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

1、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

2、供水 中圖分類號 :TP214; TM921.51文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :B文章編號 :1672-6138(2011 04-0007-03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 、

3、 供水泵組 、 供水管路等組成,系統(tǒng)主要設(shè)備采用愛默生 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 。 控制結(jié)構(gòu)如圖 1所示 。愛默生 TD 2100變頻器功能強(qiáng)大 1,比較適用于簡單 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)定給定信號與反饋信號的類型及比率, 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 。

4、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

5、;超壓力保護(hù)值 70K Pa; F 41=5;超欠壓保護(hù)動作時(shí)間 5s;系統(tǒng)中采用了 K Y B 壓力變送器:量程為 0100K pa, 24V D C 電源,精度 0. 5級,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)的控制對象為兩臺常規(guī)水泵即為變頻水泵,兩臺水泵可以作為 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

6、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),另一臺水泵就可以作為備用泵使用, 當(dāng)一臺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)啟動另一臺水泵工作 。 兩臺水泵工作在變頻循環(huán)方 式:即系統(tǒng)在第一次啟動時(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,下次啟動將從常規(guī)泵 2啟動 變頻運(yùn)行,然后切換到工頻,再啟動常規(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)

7、壓力轉(zhuǎn)換成 420m A (020m A , 0l 0V 等 的標(biāo) 準(zhǔn)電信號,送到 PI D 調(diào)節(jié)器(或過程控制器 、 PLC, D CS 等 ,經(jīng)過運(yùn)算處理后仍以標(biāo)準(zhǔn)信號的形式送到變頻器 并作為變頻器調(diào)速給定信號,也可將壓力傳感器變送器 的標(biāo)準(zhǔn)電信號直接送到具有內(nèi)置 PI D 調(diào)節(jié)功能的變頻器; 變頻器根據(jù)調(diào)整的給定信號或通過對壓力傳感變送器的 標(biāo)準(zhǔn)電信號進(jìn)行運(yùn)算處理后,決定其輸出頻率實(shí)現(xiàn)對驅(qū) 動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)對供水的水量及供水壓 力調(diào)節(jié),最終實(shí)現(xiàn)了對供水管網(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)行過程中有更好的穩(wěn)態(tài)和 動態(tài)性能,必須合理選擇變頻器 PI閉環(huán)控制功

8、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 通過線性組合形成控制量,近而對被控對象進(jìn)行控制 。 其控制規(guī)律用公式可表示為:u (t =K p e (t +1T i 乙 e (t +Tdd e (t d (t u (t =1e (t +1

9、i乙 e (t +Tdd 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 為偏差信號值, 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 ,自動調(diào)整輸出頻率 。 兩種信 號的差值稱作偏差值 。 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 。 可根據(jù)不同 的情況將各種傳感器信號連接到變頻器的模擬信號輸入 端,在水泵供水系統(tǒng)中,一般在外部使用壓力傳感器將 壓力信號連接到變頻器上,變頻器根據(jù)模擬信號的大 小,通過其內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)變成

10、相應(yīng)的數(shù)字信 號,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),并通過現(xiàn)場調(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)的變換過程中, 所以在用水壓力的變換過程中,恒壓供水系統(tǒng)的閉環(huán)控 制器一定要能及時(shí)的跟蹤壓力變化過程,這就需要閉環(huán) 控制系統(tǒng)不但

11、要有較好的穩(wěn)定性,還要有較好的動態(tài)性 。 基于以上要求,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)快得多的動態(tài)響應(yīng) 。 對 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 88F 105 ,再 設(shè)定控制壓力為 20K Pa (F 97=0. 02

12、0 ;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 380VA B CD X 0D X 1K M 1K M 2D X 2FR 1FR 2K M 4K M 3M 1M 2TS RW UV 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 FM管網(wǎng)壓力傳感器P8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

13、較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性 。 利用 上位機(jī)軟件可觀察實(shí)際測量數(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)從開始運(yùn)行經(jīng)過大約 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 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

14、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值的準(zhǔn) 確 、 不失值,可對該信號設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù),同時(shí)還可 對反饋信號進(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)具有較好的動穩(wěn)態(tài)性能,在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)需求壓力降 低時(shí)

15、,電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低,泵出口流量減少,電動機(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) 。參考文獻(xiàn):1呂汀, 石紅梅. 變頻技術(shù)原理與應(yīng)用M . 北京:機(jī)械工業(yè)出版 社, 2007:23-28.2王再英, 韓養(yǎng)社, 高虎賢. 樓宇自動化系統(tǒng)原理與應(yīng)用M . 北 京:電子工業(yè)出版社,2009:123-130.3伊學(xué)農(nóng). 城市給水自動化控制技術(shù)M . 北京:化學(xué)工業(yè)出版 社, 2008:54-59.4呂景泉. 樓宇智能化技術(shù)M . 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008:12-14.功能碼名稱最小給定量 最小給定量對應(yīng)的反饋量 最大給定量最大給定量對應(yīng)的反饋量 壓力指令

16、 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. 000M i nF37, 9. 999M Pa0. 0%999. 9%0. 0(無積分效果 100. 0s 0. 0(無微分效果 100. 0s 0. 1100. 0s 0. 0%20. 0%(相對于閉環(huán)給定值 0. 15. 0s 0. 15. 0s設(shè)定值0. 020%100. 0%100. 0%0. 400M Pa 500. 0%1. 0s 0. 0s 0. 1s 0

17、. 0%0. 5s 0. 5s 表 1PID 主要參數(shù)設(shè)置403224168019:57:5709:59:3310:01:0910:02:4510:04:2110:05:5720. 002011:06:1609:059:57管 網(wǎng) 壓 力 /K P at /m i nFrequency-Control Constant-Pressure Water Supply System andthe Choice of PID Regulator ParametersZH A N G Li n(TianjinBinhai Professional College, Tianjin 300451,ChinaAbstract :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 c