一種儀控恒溫供水的方法

鄒永衛 劉浩

【摘 要】本文介紹一種數字顯示控制儀，該型儀表自帶LED數碼顯示，支持多種分度號模擬量輸入，并且具有繼電器報警值輸出功能，操作簡單方便。使用SWP-C403-01-23-HL的繼電器報警功能，可實現對電磁閥的控制，實現對罐體液位控制。通過SWP-C403-02-23-HL將Pt100型熱電阻信號轉換為4-20mA電流輸出，作為變頻器PID調節閉環控制的反饋信號，實現對水溫恒定控制的目的。

【關鍵詞】數字顯示儀表；PID；變頻器

一、引言

由于沿用早期設計缺陷，浴室內只埋設有單根管路，個人無法自主對其進行冷熱水調節，目前方法是使用外設水罐利用電加熱方式將水加熱到合適溫度，人員直接使用無需調節。

為響應國家節能降耗號召，有效利用空壓機產生余熱，實現能源充分再利用。本項目將原電加熱淋浴系統改為利用空壓機機頭產生的余熱，通過與空壓機換熱器進行熱交換，達到空壓機機頭降溫同時加熱浴室水溫的目的。通過變頻器PID調節控制循環泵的轉速，控制循環水與空壓機機頭的熱交換速度，最終達到恒溫的效果。

二、調試過程

混水罐屬于非密封承壓罐，高約5米。選用40KPa壓力式變送器用于液位測量。變送器具體型號為JC-E321TG4SJ1NE33d（0-40KPa）兩線制4-20mA。將取壓口設置在罐體下部，將信號引入數顯表，設定參數，該數字顯示控制儀換算得出液位高度，同時顯示液位。設定報警功能（AL1），用以控制補水電磁閥的通斷，低液位輸出報警控制電磁閥打開來補水。設定適當的回差值（AH1），可防止輸出繼電器在報警臨界點上下波動時頻繁動作，延長電磁閥的使用壽命，同時保證罐體內水位能夠滿足一定數量職工同時洗浴時的水量要求。

具體參數設置如下：

為能夠監測罐體內水溫，同時將溫度信號實時傳遞給變送器用于閉環控制，本項目選用Pt100型熱電阻來測量罐體內水溫。該型測溫元件具有測量精度高，是中低溫區常用的測溫設備。將熱電阻信號引入到SWP-C403數字顯示儀表，選擇合適的分度值類型（SL0），操作人員則可以直接通過數碼管讀取罐體內實時溫度值。同時利用數顯表的變送輸出功能將4-20mA信號給變頻器的模擬量輸入1作為反饋信號。通過面板設定目標值與電機的基本參數，用于PID控制的參數后，變頻器即可進行PID調節。通過比較內部設定值與反饋信號的差值，按照設定的P、I、D系數來改變頻率變化實現溫度的控制。

具體設置參數如下：

變頻器基本參數設置如下：

注：Ain1 通道DIP撥碼打到ON

為保證人體最佳淋浴水溫，必須要求溫度波動較小，考慮管路散熱距離，參考溫度設定在42℃（冬季可調），即主設定值P2240為28.47%（Pt100溫度信號經過SWP40變送輸出范圍為-200℃-650℃）。Pt100溫度經過SWP-C40變送后輸出4-20mA電流信號接入MM440模擬量輸入1作為反饋信號PV，進行閉環負反饋控制（P2271=0）。即隨著溫度升高，反饋給變頻器的信號增大，變頻器的輸出頻率降低，減少熱交換效率，從而使溫度維持在合理的區間。通過反饋值PV與目標值SP不斷比較，按照設定PID參數調節，使溫度圍繞42℃上下小幅波動。

PID參數部分設置如下：

在本項目中由于存在浴室用水量不確定，當混水罐內液位低于2米時，即打開補水閥門連續補水直至液位到達3.5米停止。在此過程中由于水罐內溫度快速降低，因為水存在滯后性，這些都會產生滯后現象。這就需要利用變頻器自帶的調節功能來實現溫度的基本恒定。

本項目中僅探討變頻器的參數整定，不對PID調節的工作原理進行分析。能否達到恒溫以滿足使用條件，變頻器中PID控制器的參數整定是整個控制系統設計的核心內容。根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，大體分為兩大類：

* 理論計算整定法。它主要是一句系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法得到的計算數據未必可以直接使用，還必須通過工程實際進行調整和修改。

* 工程整定法。它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的實驗中進行，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，共同點是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。

在本文中采用工程整定法進行整定。比例值的大小應視具體情況而定，比例太小，控制作用太弱，不利于系統克服擾動，控制質量差；比例太大，動態響應越快，消除誤差的能力越強，但容易導致系統的穩定性變差，引發震蕩。且單純的比例調節會產生余差，要克服余差就必須引入積分作用。在輸入和輸出平衡的時候，此時隨著時間的推移，累積誤差會越來越大。

積分項有消除系統穩態誤差，提高無差度的作用。積分時間越小，積分速度越大，作用越強。積分作用過強可能引起系統不穩定，因此，積分時間也要取合理數值。

微分調節作用效果是阻止被調參數的變化，有超前調節的作用。對滯后大的對象有很好的效果。

在實際調試過程中，通過借助無紙記錄儀的幫助，可將每一次參數整定生成曲線保存下來，能夠直觀的觀察整定過程和效果，比對多組試驗的數值后，取曲線較為理想的整定參數作為最終整定值輸入變頻器。

三、結束語

通過對本次項目的實踐，基本掌握了SWP-C40系列數顯表連接不同儀表的使用方法，并且通過與MM440變頻器的的結合，利用其自帶PID功能較為方便的解決了現場的一些實際問題。在調試過程中對于PID調節原理以及參數整定的方法有所了解，為今后的其他工作提供了有益的借鑒。

【參考文獻】

【1】姚錫祿，變頻器控制技術與應用[M]，福建科學技術出版社，2005.

【2】呂增芳，PLC和MM440變頻器在循環水中的應用【J】工業控制計算機，2009（11）： 98-99.