工廠(chǎng)供水設備系統變頻器PID控制應用

      企業(yè)在生產(chǎn)中，往往需要有穩定的壓力、溫度、流量、液位或轉速，以此作為保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、滿(mǎn)足工藝要求的前提，這就要用到變頻器的PID控制功能。 

      所謂工廠(chǎng)供水設備系統PID控制，就是在一個(gè)閉環(huán)控制系統中，使被控物理量能夠迅速而準確地無(wú)限接近于控制目標的一種手段。PID控制功能是變頻器應用技術(shù)的重要領(lǐng)域之一，也是變頻器發(fā)揮其卓越效能的重要技術(shù)手段。 

      工廠(chǎng)供水設備系統變頻調速產(chǎn)品的設計、運行、維護人員應該充分熟悉并掌握PID控制的基本理論。 

一、工廠(chǎng)供水設備系統PID控制的實(shí)現 

1 ．工廠(chǎng)供水設備系統PID的反饋邏輯 

      各種變頻器的反饋邏輯稱(chēng)謂各不相同，甚至有類(lèi)似的稱(chēng)謂而含義相反的情形。系統設計時(shí)應以所選用變頻器的說(shuō)明書(shū)介紹為準。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調系統中，用回水溫度控制調節變頻器的輸出頻率和水泵電機的轉速。冬天制熱時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說(shuō)明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機轉速，加大熱水的流量；而夏天制冷時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說(shuō)明房間溫度過(guò)低，可以降低變頻器的輸出頻率和電機轉速．減少冷水的流量。由上可見(jiàn)，同樣是溫度偏低，反饋信號減小，但要求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。幾種變頻器反饋邏輯的功能選擇見(jiàn)表 1 。 

2、工廠(chǎng)供水設備系統打開(kāi)PID功能 

      要實(shí)現閉環(huán)的PID控制功能，首先應將PID功能預置為有效。具體方法有兩種：一是通過(guò)變頻器的功能參數碼預置，例如，CVF-G2 系列變頻器，將參數H-48設為O時(shí)，則無(wú)PID功能；設為1時(shí)為普通PID控制；設為2時(shí)為恒壓供水PID。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態(tài)決定。例如CIMR-G A系列變頻器，在多功能輸入端子Sl-S10中任選一個(gè)，將功能碼H1-01～H1-10( 與端子 S1-S10 相對應 ) 預置為19，則該端子即具有決定PId控制是否有效的功能，該端子與公共端子 SC “ ON ”時(shí)無(wú)效，“ OFF ”時(shí)有效。應注意的是．大部分變頻器兼有上述兩種預置方式，但有少數品牌的變頻器只有其中的一種方式。 

      在一些控制要求不十分嚴格的系統中，有時(shí)僅使用 PI 控制功能、不啟動(dòng) D 功能就能滿(mǎn)足需要，這樣的系統調試過(guò)程比較簡(jiǎn)單。 

3、工廠(chǎng)供水設備系統目標信號與反饋信號 

      欲使變頻系統中的某一個(gè)物理量穩定在預期的目標值上，工廠(chǎng)供水設備系統變頻器的PID功能電路將反饋信號與目標信號不斷地進(jìn)行比較，并根據比較結果來(lái)實(shí)時(shí)地調整輸出頻率和電動(dòng)機的轉速。所以，變頻器的 PID 控制至少需要兩種控制信號：目標信號和反饋信號。這里所說(shuō)的目標信號是某物理量預期穩定值所對應的電信號，亦稱(chēng)目標值或給定值；而該物理量通過(guò)傳感器測量到的實(shí)際值對應的電信號稱(chēng)為反饋信號，亦稱(chēng)反饋量或當前值。 PID 控制的功能示意圖見(jiàn)圖 2 。圖中有一個(gè) PID 開(kāi)關(guān)?？赏ㄟ^(guò)變頻器的功能參數設置使 PID 功能有效或無(wú)效。 PID 功能有效時(shí)，由 PID 電路決定運行頻率； PID 功能無(wú)效時(shí)，由頻率設定信號決定運行頻率。 PID 開(kāi)關(guān)、動(dòng)作選擇開(kāi)關(guān)和反饋信號切換開(kāi)關(guān)均由功能參數的設置決定其工作狀態(tài)。 

4、工廠(chǎng)供水設備系統目標值給定 

      如何將目標值 ( 目標信號 ) 的命令信息傳送給變頻器，各種變頻器選擇了不同的方法，而歸結起來(lái)大體上有如下兩種方案：一是自動(dòng)轉換法，即變頻器預置 PID 功能有效時(shí)，其開(kāi)環(huán)運行時(shí)的頻率給定功能自動(dòng)轉為目標值給定．如表 2 中的安川 CIMR-G 7A 與富士 P11S 變頻器。二是通道選擇法，如表 2 中的康沃 CVF-G2 、森蘭 SB12 和普傳 P17000 系列變頻器。 

      以上介紹了目標信號的輸入通道，接著(zhù)要確定目標值的大小。由于目標信號和反饋信號通常不是同一種物理量。難以進(jìn)行直接比較，所以，大多數變頻器的目標信號都用傳感器量程的百分數來(lái)表示。例如，某儲氣罐的空氣壓力要求穩定在 1 ． 2MPa ，壓力傳感器的量程為 2MPa ，則與 1 ． 2MPa 對應的百分數為 60 ％，目標值就是 60 ％。而有的變頻器的參數列表中，有與傳感器量程上下限值對應的參數，例如富士 P11S 變頻器，將參數 E40( 顯示系數 A) 設為 2 ，即壓力傳感器的量程上限 2MPa ：參數 E41( 顯示系數 B) 設為 0 ，即量程下限為 0 ，則目標值為 1 ． 2 。即壓力穩定值為 1 ． 2 MPa 。目標值即是預期穩定值的絕對值。 

5、工廠(chǎng)供水設備系統反饋信號的連接 

      各種變頻器都有若干個(gè)頻率給定輸入端，在這些輸入端子中，如果已經(jīng)確定一個(gè)為目標信號的輸入通道，則其他輸入端子均可作為反饋信號的輸入端?？赏ㄟ^(guò)相應的功能參數碼選擇其中的一個(gè)使用。比較典型的幾種變頻器反饋信號通道選擇見(jiàn)表 3 。 

6 、工廠(chǎng)供水設備系統PID參數的預置與調整 

(1) 比例增益 P 

      變頻器的PID功能是利用目標信號和反饋信號的差值來(lái)調節輸出頻率的，一方面，我們希望目標信號和反饋信號無(wú)限接近，即差值很小，從而滿(mǎn)足調節的精度：另一方面，我們又希望調節信號具有一定的幅度，以保證調節的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進(jìn)行放大。比例增益P就是用來(lái)設置差值信號的放大系數的。任何一種變頻器的參數P都給出一個(gè)可設置的數值范圍，一般在初次調試時(shí)，P可按中間偏大值預置．或者暫時(shí)默認出廠(chǎng)值，待設備運轉時(shí)再按實(shí)際情況細調。 

(2) 積分時(shí)間 

      如上所述．比例增益P越大，調節靈敏度越高，但由于傳動(dòng)系統和控制電路都有慣性，調節結果達到最佳值時(shí)不能立即停止，導致“超調”，然后反過(guò)來(lái)調整，再次超調，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節I，其效果是，使經(jīng)過(guò)比例增益P放大后的差值信號在積分時(shí)間內逐漸增大 ( 或減小 ) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時(shí)間I太長(cháng)，又會(huì )當反饋信號急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復。因此，I的取值與拖動(dòng)系統的時(shí)間常數有關(guān)：拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較小時(shí)，積分時(shí)間應短些；拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較大時(shí)，積分時(shí)間應長(cháng)些。 

(3) 微分時(shí)間 D 

      微分時(shí)間 D 是根據差值信號變化的速率，提前給出一個(gè)相應的調節動(dòng)作，從而縮短了調節時(shí)間，克服因積分時(shí)間過(guò)長(cháng)而使恢復滯后的缺陷。 D 的取值也與拖動(dòng)系統的時(shí)間常數有關(guān)：拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較小時(shí)，微分時(shí)間應短些；反之，拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較大時(shí)， 微分時(shí)間應長(cháng)些。 

(4)、PID參數的調整原則 

      PID參數的預置是相輔相成的，運行現場(chǎng)應根據實(shí)際情況進(jìn)行如下細調：被控物理量在目標值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間 I ，如仍有振蕩，可適當減小比例增益 P 。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復，首先加大比例增益 P ，如果恢復仍較緩慢，可適當減小積分時(shí)間 I ，還可加大微分時(shí)間 D 。 

二、工廠(chǎng)供水設備系統PlD應用實(shí)例 

1 ．項目描述 

      選用變頻器，利用其PID功能對某辦公樓中央空調的冷凍水循環(huán)系統進(jìn)行自動(dòng)控制。 

      對于冷凍水循環(huán)系統的控制方式，有以下幾種方案可供選擇： 

      一是恒溫差控制，就是以回水溫度和出水溫度之差作為控制依據，利用溫差控制器的PID功能，輸出變頻器的頻率給定信號，這種方案無(wú)須啟用變頻器的PID功能。 

      二是恒壓差控制，即根據冷凍水泵的出水壓力和進(jìn)水壓力之差進(jìn)行控制。 

      三是恒溫度控制。如果冷凍主機的出水溫度比較穩定，只要測量系統的回水溫度，利用變頻器的PID功能．即可實(shí)現與恒溫差控制相同的控制效果。本實(shí)例選用的是這種方案，應用于夏天制冷。 

2 ．應用電路 

      應用電路變頻器為規袼為 30kW ，其參數設置見(jiàn)表 4 。設置時(shí)首先通過(guò) P126( 見(jiàn)表 4) 使所有參數恢復出廠(chǎng)值，這樣做的好處是，盡管該變頻器的參數有一百多個(gè)，但有相當一部分在本實(shí)例中并無(wú)實(shí)際意義；而有用的參數又有一部分可以 默認使用出廠(chǎng)值。這使得參數設置變得相對簡(jiǎn)單。參數 P98 的設置 ( 見(jiàn)表 4) 使． PID 功能有效，反饋邏輯為正動(dòng)作。創(chuàng )世變頻器有專(zhuān)用的反饋信號輸入通道，即 PID ／ FBl 和 GND 端子 ( 見(jiàn)圖 3) ，由參數 P99 設定反饋信號為電壓輸入 0 ～ 5V 。目標信號由參數． P03 設定，由于參數 P103 和 P104 已設定了溫度傳感器的量程上限和下限，所以這里可設定回水期望的溫度絕對值，具體數值，可比出水溫度高 5 -10 ℃ ，根據空調房間的降溫要求確定。 

      冷凍水循環(huán)水泵在運行中不允許停機．所以對參數 P16 和 P105 進(jìn)行設置。變頻器的其他有效應用參數在表 4 中沒(méi)有列出，默認使用出廠(chǎng)值。 測溫儀為廈門(mén)恩萊公司的 XST 型自動(dòng)化儀表，將儀表的溫度測量范圍設置為 0 ～ 100 ℃ ，相應的輸出信號為 0-5V ，即溫度為 100 ℃ 時(shí)輸出 5V 電壓信號， 0 ℃ 時(shí)輸出 0V 電壓信號，這與參數 P99 設定的反饋信號選擇相吻合。這個(gè)測溫輸出信號就是對變頻器的反饋信號。 

3 ．應用效果變頻器與空調系統安裝完成后，投入正式運行，獲得節約 30 ％電能與房間溫度穩定的良好效果。