变频恒压供水系统与PID调节器参数的选择解读顺德职业技术学院学报Journal of Shunde Polytechnic收稿日期 :2011-08-03作者简介 :张琳 (1978— ,女,黑龙江省佳木斯市人,讲师,硕士,研究方向:电子、自动控制、通信与信息系统。
变频恒压供水系统与 PID 调节器参数的选择张琳(天津滨海职业学院机电系 , 天津300451摘要 :介绍基于爱默生 TD2100变频器 (内置 PID 调节器组成的变频恒压供水系统 , 其主要用于高层楼宇的供水 , 系统由变频器、压力传感器等组成 ,具有优良的节能作用和稳定可靠的运行效果。
关键词 :变频器 ; PID 调节器 ; 恒压供水中图分类号 :TP214; TM921.51文献标志码 :B文章编号 :1672-6138(2011 04-0007-03DOI :10.3969/j.issn.1672-6138.2011.04.003科技与应用Vol. 9No. 4Oct. 2011变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统,随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强,变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越广泛应用于住宅小区、高层建筑的生活及消防供水系统。
本文介绍了基于爱默生 TD 2100变频器 (内置PI D 调节器组成的变频恒压供水系统,为达到系统最佳的动稳态性能,如何选择 PI D 调节器的参数。
1变频恒压供水系统组成该系统由压力传感器、变频器、供水泵组、供水管路等组成,系统主要设备采用爱默生 TD 2100供水专用变频器 , 内置 PI 调节器和电机专用控制芯片 D SP+CPLD +M CU ,无需配置 PLC或供水控制器,即可实现多种常用供水控制专用功能。
控制结构如图 1所示。
爱默生 TD 2100变频器功能强大 [1],比较适用于简单的恒压、恒流供水系统的水泵变频调速控制。
该变频器可灵活编程设定给定信号与反馈信号的类型及比率, PI D等闭环控制参数,渐变频率启泵与停泵的渐变延时时间,最大、最小工作频率及其他运行参数,具有很强的设备超限运行及安全保证功能等等。
变频器的基本运行工作参数如下:F 05=50;最大输出频率:50H z; F06=50;基本运行频率 50H z; F 07=380;最大输出电压:380V ; F 10=10;加速时间 10s;F 11=10;减速时间 10s; F 12=50;上限频率 50H z; F 13=25;下限频率 25H z;F 24=1;运行方式:普通供水 PI闭环;F 25=1;供水模式:1表示先起先停的 2台变频循环泵控制方式;F 34=30;泵投切判断时间 30s; F 37=0. 060;上限压力限定值 60K Pa; F 38=0. 000;下限压力限定值 0K Pa; F 39=0. 070;超压力保护值 70K Pa; F41=5;超欠压保护动作时间 5s;系统中采用了 K Y B 压力变送器:量程为 0~100K pa, 24V D C 电源,精度 0. 5级,输出为 20m A 。
2系统主电路接线图系统主电路接线图如图 2所示。
生活水系统的控制对象为两台常规水泵即为变频水泵,两台水泵可以作为一主一备使用,也可同时使用;当供水系统在较小的压力范围内工作时,一台变频水泵能够满足系统的供水流图 1变频恒压供水系统控制结构Pc 机状态指示灯TD 2100供水专用变频器压力变送器继电器组变频泵 1变频泵 2消防泵休眠小泵第 9卷第 4期 2011年 10月7顺德职业技术学院学报第 9卷图 2主电路接线图量和压力需求时,另一台水泵就可以作为备用泵使用,当一台泵的压力和流量满足不了供水系统需求时,可以同时启动另一台水泵工作。
两台水泵工作在变频循环方式:即系统在第一次启动时,常规泵 1变频运行一直到(50H z ,当压力数值仍达不到系统设定压力时,常规泵 1工频运行,常规泵2变频启动运行,直到满足系统压力设定值。
系统停机后,下次启动将从常规泵2启动变频运行,然后切换到工频,再启动常规泵 1变频运行。
如此循环,即为先起先停方式的变频循环模式。
3系统工作原理[2]安装于供水母管或主管道上的压力传感器变送器将供水管网压力转换成4￣20m A (0￣20m A , 0￣l 0V 等的标准电信号,送到 PI D 调节器(或过程控制器、PLC, D CS 等 ,经过运算处理后仍以标准信号的形式送到变频器并作为变频器调速给定信号,也可将压力传感器变送器的标准电信号直接送到具有内置 PI D 调节功能的变频器;变频器根据调整的给定信号或通过对压力传感变送器的标准电信号进行运算处理后,决定其输出频率实现对驱动电动机的转速调节,从而实现对供水的水量及供水压力调节,最终实现了对供水管网的压力调节 (即实现了恒压供水。
为了使该系统在运行过程中有更好的稳态和动态性能,必须合理选择变频器PI闭环控制功能参数。
4变频器内置调节器参数的选择[3]目前工业控制中,应用最广泛、使用最多的反馈方式之一是 PI D 控制方式。
PI D 控制适用于压力、流量、温度等过程量的控制。
PI D 控制器算法的形式为:根据设定值 R (t 与反馈值 (传感器测量值 C (t 计算所得的偏差值:e (t =R (t -C (tPI D 控制器将计算所得到的偏差的比例 (P 、积分 (I 和微分 (D通过线性组合形成控制量,近而对被控对象进行控制。
其控制规律用公式可表示为:u (t =K p [e (t +1T i τ乙 e (t +Tdd e (t d (t ]u (t =1[e (t +1iτ乙 e (t +Tdd e (t ]上述公式中参数 u 为输出, T i 为积分时间, K p 为比例系数, T d为微分时间, e 为偏差信号值, δ比例带,即惯用增益的倒数。
在 PI D 控制模式中,变频器根据比较给定值 (设定值和实际值(反馈值 ,自动调整输出频率。
两种信号的差值称作偏差值。
典型的 PI D控制应用于例如根据实际的压力、流量或温度调节电机的转速。
可根据不同的情况将各种传感器信号连接到变频器的模拟信号输入端,在水泵供水系统中,一般在外部使用压力传感器将压力信号连接到变频器上,变频器根据模拟信号的大小,通过其内部的模数转换器将其转变成相应的数字信号,近而控制水泵的运行与停止。
在本系统使用的变频器,已经具有了 PI D调节器。
该变频器每日可设定多段压力运行,以适应供水压力的需要。
也可设定指定日供水压力控制。
面板可以直接显示压力反馈值 (M Pa 。
这样通过变频器的控制面板,在变频器的 PI D 选项中选择合适的 PI D参数,并通过现场调试校正,就可以满足管网变频调速恒压供水的要求。
由于楼层中人群数量和用水时段的不同,楼层用水量一般是不稳定的,供水压力处于实时的变换过程中,所以在用水压力的变换过程中,恒压供水系统的闭环控制器一定要能及时的跟踪压力变化过程,这就需要闭环控制系统不但要有较好的稳定性,还要有较好的动态性。
基于以上要求,此系统采用比例积分 (PI 调节,既能消除稳态误差,又能产生较积分调节快得多的动态响应。
对于一些调节通道容量滞后较小、负荷变化不很大的调节系统,例如流量调节系统、压力调节系统可以得到较好的效果。
微分调节(D 用于超前校正,用于大惯性调节, 而水压变化较快,不能用微分调节。
变频恒压供水系统控制框图如图 3所示,PI D 主要参数设置如表 1。
管网压力的设置主要由 PI闭环控制功能参数决定, 其设置如下:先设 F 87=1(显示功能码 F 88~F 105 ,再设定控制压力为 20K Pa (F 97=0.020 ;多次调整比例增益和积分时间,并重新运行系统,比较每次系统压力基三相 380VA B CD X 0D X 1K M 1K M 2D X 2FR 1FR 2K M 4K M 3M 1M 2TS RW UV 变频器图 3变频恒压供水系统控制框图给定压力 P压差PI频率 f 转速 n 实际压力 V V V FM管网压力传感器P8第 4期图 4管网压力的实时曲线张琳 :变频恒压供水系统与 PID 调节器参数的选择本稳定后,测量数值与设定数值之间的偏差百分比,当比例增益为 P =500.0%(F 98=500. 0 , 积分时间 T i =1s (F 99=1时控制系统具有较好的稳定性和动态性。
利用上位机软件可观察实际测量数值与设定数值之间的关系,并可得到管网压力的实时曲线,如图 4所示。
从图 4管网压力的实时曲线中可观察到横坐标为时间轴,纵坐标为管网压力值,绿色曲线为管网压力变化的实时曲线,横向的水平红色直线为管网的设定压力值 20K Pa 。
从图中可知,系统从开始运行经过大约 2m i n达到管网设定压力值,即系统的上升时间为 2m i n,说明系统具有较好的快速性,能比较迅速的达到稳态值。
系统的峰值 (最大值为 23K Pa,系统的最大超调量为 15%,说明系统具有较好的稳定性。
由此可知当变频恒压供水系统中的 PI D 调节器参数设置合理时 F 98=500. 0, F99=1供水系统具有较好的稳定性和动态性。
该系统中 PI D 参数的在线调试非常容易。
这不仅降低了生产成本,而且大大提高了生产效率 [4]。
由于变频器内部自带的 PI D调节器采用了优化算法,所以使水压的调节十分平滑、稳定。
为了保证水压反馈信号值的准确、不失值,可对该信号设置滤波时间常数,同时还可对反馈信号进行换算。
该供水系统满足了变频恒压供水系统中的基本要求,利用改变系统中 PI D调节器的参数,使系统能够快速达到稳态值,并能在设定的压力值下稳定工作,使系统具有较好的动稳态性能,在实际应用中当需求压力降低时,电动机转速降低,泵出口流量减少,电动机的消耗功率大幅度下降从而达到节能的目的,是一种真正节能的变频调速恒压供水系统。
参考文献:[1]吕汀, 石红梅. 变频技术原理与应用[M ]. 北京:机械工业出版社, 2007:23-28.[2]王再英, 韩养社, 高虎贤. 楼宇自动化系统原理与应用[M ]. 北京:电子工业出版社,2009:123-130.[3]伊学农. 城市给水自动化控制技术[M ]. 北京:化学工业出版社, 2008:54-59.[4]吕景泉. 楼宇智能化技术[M ]. 北京:机械工业出版社, 2008:12-14.功能码91929495979899100101102103104名称最小给定量最小给定量对应的反馈量最大给定量最大给定量对应的反馈量压力指令比例增益 P 积分时间 T i 微分时间 T d 采样周期 T 偏差容限模拟给定滤波时间常数模拟反馈滤波时间常数设定范围0. 0%￣100. 0%0. 0%￣100. 0%F91的值￣100. 0%0. 0%￣100. 0%0. 000￣M i n{F37, 9. 999M Pa}0. 0%￣999. 9%0. 0(无积分效果￣100. 0s 0. 0(无微分效果￣100. 0s 0. 1￣100. 0s 0. 0%￣20. 0%(相对于闭环给定值 0. 1￣5. 0s 0. 1￣5. 0s设定值0. 020%100. 0%100. 0%0. 400M Pa 500. 0%1. 0s 0. 0s 0. 1s 0. 0%0. 5s 0. 5s 表 1PID 主要参数设置403224168019:57:5709:59:3310:01:0910:02:4510:04:2110:05:5720. 002011:06:1609:059:57管网压力 /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 ch i s m ade up ofa f r equency conver t erand pr essur e sensor s, et c. ,has been m ai nl y used t o suppl y wat erf ort al lbui l di ngs,and i s f ound t o be ener gy-savi ng,st abl e and dependabl e. Key words:f r equency conver t er ; PI D ; const antpr essur e wat ersuppl y9。