基于變頻器內置PID功能實現恒壓供水

1、基于變頻器內置PID功能實現恒壓供水曹保峰摘要：結合ACS800變頻器在中鋁中州分公司熱電廠反滲透系統3#除鹽水泵上的改造應用，敘述了在省去PID控制器模塊情況下，如何利用變頻器內置PID調節(jié)功能實現除鹽水系統自動調節(jié)、恒壓供水。關鍵詞 除鹽水系統 PID 變頻器 恒壓 1、 引言 隨著社會的發(fā)展進步，工業(yè)自動化水平的大幅度提高，變頻技術和計算機技術的發(fā)展，尤其是數字化技術的實現，為恒壓供水系統提供了支持。恒壓供水技術最早主要引用于居民供水，但隨著工業(yè)生產要求的不斷提高，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、進水量根據水箱水位，通過調節(jié)門來調節(jié)進水流量，除氧器調節(jié)門頻繁調整會造成除鹽水管網壓力波動，如何實現除鹽水管網恒壓供水，是我們急需要解決的問題。變頻器的功能也越來越強大，自身具有內置的PID控制功能，為我們對流量、壓力、水位等實現閉環(huán)控制創(chuàng)造了條件，再加上變頻調速以其節(jié)能、安全、環(huán)保、高品質等諸多優(yōu)點在實際生產應用中得到了很大發(fā)展。很湊巧，車間在先前的技術改造中閑置了一臺帶有內置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#除鹽水泵實施了變頻改造，并跟蹤其運行過程，完全實現了除鹽水恒壓供水，節(jié)能、降低員工勞動強度效果明

3、顯。2、 工藝參數及要求2.1工藝參數除鹽水泵電機參數：電機額定功率110KW、額定電壓值380V、額定電流值195A、額定頻率（50HZ）、額定轉速（2975）轉。水壓參數：除鹽水管道出口壓力1.0MPa、上下波動10%、除氧器進口壓力：7.0-8.5 MPa2.2恒壓控制方式的選擇本系統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，壓力檢測點距變頻器較近，能準確反映水壓實際變化情況，系統的控制效果較好。3.系統組成及工作原理恒壓供水系統的組成主要有計算機、可編程控制器（PLC）、變頻器（內置PID功能）、電動機、水泵、壓力傳感器、壓力變送器等

4、組成。系統組成簡圖如圖1所示。圖1恒壓供水系統組成計算機、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。根據工藝要求，保留3#除鹽水泵原有的模擬量和開關量信號，將除鹽水管道壓力變送器更換一個一拖二的變送器；變頻器是實現恒壓控制的核心設備，我們選用ABB公司帶內置PID調節(jié)單元的ACS800變頻器，無需再加裝智能PID控制器。ACS800變頻器既能進行頻率變換，又可進行模擬量的PID運算，即可實現壓力的定值控制。變頻器直接接收變送器的模擬量信號進行PID控制，當壓力發(fā)生變化時，變頻器的輸出頻率也會隨之改變，從而改變電機轉速，達到穩(wěn)定壓力的目的。此型號變頻器PID運算

5、速度快，精度高，且參數設置簡單。壓力傳感器和變送器是組成壓力閉環(huán)調節(jié)系統的關鍵元器件，一體化設計的產品，它能把管網壓力的檢測值變成4-20ma的電信號送到變頻器的模擬量輸入端，作為變頻器進行PID運算的輸入信號，再有變頻器輸出控制信號控制水泵電機調速，以保持管網壓力恒定。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變頻器內置了PID算法器，其模型簡單，計算方便，功能強大。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 新化學反滲透1#2#3#除鹽水泵管網系統圖如圖2所示，為新化學反滲透1#2#3#除鹽水泵管

6、網系統圖。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/降壓啟動工頻運行且互為備用，正常運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，也可以兩臺同時工作。3#除鹽水泵為PID控制的變頻器運行。正常情況下，開兩臺泵運行，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#除鹽水泵電動機將除鹽水經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(在本系統中，就是取決于電動機的轉速)和鍋爐用水量之間的平衡狀況。為了保證母管壓力，要求3#除鹽水泵轉速穩(wěn)定在某一個數值上。這個數值，是我們的控制目標，稱之為目標

7、壓力。與目標壓力對應的電信號，稱為目標信號。在變頻器中，目標信號也稱為目標值或給定值。也就是說我們設定一個恒壓目標值，根據鍋爐生產需要，母管壓力暫定為不小于0.7MP。其具體要求是：當鍋爐用水量增加，除鹽水母管內的實際壓力小于目標值壓力時，要求3#除鹽水泵加速，使母管內的壓力上升至目標值，反之，當鍋爐的用水量減少，母管內的實際壓力大于目標壓力時，要求3#除鹽水泵減速，使除鹽水母管內的壓力下降至目標值，從而達到閉環(huán)控制實現變頻調速的目的。ACS800變頻器的目標信號和反饋信號是用傳感器(SP)量程的百分數來表示的。例如，母管內的給水壓力保持為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：當壓力表SP的量程為01 MPa時，與0.7MPa對應的百分數為70%，對應的信號電流為XT4(204)×0.715.2mA，目標值定為70%.交流3801、1延時0.5閉合瞬時斷開。2、延時5斷開。瞬時閉合遠控信號至運行信號至遠控啟停就地啟停控制電源星三角切換停止指示燈運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原理圖 圖3為改造前除鹽水泵的Y降壓啟動控制原理圖，為了節(jié)省改造時間和不破壞原有的二次接線（當初設計是想著萬一變頻器出現大的故障壞了一時修不好，不當誤生產可直接短時間內恢復接觸器和電機的接線），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來實現對變頻器的啟停。5、3#除鹽水泵改造內置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），該信號為實測的壓力信號，在控制系統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DI6接點閉合時，選擇PID調節(jié)下的自動控制運行，DI6接點失電斷開時，變頻器停止運行。6、系統調試在對變頻器安裝接線完成后，即可進行調試。首先，變頻器開環(huán)狀態(tài)下檢測壓力傳感變送器經后臺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，應該是4-20mA的電流信號。將變頻器送電設在LOCAL（就地）模式，進行變頻器應用宏選擇。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，而是目標值給定信號。加、減速速度的改變僅僅根據內置P、I、D 的運算結果來決定。顯示屏上顯示的目標信號和反饋信號都是百分數。依據ACS800標準應用程序3#除鹽水泵變頻器PID控制具體參數設置調試過程如下：將 AI2 設定為反饋端口，給定值設定為鍵盤給定（通過鍵盤的 REF），AI2、為 420mA 的反饋端，AO2 為 420mA 模擬量輸出。將 99 參數組以前的參數組均按使用要求加以

11、設置，然后再進入 99 參數組設置參數。具體的變頻器參數設置如下（關鍵參數）：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電機轉動方向（forward正轉）；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 運行準備。14.02 選擇 3 = RUNNING。運行信號。14.03 選擇 4 = FAULT 故障。16.01 選擇 1 = 運行信號始終有效。16.02 選擇1 = LOCKED參數鎖的狀態(tài)。參數鎖防止參數值被修改。16.03 設置 358 開鎖，該值將自動回零。20.01定義最小轉速允許值（0），20.02定義最大轉速允許值（2975），20.03 定義電機電流的最大允許值 （1.1倍電機額定電流，215A）21.01選擇1 = AUTO 自動啟動方式。21.02 選擇2 = RAMP 斜坡減速停車。22.01 選擇1

13、= ACC/DEC 1 使用加速時間 1 和減速時間 1。22.02 定義加速時間 1。 選擇40S。22.03 定義減速時間 1。選擇40S。32.05電機電流監(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 控制器的積分時間。 0.02320.00S選(60S)40.03 定義過程 PID 控制器的微分時間。 0.0010.00S選(0S)40.04 定義濾波時間常數。 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設置一個恒定的給定值70% 左右 給定壓力百分數 ，4012設定壓力上限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選擇應用宏。3 = PID CTRL PID 控制。99.03 恢復當前應用

15、宏程序（99.02）的出廠設置。選擇1 = YES 進行恢復。99.04選擇電機控制模式(DTC)。99.05 定義電機額定電壓值（380V）。99.06 定義電機額定電流值（195A）。99.07 定義電機的額定頻率（50HZ）。99.08 定義電機的額定轉速（2975）轉。99.09 定義電機的額定功率（110KW）。99.10選擇電機辨識類型，選擇 1 = ID MAGN（辯識運行）。參數設置完成后，進入試車階段。注意：在首次啟動電機時會自動進行電機辨識運行，要檢查電機的旋轉方向，保證3#除鹽水泵的旋轉方向正確。在40組PID的調試過程中我們采用的是經驗湊試法。先大致設定一個經驗值，然后

16、根據調節(jié)效果修改。母管壓力傳感器的控制系統是壓力，它對應的參數范圍是P比例（1 / K）取30 70 ，這里K是放大倍數。 I積分時間T1取(20-180)S ，在整定調試過程中 放大倍數越小，過渡過程越平穩(wěn)，但余差較大。放大倍數越大，容易引起壓力忽大忽小發(fā)生振蕩。積分時間越小，消除余差就越快,但系統振蕩會較大，積分時間越大，系統消除余差的速度較慢。微分時間太大，系統振蕩次數增加，調節(jié)時間增加，微分太小，系統調節(jié)緩慢。因為比例作用是基本的控制作用，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一步提高控制質量，基本步驟如下： 1）、將放大倍數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）、設置積分時間T1=0，按純比例作用整定放大倍數觀察壓力的反應速度是否在要求內；當壓力的反應速度達到要求然后將K縮小（1020），將積分時間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中，由于滯后不大，設置為0；4）濾波時間常數值根據實際情況來調整，適當設置濾波時間常數以消除信號傳輸過程中的干擾，選擇4S；整定參數時認真觀察系統輸出及被調量的變化情況，根據具體情況適當修改40組PID參數?？梢哉f，只要多花點時間，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， 設備運行穩(wěn)定、可靠，未出現異常情況；采用變頻節(jié)能技術后，電機起停實現了軟起停，沒有任何沖擊；采用變頻節(jié)能技術后，可通過調節(jié)電機轉速來調節(jié)水量及壓力大小，從而精確控