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 04-0007-03 DOI :10.3969/j.in.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; F 06=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; F 41=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 (t PI 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 +1 T i τ 乙 e (t +T d d e (t d (t ] u (t =1[e (t +1 i τ 乙 e (t +T d d 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 380V A B C D X 0 D X 1K M 1 K M 2

D X 2FR 1 FR 2 K M 4 K M 3 M 1 M 2 T S R W U V 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 F M 管网 压力传感器 P

8 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, F 99=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 1 PID 主要参数设置 4032 241680 19:57:57 09:59:3310:01:0910:02:4510:04:2110:05:57 20.00 2011:06:1609:059:57 管 网 压 力 /K P a t /m i n Frequency-Control Constant-Preure Water Supply System and the Choice of PID Regulator Parameters ZH A N G Li n

(TianjinBinhai Profeional College, Tianjin 300451,China Abstract :Thi s paperi s an i nt r oduct i on t o a f r equency-cont r olconst ant -pr eur 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 eur 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 eur e wat ersuppl y 9

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