壓 力范圍內(nèi)工作時(shí),一臺(tái)變頻水泵能夠滿足系統(tǒng)的供水流

圖 1 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) Pc 機(jī) 狀態(tài)指示燈

TD 2100供水 專用變頻器 壓力變送器 繼 電 器 組

變頻泵 1變頻泵 2消防泵 休眠小泵 第 9卷 第 4期 2011年 10月 7

順 德 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 第 9卷

圖 2主電路接線圖

量和壓力需求時(shí),另一臺(tái)水泵就可以作為備用泵使用, 當(dāng)一臺(tái)泵的壓力和流量滿足不了供水系統(tǒng)需求時(shí),可以 同時(shí)啟動(dòng)另一臺(tái)水泵工作。兩臺(tái)水泵工作在變頻循環(huán)方 式:即系統(tǒng)在第一次啟動(dòng)時(shí),常規(guī)泵 1變頻運(yùn)行一直到(50H z ,當(dāng)壓力數(shù)值仍達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)定壓力時(shí),常規(guī) 泵 1工頻運(yùn)行,常規(guī)泵 2變頻啟動(dòng)運(yùn)行,直到滿足系統(tǒng) 壓力設(shè)定值。系統(tǒng)停機(jī)后,下次啟動(dòng)將從常規(guī)泵 2啟動(dòng) 變頻運(yùn)行,然后切換到工頻,再啟動(dòng)常規(guī)泵 1變頻運(yùn) 行。如此循環(huán),即為先起先停方式的變頻循環(huán)模式。

3系統(tǒng)工作原理 [2] 安裝于供水母管或主管道上的壓力傳感器變送器將 供水管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)換成 4￣20m A(0￣20m A , 0￣l 0V 等 的標(biāo) 準(zhǔn)電信號(hào),送到 PI D 調(diào)節(jié)器(或過(guò)程控制器、PLC, D CS 等 ,經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后仍以標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的形式送到變頻器 并作為變頻器調(diào)速給定信號(hào),也可將壓力傳感器變送器 的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)直接送到具有內(nèi)置 PI D 調(diào)節(jié)功能的變頻器;變頻器根據(jù)調(diào)整的給定信號(hào)或通過(guò)對(duì)壓力傳感變送器的 標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后,決定其輸出頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū) 動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)供水的水量及供水壓 力調(diào)節(jié),最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)供水管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)(即實(shí)現(xiàn)了 恒壓供水。為了使該系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中有更好的穩(wěn)態(tài)和 動(dòng)態(tài)性能,必須合理選擇變頻器 PI閉環(huán)控制功能參數(shù)。

4變頻器內(nèi)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 [3] 目前工業(yè)控制中,應(yīng)用最廣泛、使用最多的反饋方 式之一是 PI D 控制方式。PI D 控制適用于壓力、流量、溫度等過(guò)程量的控制。PI D 控制器算法的形式為:

根據(jù)設(shè)定值 R(t 與反饋值(傳感器測(cè)量值 C(t 計(jì) 算所得的偏差值: e(t =R(t-C(t PI D 控制器將計(jì)算所得到的偏差的比例(P、積分(I 和微分(D 通過(guò)線性組合形成控制量,近而對(duì)被控對(duì)象

進(jìn)行控制。其控制規(guī)律用公式可表示為: u(t =K p [e(t +1 T i τ 乙 e(t +T d d e(t d(t ] u(t =1[e(t +1 i τ 乙 e(t +T d d e(t ]上述公式中參數(shù) u 為輸出, T i 為積分時(shí)間, K p 為比 例系數(shù), T d 為微分時(shí)間, e 為偏差信號(hào)值, δ比例帶,即 慣用增益的倒數(shù)。

在 PI D 控制模式中,變頻器根據(jù)比較給定值(設(shè)定 值 和實(shí)際值(反饋值 ,自動(dòng)調(diào)整輸出頻率。兩種信 號(hào)的差值稱作偏差值。典型的 PI D 控制應(yīng)用于例如根據(jù) 實(shí)際的壓力、流量或溫度調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？筛鶕?jù)不同 的情況將各種傳感器信號(hào)

連接到變頻器的模擬信號(hào)輸入 端,在水泵供水系統(tǒng)中,一般在外部使用壓力傳感器將 壓力信號(hào)連接到變頻器上,變頻器根據(jù)模擬信號(hào)的大 小,通過(guò)其內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)字信 號(hào),近而控制水泵的運(yùn)行與停止。在本系統(tǒng)使用的變頻 器,已經(jīng)具有了 PI D 調(diào)節(jié)器。該變頻器每日可設(shè)定多段 壓力運(yùn)行,以適應(yīng)供水壓力的需要。也可設(shè)定指定日供 水壓力控制。面板可以直接顯示壓力反饋值(M Pa。這 樣通過(guò)變頻器的控制面板,在變頻器的 PI D 選項(xiàng)中選擇 合適的 PI D 參數(shù),并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試校正,就可以滿足管 網(wǎng)變頻調(diào)速恒壓供水的要求。

由于樓層中人群數(shù)量和用水時(shí)段的不同,樓層用水 量一般是不穩(wěn)定的,供水壓力處于實(shí)時(shí)的變換過(guò)程中, 所以在用水壓力的變換過(guò)程中,恒壓供水系統(tǒng)的閉環(huán)控 制器一定要能及時(shí)的跟蹤壓力變化過(guò)程,這就需要閉環(huán) 控制系統(tǒng)不但要有較好的穩(wěn)定性,還要有較好的動(dòng)態(tài)性?；谝陨弦?此系統(tǒng)采用比例積分(PI 調(diào)節(jié),既能消除 穩(wěn)態(tài)誤差,又能產(chǎn)生較積分調(diào)節(jié)快得多的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。對(duì) 于一些調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、負(fù)荷變化不很大的調(diào)節(jié) 系統(tǒng),例如流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以得到較好 的效果。微分調(diào)節(jié)

(D 用于超前校正,用于大慣性調(diào)節(jié), 而水壓變化較快,不能用微分調(diào)節(jié)。變頻恒壓供水系統(tǒng) 控制框圖如圖 3所示,PI D 主要參數(shù)設(shè)置如表 1。

管網(wǎng)壓力的設(shè)置主要由 PI閉環(huán)控制功能參數(shù)決定, 其設(shè)置如下:先設(shè) F 87=1(顯示功能碼 F 88~F 105 ,再 設(shè)定控制壓力為 20K Pa(F 97=0.020;多次調(diào)整比例增 益和積分時(shí)間,并重新運(yùn)行系統(tǒng),比較每次系統(tǒng)壓力基

三 相 380V A B C D X 0 D X 1K M 1 K M 2

D X 2FR 1 FR 2 K M 4 K M 3 M 1 M 2 T S R W U V 變頻器 圖 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制框圖 給定壓力 P 壓差 PI 頻率 f 轉(zhuǎn)速 n 實(shí)際壓力 V V V F M 管網(wǎng) 壓力傳感器 P 第 4期 圖 4 管網(wǎng)壓力的實(shí)時(shí)曲線

張 琳 :變頻恒壓供水系統(tǒng)與 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇

本穩(wěn)定后,測(cè)量數(shù)值與設(shè)定數(shù)值之間的偏差百分比,當(dāng) 比 例 增 益 為 P =500.0%(F 98=500.0 , 積 分 時(shí) 間 T i =1s(F 99=1 時(shí)控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性。利用 上位機(jī)軟件可觀察實(shí)際測(cè)量數(shù)值與設(shè)定數(shù)值之間的關(guān) 系,并可得到管網(wǎng)壓力的實(shí)時(shí)曲線,如圖 4所示。

從圖 4管網(wǎng)壓力的實(shí)時(shí)曲線中可觀察到橫坐標(biāo)為時(shí) 間軸,縱坐標(biāo)為管網(wǎng)壓力值,綠色曲線為管網(wǎng)壓力變化 的實(shí)時(shí)曲線,橫向的水平紅色直線為管網(wǎng)的設(shè)定壓力值 20K Pa。從圖中可知,系統(tǒng)從開(kāi)始運(yùn)行經(jīng)過(guò)大約 2m i n 達(dá)到管網(wǎng)設(shè)定壓力值,即系統(tǒng)的上升時(shí)間為 2m i n,說(shuō) 明系統(tǒng)具有較好的快速性,能比較迅速的達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。系統(tǒng)的峰值(最大值 為 23K Pa,系統(tǒng)的最大超調(diào)量為 15%,說(shuō)明系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。由此可知當(dāng)變頻恒 壓供水系統(tǒng)中的 PI D 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置合理時(shí) F 98=500.0, F 99=1供水系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性。

該系統(tǒng)中 PI D 參數(shù)的在線調(diào)試非常容易。這不僅降 低了生產(chǎn)成本,而且大大提高了生產(chǎn)效率 [4]。由于變頻 器內(nèi)部自帶的 PI D 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法,所以使水壓 的調(diào)節(jié)十分平滑、穩(wěn)定。為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn) 確、不失值,可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù),同時(shí)還可 對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算。

該供水系統(tǒng)滿足了變頻恒壓供水系統(tǒng)中的基本要 求,利用改變系統(tǒng)中 PI D 調(diào)節(jié)器的參數(shù),使系統(tǒng)能夠快 速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,并能在設(shè)定的壓力值下穩(wěn)定工作,使系 統(tǒng)具

有較好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能,在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)需求壓力降 低時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低,泵出口流量減少,電動(dòng)機(jī)的消 耗功率大幅度下降從而達(dá)到節(jié)能的目的,是一種真正節(jié) 能的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。

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***00101102103104 名稱

最小給定量 最小給定量對(duì)應(yīng)的反饋量 最大給定量

最大給定量對(duì)應(yīng)的反饋量 壓力指令 比例增益 P 積分時(shí)間 T i 微分時(shí)間 T d 采樣周期 T 偏差容限

模擬給定濾波時(shí)間常數(shù) 模擬反饋濾波時(shí)間常數(shù) 設(shè)定范圍 0.0%￣100.0% 0.0%￣100.0%F91的值 ￣100.0% 0.0%￣100.0%0.000￣M i n{F37, 9.999M Pa}0.0%￣999.9%

0.0(無(wú)積分效果 ￣100.0s 0.0(無(wú)微分效果 ￣100.0s 0.1￣100.0s 0.0%￣20.0%(相對(duì)于閉環(huán)給定值 0.1￣5.0s 0.1￣5.0s 設(shè)定值

0.020%100.0%100.0% 0.400M Pa 500.0%1.0s 0.0s 0.1s 0.0% 0.5s 0.5s 表 1 PID 主要參數(shù)設(shè)置 4032 241680 19:57:57 09:59:3310:01:0910:02:4510:04:2110:05:57 20.00 2011:06:1609:059:57 管 網(wǎng) 壓 力 /K P a t /m i n Frequency-Control Constant-Pressure Water Supply System and the Choice of PID Regulator Parameters ZH A N G Li n

(TianjinBinhai Professional College, Tianjin 300451,China Abstract :Thi s paperi s an i nt r oduct i on t o a f r equency-cont r olconst ant-pr essur e wat ersuppl y syst em ,whi ch i s based on t he TD 2100f r equency conver t erwi t h PI D r egul at orpar am et er s.The syst em ,whi ch i s m ade up ofa f r equency conver t erand pr essur e sensor s, et c.,has been m ai nl y used t o suppl y wat erf ort al lbui l di ngs,and i s f ound t o be ener gy-savi ng,st abl e and dependabl e.Key words:f r equency conver t er;PI D;const antpr essur e wat ersuppl y 9