利用變頻器內(nèi)置PID實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、普及與提高POPULARIZATION &RAISING利用變頻器內(nèi)置PID 實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)張西虎(南京航空航天大學(xué),江蘇南京210016摘要:介紹采用西門子通用變頻器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng),并介紹了內(nèi)置PID 閉環(huán)控制的參數(shù)及調(diào)試方法。關(guān)鍵詞:P ID;閉環(huán)控制;P L C中圖分類號(hào):T M 921.52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1001-6848(200104-0054-03The C olsed -loop Control System With Internal PID of Siemens InverterZHANG Xi-hu(N anjing U niver sity

2、of A er onautics and A str onautics,N anjing 210016,ChinaAbstract :T his paper intr oduces a closed-lo op iso barica lly w ater supply sy stem w it h siemens inv ert er.A nd also clo sed -loo p par ameter s ,debug met hod are pro vided .Key words :PID ;clo sed-loo p co nt ro l;PIC收稿日期:2001-09-221引言供

3、水系統(tǒng)中對(duì)水壓流量的控制,傳統(tǒng)上采用閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。由于水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比,因此水泵用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)壓力或流量的自動(dòng)控制,同時(shí)可獲得大量節(jié)能。閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)正越來(lái)越多地取代高位水箱、水塔等設(shè)施及閥門調(diào)節(jié)。本文所介紹的閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)采用西門子通用變頻器實(shí)現(xiàn),詳細(xì)敘述了用于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的內(nèi)置PID 主要參數(shù)及閉環(huán)調(diào)試方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,工作可靠,操作簡(jiǎn)便。2閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)原理閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)包括西門子變頻器、PLC 、液位控制器、壓力傳感器和液位傳感器。圖1是閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)框圖。供水系統(tǒng)中使用水泵的目的,是向各末端水龍頭連續(xù)穩(wěn)定地供給水壓適當(dāng)?shù)乃?。因此不論供水量多?必

4、須控制水泵的壓力恒定。使用變頻調(diào)速的水泵,其壓力控制常采用出口壓一定制。壓力傳感器裝在水泵附近的主出水管,感受到的壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)(420mA 作為反饋信號(hào)。變頻器內(nèi)置PID 調(diào)節(jié)器作為壓力調(diào)節(jié)器,PID 調(diào)節(jié)器將來(lái)自壓力傳感器的壓力反饋信號(hào)與出口壓力給定值比較運(yùn)算,其結(jié)果作為頻率指令輸送給變頻器, 調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速使圖1閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)框圖出口壓保持一定。即當(dāng)用水量增加,水壓降低時(shí)PID 調(diào)節(jié)器使變頻器輸出頻率增加,電機(jī)拖動(dòng)水泵加速,水壓增大;反之,當(dāng)用水量減少,水壓上升,PID 調(diào)節(jié)器使變頻器輸出頻率減少,電機(jī)拖動(dòng)水泵減速,水壓減小。閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為二用一備方案。即正常時(shí)2臺(tái)水泵運(yùn)行,

5、1臺(tái)作為備用。3變頻器閉環(huán)控制3.1概述根據(jù)供水管網(wǎng)壓力的變化,通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤來(lái)控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使供水管網(wǎng)中保持恒定的壓力,以達(dá)到最佳供水及高效節(jié)能目的。西門子M ICRO M AST ERHE 和M IDI M ASTER 型變頻器都為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制提供一個(gè)PID 閉環(huán)控制功能。這種閉環(huán)適用于溫度或壓力控制,以及那些變化過(guò)程慢的控制。不適用于要求快速響應(yīng)的系統(tǒng)中。圖2是閉環(huán)控制框圖。3.2硬件設(shè)置54微電機(jī)2001年第34卷第4期(總第121期 圖2閉環(huán)控制框圖閉環(huán)控制反饋信號(hào)的輸入端X503(M ICRO M AST ER或X2(M IDI MAST ER,可以是020m A 電

6、流信號(hào),也可以是05V 電壓信號(hào),通過(guò)SW 2進(jìn)行選擇,輸入信號(hào)分辨率是8位。如果變頻器不需要模擬量給定,反饋信號(hào)能被接到X501的端子3和4,SW1開關(guān)選擇接受010V 或420m A 信號(hào),信號(hào)分辨率為10位,圖3是閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)硬件電路。調(diào)節(jié)P1進(jìn)行水壓設(shè)定,變頻器的啟/停由PIC 控制。圖3閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)硬件電路3.3變頻器參數(shù)設(shè)置P 081=50,額定頻率,Hz P 082,額定轉(zhuǎn)速,r /min P 083,額定電流,AP084=380,額定電壓,V P085,額定功率,kWP 001=7,操作面板顯示PID 反饋信號(hào)%P 002=25,加速時(shí)間P 003=40,減速時(shí)間P00

7、6=1,選擇模擬量控制,端子模式P012=10,電機(jī)最低運(yùn)行頻率P013=40,電機(jī)最高運(yùn)行頻率P 051=1,端子8定義為啟動(dòng)控制端P061=12,PID 閉環(huán)電機(jī)低速極限制值時(shí)輸出開關(guān)量RL 1P 062=13,PID 閉環(huán)電機(jī)高速極限制值時(shí)輸出開關(guān)量RL2P 201=1,0=正常運(yùn)行,1=閉環(huán)過(guò)程控制P202=0.5,比例系數(shù)P203=0.05,積分系數(shù)P204=0,微分系數(shù)P 205,對(duì)反饋傳感器的采樣周期P206=30,0=濾波器關(guān)斷,1225=用于傳感器信號(hào)的低通濾波P208=0,0=當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí),引起傳感器輸出電壓/電流增加,1=當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí),引起傳感器輸出電壓/電流降低

8、P210,傳感器信號(hào)讀值的百分比P211=30,P210中的值被維持在0%設(shè)定值P212=80,P210中的值被維持在100%設(shè)定值P 220=1,0=正常操作,1=在最小頻率時(shí)或低于最小頻率時(shí)關(guān)斷變頻器3.4水位檢測(cè)蓄水箱的水位(高水位、低水位信號(hào)采用OM RON 液位控制器檢測(cè)。若蓄水箱的水位過(guò)高,則關(guān)閉蓄水箱進(jìn)水閥門;若蓄水箱的水位過(guò)低,則停止運(yùn)行并報(bào)警。水位檢測(cè)系統(tǒng)包括OM RON 液位控制器、電極保持器和電極棒。根據(jù)蓄水箱的水位,61F-G1型液位控制器適時(shí)輸出水位信號(hào),并送PLC 參與控制。3.5PLC 硬件電路選用西門子SIM ATIC S7-200系列可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)控

9、制和水位的監(jiān)視,它取代了常規(guī)的繼電邏輯控制。SIMA TIC S 7-200是西門子推出的緊湊型可編程控制器,它指令處理周期短,每1K 語(yǔ)句執(zhí)行時(shí)間為0.8m s,帶有高速計(jì)數(shù)器;本機(jī)輸入點(diǎn)數(shù)14DI/10D0,并且擴(kuò)展方便,最多可擴(kuò)展7塊模板,其中可以是5塊數(shù)字模板或4塊模擬板。同時(shí)友好的ST EP 編程軟件和功能強(qiáng)大的編程器方便55利用變頻器內(nèi)置P ID 實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)張西虎了編程。3.6PLC軟件功能接受控制柜啟動(dòng)按鈕、停止按鈕信號(hào)完成對(duì)供水系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止控制。完成輸出接觸器的聯(lián)鎖控制。接受變頻器送來(lái)的高速限制和低速限制。接受水位信號(hào),完成低水位停泵報(bào)警,以及高水位進(jìn)水閥門關(guān)閉和報(bào)

10、警。定時(shí)自檢,自動(dòng)啟泵運(yùn)轉(zhuǎn),每臺(tái)泵定期循環(huán)開啟,遇有故障自動(dòng)報(bào)警。電機(jī)熱報(bào)警。3.7PLC軟件設(shè)計(jì)思想控制系統(tǒng)根據(jù)要求可以選擇手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行。手動(dòng)時(shí),可以選擇每臺(tái)水泵工頻運(yùn)行;自動(dòng)時(shí),完全由PLC軟件控制運(yùn)行。程序設(shè)計(jì)思想:自動(dòng)運(yùn)行時(shí),根據(jù)供水管網(wǎng)中用水量和壓力變化適時(shí)調(diào)整工頻運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)和變頻運(yùn)行水泵頻率,同時(shí)完成水位信號(hào)與運(yùn)行聯(lián)鎖控制。3.8調(diào)試方法首先使系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行,檢測(cè)壓力傳感器反饋的電信號(hào)是否正確。檢查P208參數(shù)值,P208與傳感器類型有關(guān)。如果反饋信號(hào)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增加而減小,選擇P208= 1。否則,P208=0。設(shè)置P211、P212。若傳感器量程為010kg,對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為4

11、20mA。若希望壓力在38kg,則:P211=(欲設(shè)定最小值-傳感器最小值傳感器量程P212=(欲設(shè)定最大值-傳感器最小值傳感器量程P211=30%,P212=80%使P201=1設(shè)置為閉環(huán)控制。增加P202比例系統(tǒng)直到系統(tǒng)開始振蕩,則取P202=P202振蕩時(shí)×0.35增加P203積分系統(tǒng)直到系統(tǒng)開始振蕩,則取P203=P203振蕩時(shí)×0.50通常微分系數(shù)不需要設(shè)置。調(diào)整P206傳感器濾波值,消除信號(hào)傳輸過(guò)程中帶來(lái)的干擾。以上快速設(shè)定方法,適用于大多數(shù)應(yīng)用。4結(jié)論所述的閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)工作穩(wěn)定,高效節(jié)能。由于水泵調(diào)速運(yùn)行,根據(jù)供水量需求,自動(dòng)開啟水泵臺(tái)數(shù)。管網(wǎng)用水量低谷時(shí)

12、,電機(jī)自動(dòng)降低速度,因此節(jié)能效果明顯。采用變頻控制,水泵啟停時(shí)無(wú)沖擊電流。系統(tǒng)能夠自動(dòng)鑒別每臺(tái)泵的工作狀態(tài),根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化,壓力傳感器反饋給變頻器及PLC進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)切換泵的工作臺(tái)數(shù),保持管網(wǎng)壓力恒定。發(fā)生故障時(shí),自我診斷功能強(qiáng),并發(fā)出聲光指示報(bào)警。西門子變頻器提供的PID功能,其硬件輸入端子靈活適用于各種傳感器,它提供了數(shù)字濾波,且參數(shù)設(shè)置方便,適宜作為溫度、壓力或流量等的閉環(huán)控制。將控制系統(tǒng)中的壓力傳感器替換為其它傳感器(如溫度、流量,即可推廣到其它應(yīng)用領(lǐng)域。參考文獻(xiàn):1朱仁初.電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.2SIEM EN S.M icro master and M idimasterM.變頻器手冊(cè),1997.作者簡(jiǎn)介:張西虎(1967,男,助理研究員,碩士,主要從事傳動(dòng)技術(shù)及航