變頻器內藏PID功能在閉環控制系統中的應用

久智光電子材料科技有限公司 秦衛光 吳兆時

1.引言

交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電效果以及在國民經濟領域的廣泛適用性，已被公認為是一種最有前途的調速方式。在能源日益緊張的今天，變頻器作為交流調速的一種主要手段，在工業生產中取得越來越廣泛的應用。本文介紹的閉環恒壓供水系統采用三墾SAMCO-vm05型變頻器實現，詳細敘述了其實現閉環控制的內藏PID功能主要參數設置及閉環調試方法。

2.閉環供水系統的原理

該閉環系統應用于工廠的生產用水，其目的是向車間提供連續的水壓穩定的水。圖1是供水系統框圖。它主要由變頻控制箱、超壓排流閥、液位傳感控制器、壓力傳感器等組成。

圖1 閉環恒壓供水系統框圖

系統中，1#泵為恒速泵，2#泵為變頻調速泵。正常工作時，由1#泵抽取河水，經凈化后直接供生產車間，由于1#水泵供水量總大于車間用水量，因此設置了超壓排流閥，當管道水壓超過設定水壓時，排流閥開始工作，多余的凈化水被排到水池中，當水池水位到達水位上限時，系統控制1#泵停機，同時啟動2#泵，由變頻器控制2#泵向車間供水，當水池水位下降到水位下限時，2#泵停止工作，1#泵啟動運行，如此循環。

3.變頻器閉環控制

變頻器用于2#泵的控制，即在抽取水池水時，根據用水管網壓力的變化，通過變頻器實現自動跟蹤來調節水泵電機的轉速，保持用水管網壓力穩定。三墾通用變頻器SAMCO-vm05為用戶實現閉環控制提供了內藏的PID功能，它能將外部變送器輸入的模擬信號(4-20mA、0-5V、0-10V)反饋輸入到變頻器，并取得與變頻器設定頻率指令之間的偏差，進行P(比例)、I(積分)、D(微分)控制，從而使負載一側的動作跟隨指令值的變化而改變。

3.1 硬件原理

閉環控制的硬件原理如圖2所示。壓力傳感變送器將管網水壓信號轉變成4～20mA電流信號作為反饋輸入到變頻器的IRF/VRF2端子，外部壓力設定器將指定的壓力(0-1.0Mpa)轉變為0～10V電壓信號輸入到變頻器VRF1端子。變頻器根據給定值與反饋值的偏差量進行PID控制，輸出頻率控制電機的轉速，從而使系統處于穩定的工作狀態，管網水壓保持恒定。

3.2 閉環控制的相關功能代碼與參數

如圖2所示，變頻器的功能參數很多，這里只介紹與PID閉環控制相關的參數設置，需要說明的是SAMCO-vm05型變頻器內部PID控制采樣周期Ts為10ms。

圖2 閉環控制的硬件原理圖

Cd071=3 內藏PID控制模式

Cd120=5 反饋信號為4-20mA電流輸入

Cd002=3 給定信號為0-10V電壓輸入

Cd122=0.00-100.00 PID控制比例增益

Cd123=0.00-100.00 PID控制積分增益

Cd124=0.00-100.00 PID控制微分增益

Cd125=1-500 反饋輸入濾波時間常數

3.3 設定值和反饋值的頻率變換

在利用外部模擬信號作為設定值或反饋值時，輸入模擬信號最小值(0V或4mA)時頻率(偏置頻率)和最大值(5V或10V或20mA時的頻率(增益頻率)須根據其F-V特性(或F-I特性)來設定。

（1）設定值的頻率變換

圖3 設定值的頻率變換特性

外部壓力設定器將壓力0-1.0MP變換成電壓信號0-10V輸入到變頻器VRF1端子，其F-V特性如圖3。因此：

偏置頻率 cd054=0.0Hz

增益頻率 cd055=50.0Hz

（2）反饋量的頻率變換

圖4 反饋的頻率變換特性

壓力傳感器將管網壓力0-1.0MP變換成電流信號4-20mA輸入到變頻器IRF/VRF2端子，其F-I特性如圖4。因此：

偏置頻率cd062=-12.5Hz

增益頻率cd063=50.0Hz

3.4 閉環調試步驟與方法

?首先，將變頻器設在開環運行模式，檢測壓力傳感變送器反饋信號是否正常；

?根據傳感變送器的P-I特性和變頻器的F-I特性求出反饋量的偏置頻率cd062和增益頻率cd063；

?根據外部壓力設定器的P-V特性和變頻器的F-V特性，求出設定值的偏置頻率cd054和增益頻率cd055；

?設置負載電機可驅動的最高頻率cd007和最低頻率cd008，本系統中設置cd007=50Hz，cd008=15Hz；

?設置cd071=3為內置PID控制模式；

?增加cd122單元的比例增益直至系統開始振蕩，然后取振蕩時的增益的1/2來設定；

?增加cd123單元的積分增益直至系統開始振蕩，然后取振蕩時的增益的1/2來設定；

?微分增益在以壓力、流量為對象的控制系統中，由于滯后不大，一般設置為0；

?濾波時間常數cd125單元的值根據實際情況來調整，以消除信號傳輸過程中的干擾。

4.故障處理

4.1 變頻器故障

無論是從冗余設計原則還是從系統實際應用環境考慮，在變頻器發生故障時都要求不間斷供水。在本系統中，當變頻器突然發生故障，變頻自動運行系統自動停水并報警，然后2#泵進入工頻運行，當然工頻運行時，管網壓力不能自動控制，只能作為短時應急工作方式。

4.2 水位檢測故障

水池的水位信號采用浮子式液位控制器檢測，為防止液位控制器失靈，對水池低水位采用雙下限兩路觸點控制，當第一個水位下限觸點故障時，變頻器系統設有正常停機，待水位達到第二個下限(比第一下限水位略低)，系統發出報警信號，同時停止2#變頻泵，啟動1#工頻泵。

5.結束語

在供水系統中采用變頻調速運行方式，可根據用戶實際用水量的變化自動調節水泵電機的轉速，保持壓力穩定，實現恒壓供水，并且能節約能源，延長設備使用壽命，減輕工人勞動強度。三墾通用變頻器SAMCO-vm05型及SAMCO-i型為用戶提供的PID控制功能，其硬件輸入端子設置靈活，適用于各種傳感器。軟件參數設置方便，且提供了反饋量的數字濾波功能，適合于溫度、壓力或流量為控制對象的閉環系統中。目前，該系統已投入運行使用，性能穩定可靠，節能效果明顯，具有一定的先進性。

[1] 張燕賓.SPWM變頻調速應用技術[M].北京:機械出版社,1997.

[2] 趙秀菊.單片微機與測控技術[M].南京:東南大學出版社,1996.

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