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工廠供水設(shè)備系統(tǒng)變頻器PID控制應(yīng)用

2013/11/25 12:42:04??????點(diǎn)擊:

工廠供水設(shè)備系統(tǒng)變頻器PID控制應(yīng)用

 

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

      所謂工廠供水設(shè)備系統(tǒng)PID控制,就是在一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中,使被控物理量能夠迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近于控制目標(biāo)的一種手段。PID控制功能是變頻器應(yīng)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。 

      工廠供水設(shè)備系統(tǒng)變頻調(diào)速產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)人員應(yīng)該充分熟悉并掌握PID控制的基本理論。 

工廠供水設(shè)備系統(tǒng)變頻器PID控制應(yīng)用

一、工廠供水設(shè)備系統(tǒng)PID控制的實(shí)現(xiàn) 

1 .工廠供水設(shè)備系統(tǒng)PID的反饋邏輯 

      各種變頻器的反饋邏輯稱謂各不相同,甚至有類似的稱謂而含義相反的情形。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以所選用變頻器的說(shuō)明書(shū)介紹為準(zhǔn)。所謂反饋邏輯,是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測(cè)到的反饋信號(hào)對(duì)變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調(diào)系統(tǒng)中,用回水溫度控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。冬天制熱時(shí),如果回水溫度偏低,反饋信號(hào)減小,說(shuō)明房間溫度低,要求提高變頻器輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)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(hào)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(jī)轉(zhuǎn)速.減少冷水的流量。由上可見(jiàn),同樣是溫度偏低,反饋信號(hào)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、工廠供水設(shè)備系統(tǒng)打開(kāi)PID功能 

      要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的PID控制功能,首先應(yīng)將PID功能預(yù)置為有效。具體方法有兩種:一是通過(guò)變頻器的功能參數(shù)碼預(yù)置,例如,CVF-G2 系列變頻器,將參數(shù)H-48設(shè)為O時(shí),則無(wú)PID功能;設(shè)為1時(shí)為普通PID控制;設(shè)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(duì)應(yīng) ) 預(yù)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(yīng)注意的是.大部分變頻器兼有上述兩種預(yù)置方式,但有少數(shù)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(yán)格的系統(tǒng)中,有時(shí)僅使用 PI 控制功能、不啟動(dòng) D 功能就能滿足需要,這樣的系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程比較簡(jiǎn)單。 

 

3、工廠供水設(shè)備系統(tǒng)目標(biāo)信號(hào)與反饋信號(hào) 

      欲使變頻系統(tǒng)中的某一個(gè)物理量穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值上,工廠供水設(shè)備系統(tǒng)變頻器的PID功能電路將反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)不斷地進(jìn)行比較,并根據(jù)比較結(jié)果來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出頻率和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以,變頻器的 PID 控制至少需要兩種控制信號(hào):目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)。這里所說(shuō)的目標(biāo)信號(hào)是某物理量預(yù)期穩(wěn)定值所對(duì)應(yīng)的電信號(hào),亦稱目標(biāo)值或給定值;而該物理量通過(guò)傳感器測(cè)量到的實(shí)際值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)稱為反饋信號(hào),亦稱反饋量或當(dāng)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(shù)設(shè)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(yùn)行頻率; PID 功能無(wú)效時(shí),由頻率設(shè)定信號(hào)決定運(yùn)行頻率。 PID 開(kāi)關(guān)、動(dòng)作選擇開(kāi)關(guān)和反饋信號(hào)切換開(kāi)關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)置決定其工作狀態(tài)。 

 

4、工廠供水設(shè)備系統(tǒng)目標(biāo)值給定 

      如何將目標(biāo)值 ( 目標(biāo)信號(hào) ) 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(jié)起來(lái)大體上有如下兩種方案:一是自動(dòng)轉(zhuǎn)換法,即變頻器預(yù)置 PID 功能有效時(shí),其開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)的頻率給定功能自動(dòng)轉(zhuǎn)為目標(biāo)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(biāo)信號(hào)的輸入通道,接著要確定目標(biāo)值的大小。由于目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)通常不是同一種物理量。難以進(jìn)行直接比較,所以,大多數(shù)變頻器的目標(biāo)信號(hào)都用傳感器量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。例如,某儲(chǔ)氣罐的空氣壓力要求穩(wěn)定在 1 . 2MPa ,壓力傳感器的量程為 2MPa ,則與 1 . 2MPa 對(duì)應(yīng)的百分?jǐn)?shù)為 60 %,目標(biāo)值就是 60 %。而有的變頻器的參數(shù)列表中,有與傳感器量程上下限值對(duì)應(yīng)的參數(shù),例如富士 P11S 變頻器,將參數(shù) E40( 顯示系數(shù) A) 設(shè)為 2 ,即壓力傳感器的量程上限 2MPa :參數(shù) E41( 顯示系數(shù) B) 設(shè)為 0 ,即量程下限為 0 ,則目標(biāo)值為 1 . 2 。即壓力穩(wěn)定值為 1 . 2 MPa 。目標(biāo)值即是預(yù)期穩(wěn)定值的絕對(duì)值。 

 

5、工廠供水設(shè)備系統(tǒng)反饋信號(hào)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(biāo)信號(hào)的輸入通道,則其他輸入端子均可作為反饋信號(hào)的輸入端??赏ㄟ^(guò)相應(yīng)的功能參數(shù)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(hào)通道選擇見(jiàn)表 3 。 

 

6 、工廠供水設(shè)備系統(tǒng)PID參數(shù)的預(yù)置與調(diào)整 

(1) 比例增益 P 

      變頻器的PID功能是利用目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)的差值來(lái)調(diào)節(jié)輸出頻率的,一方面,我們希望目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)無(wú)限接近,即差值很小,從而滿足調(diào)節(jié)的精度:另一方面,我們又希望調(diào)節(jié)信號(hào)具有一定的幅度,以保證調(diào)節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號(hào)進(jìn)行放大。比例增益P就是用來(lái)設(shè)置差值信號(hào)的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù)P都給出一個(gè)可設(shè)置的數(shù)值范圍,一般在初次調(diào)試時(shí),P可按中間偏大值預(yù)置.或者暫時(shí)默認(rèn)出廠值,待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再按實(shí)際情況細(xì)調(diào)。 

(2) 積分時(shí)間 

      如上所述.比例增益P越大,調(diào)節(jié)靈敏度越高,但由于傳動(dòng)系統(tǒng)和控制電路都有慣性,調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳值時(shí)不能立即停止,導(dǎo)致“超調(diào)”,然后反過(guò)來(lái)調(diào)整,再次超調(diào),形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié)I,其效果是,使經(jīng)過(guò)比例增益P放大后的差值信號(hào)在積分時(shí)間內(nèi)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(zhǎng),又會(huì)當(dāng)反饋信號(hào)急劇變化時(shí),被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此,I的取值與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān):拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí),積分時(shí)間應(yīng)短些;拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí),積分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。 

(3) 微分時(shí)間 D 

      微分時(shí)間 D 是根據(jù)差值信號(hào)變化的速率,提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作,從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間,克服因積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而使恢復(fù)滯后的缺陷。 D 的取值也與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān):拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí),微分時(shí)間應(yīng)短些;反之,拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí), 微分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。 

(4)、PID參數(shù)的調(diào)整原則 

      PID參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的,運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào):被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩,首先加大積分時(shí)間 I ,如仍有振蕩,可適當(dāng)減小比例增益 P 。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù),首先加大比例增益 P ,如果恢復(fù)仍較緩慢,可適當(dāng)減小積分時(shí)間 I ,還可加大微分時(shí)間 D 。 

 

二、工廠供水設(shè)備系統(tǒng)PlD應(yīng)用實(shí)例 

1 .項(xiàng)目描述 

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

      對(duì)于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)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(jù),利用溫差控制器的PID功能,輸出變頻器的頻率給定信號(hào),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(jù)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(jī)的出水溫度比較穩(wěn)定,只要測(cè)量系統(tǒng)的回水溫度,利用變頻器的PID功能.即可實(shí)現(xiàn)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(yīng)用于夏天制冷。 

2 .應(yīng)用電路 

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

      冷凍水循環(huán)水泵在運(yùn)行中不允許停機(jī).所以對(duì)參數(shù) P16 和 P105 進(jìn)行設(shè)置。變頻器的其他有效應(yīng)用參數(shù)在表 4 中沒(méi)有列出,默認(rèn)使用出廠值。 測(cè)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(cè)量范圍設(shè)置為 0 ~ 100 ℃ ,相應(yīng)的輸出信號(hào)為 0-5V ,即溫度為 100 ℃ 時(shí)輸出 5V 電壓信號(hào), 0 ℃ 時(shí)輸出 0V 電壓信號(hào),這與參數(shù) P99 設(shè)定的反饋信號(hào)選擇相吻合。這個(gè)測(cè)溫輸出信號(hào)就是對(duì)變頻器的反饋信號(hào)。 

3 .應(yīng)用效果變頻器與空調(diào)系統(tǒng)安裝完成后,投入正式運(yùn)行,獲得節(jié)約 30 %電能與房間溫度穩(wěn)定的良好效果。 

 

 

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