基于變頻器內(nèi)置PID功能實(shí)現(xiàn)恒壓供水

1、基于變頻器內(nèi)置PID功能實(shí)現(xiàn)恒壓供水曹保峰摘要：結(jié)合ACS800變頻器在中鋁中州分公司熱電廠反滲透系統(tǒng)3#除鹽水泵上的改造應(yīng)用，敘述了在省去PID控制器模塊情況下，如何利用變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)除鹽水系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)、恒壓供水。關(guān)鍵詞 除鹽水系統(tǒng) PID 變頻器 恒壓 1、 引言 隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化水平的大幅度提高，變頻技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)字化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，為恒壓供水系統(tǒng)提供了支持。恒壓供水技術(shù)最早主要引用于居民供水，但隨著工業(yè)生產(chǎn)要求的不斷提高，對供水壓力的恒定控制是非常要必要的。我公司鍋爐用水是水處理通過除鹽水泵將水打到除氧器除氧，再由給水泵向鍋爐供水。期間，除氧器

2、進(jìn)水量根據(jù)水箱水位，通過調(diào)節(jié)門來調(diào)節(jié)進(jìn)水流量，除氧器調(diào)節(jié)門頻繁調(diào)整會造成除鹽水管網(wǎng)壓力波動(dòng)，如何實(shí)現(xiàn)除鹽水管網(wǎng)恒壓供水，是我們急需要解決的問題。變頻器的功能也越來越強(qiáng)大，自身具有內(nèi)置的PID控制功能，為我們對流量、壓力、水位等實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制創(chuàng)造了條件，再加上變頻調(diào)速以其節(jié)能、安全、環(huán)保、高品質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中得到了很大發(fā)展。很湊巧，車間在先前的技術(shù)改造中閑置了一臺帶有內(nèi)置PID控制功能，型號為ACS800-02-0170-3+P901的變頻器。我們本著充分利用閑置資源，不增投資的思想，對3#除鹽水泵實(shí)施了變頻改造，并跟蹤其運(yùn)行過程，完全實(shí)現(xiàn)了除鹽水恒壓供水，節(jié)能、降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度效果明

3、顯。2、 工藝參數(shù)及要求2.1工藝參數(shù)除鹽水泵電機(jī)參數(shù)：電機(jī)額定功率110KW、額定電壓值380V、額定電流值195A、額定頻率（50HZ）、額定轉(zhuǎn)速（2975）轉(zhuǎn)。水壓參數(shù)：除鹽水管道出口壓力1.0MPa、上下波動(dòng)10%、除氧器進(jìn)口壓力：7.0-8.5 MPa2.2恒壓控制方式的選擇本系統(tǒng)采用水泵出口恒壓控制方式，該方式簡單、可靠、節(jié)省投資。它是將壓力傳感器安裝在除鹽水母管出口處，壓力檢測點(diǎn)距變頻器較近，能準(zhǔn)確反映水壓實(shí)際變化情況，系統(tǒng)的控制效果較好。3.系統(tǒng)組成及工作原理恒壓供水系統(tǒng)的組成主要有計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）、變頻器（內(nèi)置PID功能）、電動(dòng)機(jī)、水泵、壓力傳感器、壓力變送器等

4、組成。系統(tǒng)組成簡圖如圖1所示。圖1恒壓供水系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)、PLC、壓力傳感器、壓力變送器原來都已安裝，只需增加一套ACS800變頻柜。根據(jù)工藝要求，保留3#除鹽水泵原有的模擬量和開關(guān)量信號，將除鹽水管道壓力變送器更換一個(gè)一拖二的變送器；變頻器是實(shí)現(xiàn)恒壓控制的核心設(shè)備，我們選用ABB公司帶內(nèi)置PID調(diào)節(jié)單元的ACS800變頻器，無需再加裝智能PID控制器。ACS800變頻器既能進(jìn)行頻率變換，又可進(jìn)行模擬量的PID運(yùn)算，即可實(shí)現(xiàn)壓力的定值控制。變頻器直接接收變送器的模擬量信號進(jìn)行PID控制，當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，變頻器的輸出頻率也會隨之改變，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到穩(wěn)定壓力的目的。此型號變頻器PID運(yùn)算

5、速度快，精度高，且參數(shù)設(shè)置簡單。壓力傳感器和變送器是組成壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件，一體化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，它能把管網(wǎng)壓力的檢測值變成4-20ma的電信號送到變頻器的模擬量輸入端，作為變頻器進(jìn)行PID運(yùn)算的輸入信號，再有變頻器輸出控制信號控制水泵電機(jī)調(diào)速，以保持管網(wǎng)壓力恒定。3.2變頻器的恒壓控制原理變頻器恒壓供水的核心是定值控制，而定值控制的基本手段是PID控制，ACS800變頻器內(nèi)置了PID算法器，其模型簡單，計(jì)算方便，功能強(qiáng)大。這里PID算法原理不再贅述。4、新反滲透3#除鹽水泵恒壓供水的改造思路圖2 新化學(xué)反滲透1#2#3#除鹽水泵管網(wǎng)系統(tǒng)圖如圖2所示，為新化學(xué)反滲透1#2#3#除鹽水泵管

6、網(wǎng)系統(tǒng)圖。兩臺除鹽水箱的除鹽水由三臺除鹽水泵送至鍋爐除氧器。改造前，三臺除鹽水泵均采用Y/降壓啟動(dòng)工頻運(yùn)行且互為備用，正常運(yùn)行中兩臺工作一臺備用。改造后，1#2#除鹽水泵工頻，其中一臺工作一臺備用，也可以兩臺同時(shí)工作。3#除鹽水泵為PID控制的變頻器運(yùn)行。正常情況下，開兩臺泵運(yùn)行，即1#、2#泵中的任意一臺泵和3#除鹽水泵工作。其基本工作過程是：3#除鹽水泵電動(dòng)機(jī)將除鹽水經(jīng)母管送到鍋爐除氧器罐中。給水母管壓力的大小取決于除鹽水泵的出力(在本系統(tǒng)中，就是取決于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速)和鍋爐用水量之間的平衡狀況。為了保證母管壓力，要求3#除鹽水泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一個(gè)數(shù)值上。這個(gè)數(shù)值，是我們的控制目標(biāo)，稱之為目標(biāo)

7、壓力。與目標(biāo)壓力對應(yīng)的電信號，稱為目標(biāo)信號。在變頻器中，目標(biāo)信號也稱為目標(biāo)值或給定值。也就是說我們設(shè)定一個(gè)恒壓目標(biāo)值，根據(jù)鍋爐生產(chǎn)需要，母管壓力暫定為不小于0.7MP。其具體要求是：當(dāng)鍋爐用水量增加，除鹽水母管內(nèi)的實(shí)際壓力小于目標(biāo)值壓力時(shí)，要求3#除鹽水泵加速，使母管內(nèi)的壓力上升至目標(biāo)值，反之，當(dāng)鍋爐的用水量減少，母管內(nèi)的實(shí)際壓力大于目標(biāo)壓力時(shí)，要求3#除鹽水泵減速，使除鹽水母管內(nèi)的壓力下降至目標(biāo)值，從而達(dá)到閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的目的。ACS800變頻器的目標(biāo)信號和反饋信號是用傳感器(SP)量程的百分?jǐn)?shù)來表示的。例如，母管內(nèi)的給水壓力保持為0.7MPa，傳感器至后臺PLC然后輸出的信號為420

8、 mA的電流信號，則：當(dāng)壓力表SP的量程為01 MPa時(shí)，與0.7MPa對應(yīng)的百分?jǐn)?shù)為70%，對應(yīng)的信號電流為XT4(204)×0.715.2mA，目標(biāo)值定為70%.交流3801、1延時(shí)0.5閉合瞬時(shí)斷開。2、延時(shí)5斷開。瞬時(shí)閉合遠(yuǎn)控信號至運(yùn)行信號至遠(yuǎn)控啟停就地啟?？刂齐娫葱侨乔袚Q停止指示燈運(yùn)行指示燈故障指示燈引自程控柜圖3 除鹽水泵星三角降壓啟動(dòng)原理圖 圖3為改造前除鹽水泵的Y降壓啟動(dòng)控制原理圖，為了節(jié)省改造時(shí)間和不破壞原有的二次接線（當(dāng)初設(shè)計(jì)是想著萬一變頻器出現(xiàn)大的故障壞了一時(shí)修不好，不當(dāng)誤生產(chǎn)可直接短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)接觸器和電機(jī)的接線），我們只是把KM1、KM2、KM3接觸器的主回

9、路接線拆除保留二次回路接線，用KM2接觸器的一對輔助接點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對變頻器的啟停。5、3#除鹽水泵改造內(nèi)置PID功能變頻器接線如圖4所示為改造后的3#除鹽水泵PID控制變頻器接線原理圖。AI2為除鹽水泵的模擬給定（引自PLC柜），該信號為實(shí)測的壓力信號，在控制系統(tǒng)中作為反饋信號輸入到變頻器的模擬輸入端AI2。DI6為控制變頻器的啟停，當(dāng)DI6接點(diǎn)閉合時(shí)，選擇PID調(diào)節(jié)下的自動(dòng)控制運(yùn)行，DI6接點(diǎn)失電斷開時(shí)，變頻器停止運(yùn)行。6、系統(tǒng)調(diào)試在對變頻器安裝接線完成后，即可進(jìn)行調(diào)試。首先，變頻器開環(huán)狀態(tài)下檢測壓力傳感變送器經(jīng)后臺PLC反饋信號是否正常，在變頻器接線端子X21：5、X21：6兩端子上測量AI2

10、+、AI2- 有電流，應(yīng)該是4-20mA的電流信號。將變頻器送電設(shè)在LOCAL（就地）模式，進(jìn)行變頻器應(yīng)用宏選擇。選用PID控制宏后，變頻器的給定信號不論鍵盤給定或是外接給定，所給定的信號不再是頻率給定信號，而是目標(biāo)值給定信號。加、減速速度的改變僅僅根據(jù)內(nèi)置P、I、D 的運(yùn)算結(jié)果來決定。顯示屏上顯示的目標(biāo)信號和反饋信號都是百分?jǐn)?shù)。依據(jù)ACS800標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序3#除鹽水泵變頻器PID控制具體參數(shù)設(shè)置調(diào)試過程如下：將 AI2 設(shè)定為反饋端口，給定值設(shè)定為鍵盤給定（通過鍵盤的 REF），AI2、為 420mA 的反饋端，AO2 為 420mA 模擬量輸出。將 99 參數(shù)組以前的參數(shù)組均按使用要求加以

11、設(shè)置，然后再進(jìn)入 99 參數(shù)組設(shè)置參數(shù)。具體的變頻器參數(shù)設(shè)置如下（關(guān)鍵參數(shù)）：10.01外部1命令（DI6控制起停）；10.02外部2命令1（DI1控制起停）；10.03電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向（forward正轉(zhuǎn)）；11.04REF1的最小值（0）；11.05REF1的最大值（2975）；11.06選擇外部給定REF2的信號源（KEYPAD控制盤）；11.07：外部給定2的最小值（0%）；11.08：外部給定2的最大值（100%）；13.01AI1下限0%；13.02AI1上限100%；13.04AI2下限20%；13.05AI2上限100%；13.06AI2低限(4mA)；13.07AI2高限(20m

12、A）；14.01 選擇 2 = READY 運(yùn)行準(zhǔn)備。14.02 選擇 3 = RUNNING。運(yùn)行信號。14.03 選擇 4 = FAULT 故障。16.01 選擇 1 = 運(yùn)行信號始終有效。16.02 選擇1 = LOCKED參數(shù)鎖的狀態(tài)。參數(shù)鎖防止參數(shù)值被修改。16.03 設(shè)置 358 開鎖，該值將自動(dòng)回零。20.01定義最小轉(zhuǎn)速允許值（0），20.02定義最大轉(zhuǎn)速允許值（2975），20.03 定義電機(jī)電流的最大允許值 （1.1倍電機(jī)額定電流，215A）21.01選擇1 = AUTO 自動(dòng)啟動(dòng)方式。21.02 選擇2 = RAMP 斜坡減速停車。22.01 選擇1

13、= ACC/DEC 1 使用加速時(shí)間 1 和減速時(shí)間 1。22.02 定義加速時(shí)間 1。 選擇40S。22.03 定義減速時(shí)間 1。選擇40S。32.05電機(jī)電流監(jiān)控(HIGH LIMIT電流上限監(jiān)控),32.06電流監(jiān)控極限值（215A過載電流）40.01 定義過程 PID 控制的增益。 0.1.100.0選（1）40.02 定義過程 PID 控制器的積分時(shí)間。 0.02320.00S選(60S)40.03 定義過程 PID 控制器的微分時(shí)間。 0.0010.00S選(0S)40.04 定義濾波時(shí)間常數(shù)。 0.0410.00S選(4)40.05選擇 0 = NO 將過程 PID 控制器的輸入

14、信號偏差值不取反。40.06 選擇 1 = ACT 1用于 PID 控制器的過程實(shí)際值。40.07 選擇 1 = AI 2變量 ACT 1 的信號源。40.09定義ACT1的最小值（20）， 4010ACT1的最大值（100）(1=模式輸入AI1的給定)（2=模式輸入AI2的給定） ，4011設(shè)置一個(gè)恒定的給定值70% 左右 給定壓力百分?jǐn)?shù) ，4012設(shè)定壓力上限0.0-100% 為100， 4020激活睡眠功能（OFF）34.02選擇 3 = %為過程變量的單位。99.01 選擇語言 0 = ENGLISH99.02選擇應(yīng)用宏。3 = PID CTRL PID 控制。99.03 恢復(fù)當(dāng)前應(yīng)用

15、宏程序（99.02）的出廠設(shè)置。選擇1 = YES 進(jìn)行恢復(fù)。99.04選擇電機(jī)控制模式(DTC)。99.05 定義電機(jī)額定電壓值（380V）。99.06 定義電機(jī)額定電流值（195A）。99.07 定義電機(jī)的額定頻率（50HZ）。99.08 定義電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（2975）轉(zhuǎn)。99.09 定義電機(jī)的額定功率（110KW）。99.10選擇電機(jī)辨識類型，選擇 1 = ID MAGN（辯識運(yùn)行）。參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)入試車階段。注意：在首次啟動(dòng)電機(jī)時(shí)會自動(dòng)進(jìn)行電機(jī)辨識運(yùn)行，要檢查電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，保證3#除鹽水泵的旋轉(zhuǎn)方向正確。在40組PID的調(diào)試過程中我們采用的是經(jīng)驗(yàn)湊試法。先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后

16、根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。母管壓力傳感器的控制系統(tǒng)是壓力，它對應(yīng)的參數(shù)范圍是P比例（1 / K）取30 70 ，這里K是放大倍數(shù)。 I積分時(shí)間T1取(20-180)S ，在整定調(diào)試過程中 放大倍數(shù)越小，過渡過程越平穩(wěn)，但余差較大。放大倍數(shù)越大，容易引起壓力忽大忽小發(fā)生振蕩。積分時(shí)間越小，消除余差就越快,但系統(tǒng)振蕩會較大，積分時(shí)間越大，系統(tǒng)消除余差的速度較慢。微分時(shí)間太大，系統(tǒng)振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間增加，微分太小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)緩慢。因?yàn)楸壤饔檬腔镜目刂谱饔?，因此，首先把比例度湊試好，待過渡過程已基本穩(wěn)定，然后加積分作用消除余差，最后加入微分作用進(jìn)一步提高控制質(zhì)量，基本步驟如下： 1）、將放大倍數(shù)K（增益

17、）放在較小的位置，逐漸增大K，觀察被控量直到滿意為止，如40.01選擇1；2）、設(shè)置積分時(shí)間T1=0，按純比例作用整定放大倍數(shù)觀察壓力的反應(yīng)速度是否在要求內(nèi)；當(dāng)壓力的反應(yīng)速度達(dá)到要求然后將K縮?。?020），將積分時(shí)間T1由大到小逐步加入，直到獲得滿意的過渡過程，如40.02選擇60S； 3）微分增益在以壓力為對象的控制系統(tǒng)中，由于滯后不大，設(shè)置為0；4）濾波時(shí)間常數(shù)值根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整，適當(dāng)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)以消除信號傳輸過程中的干擾，選擇4S；整定參數(shù)時(shí)認(rèn)真觀察系統(tǒng)輸出及被調(diào)量的變化情況，根據(jù)具體情況適當(dāng)修改40組PID參數(shù)?？梢哉f，只要多花點(diǎn)時(shí)間，都能滿足要求。7、跟蹤改造效果3#除鹽水泵PID控制變頻器改造完成已近一年， 設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，未出現(xiàn)異常情況；采用變頻節(jié)能技術(shù)后，電機(jī)起停實(shí)現(xiàn)了軟起停，沒有任何沖擊；采用變頻節(jié)能技術(shù)后，可通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)水量及壓力大小，從而精確控