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变频器内置PID功能在恒压供水设备中的应用目录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┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄
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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____┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄161.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__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__,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,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__转换成电压__或电流__(在本例中转换成的是电流__)该__在控制系统中作为反馈__输入到变频器的模拟输入端AI2所以,反馈__也就是实测的压力__,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__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__的PID调节器PID1和PID2PID1可设置两套参数,通过PID2可控制一个__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__、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4~20__两线制输出的电流__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__于目标__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__减小,合成__(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__增大,合成__则减小,PID产生负的调节量,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__XD=|XT-XF|;经过PID调节处理后成为频率给定__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所示图3端子接线图
2.
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__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__XG=KPXT-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__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6a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6b所示 a P调节 b 振荡现象c PI调节 d PID调节图6 P、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__XG的变化与乘积KPXT-XF对时间的积分成正比即尽管KPXT-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6c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6d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(__)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,其数值常不稳定
3.3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0-20__的,有4-20__的,以实际为准以ABB变频ACS510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20%1305AI2上限100%表五限幅设定2001最小转速02002最大转速电机额定转速2003最大电流
1.5In
3.4 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
① 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%~45%(相当于压力的上限,即4023的设定值)
② 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%PAGE12。