利用變頻器內置PID 功能真空泵負壓閉環控制的實現

◎馬梁華 陳洪寬

引言

在工廠，據有關文獻統計，80%以上的控制回路或回路的末端，都采用PID 控制功能；這說明了PID 的適應性、應用性極強；通常在工廠設備控制中，會出現控制對象復雜、特性多的情況，譬如涉及溫度、壓力、流量、液位等等。

因而，掌握、用好PID 控制思路、硬件調試、對象控制，是一個動力部門的電氣控制維護人員的必修課程和必要技能；用好、用熟PID 控制器，也是一個工程技術人員基本要求。

從另外一個視角來看，任何控制本身，都期望有效、簡單、穩定、可靠和經濟；特別像動力設備，點多、面廣、環境復雜，這就對上述的期望有更強烈的需求；本文正是基于此，對變頻器內置PID 功能的設置和調試，就以工作實際中對一臺真空泵進行恒壓閉環PID 控制實踐做介紹。

一、問題的提出

通常情況下，做一個PID 的控制，必然要有一個PID 的控制器。一般通過以下幾種方式來實現：

1.常規的PID 儀表硬件實現。

2.利用PLC 程序自帶的PID 控制塊。

3. 利用PLC 的PID 硬件控制器（如西門子的FM355 模塊等）。

上述方式，都能較好的實現PID 功能。但是也存在一些問題：

1. 布線過長，動力設備的的分散性通常導致這樣一個問題。線路長帶來一系列的問題，比如信號衰減、易受干擾、維護不便等。

2.過于集中的控制，也存在集中的風險。系統的故障，容易導致整個設備的癱瘓。

3.利用常規PID 控制儀表，儀表的穩定性和故障率及相關的電源等導致的問題，都會導致控制的故障。

4.在大型的DCS 或PLC 中，模擬量的提取也要增加模擬量模塊，增加硬件配置費用。

二、問題的分析

習慣上，在變速類和變速能實現調節變量的調節控制中，我們只把變頻器作為一個執行單元；但是隨著電子技術的發展，很多廠家把PID、多階段控制等簡單常用的功能集中在了變頻器上，這就為我們相關控制功能的實現，找到了另外一種控制思路。

1.經濟性上，把變頻器自帶調節功能用上，同時，無論是DCS，還是PLC，都可以減少很多輸入輸出點。

2.線路上，大多數變頻器，都是就地、現場安裝，線路就留下現場儀表的反饋輸入，線路大幅減少。（其實這也是經濟性的一部分）相應的故障和維護也大幅減少。

3.穩定與可靠性上，現在變頻技術越來越成熟穩定，相應內部的器件的穩定性在同一檔次上，其可靠性相比一般儀表，性能更優。

三、改進措施與方法

下面，筆者結合實例，來介紹利用變頻器內置PID 功能，實現回路閉環控制的過程：

1.工況現狀。

a.結締納士2BE1 303-0BY4（如圖1）真空泵兩臺，一用一備。拖動電機75kW；

圖一

b.變頻器兩臺，型號為：富士FRENIC5000G11S/P11S）；當時僅作為啟停真空泵用，運行頻率調整是手動調整，根據卷包設備運行狀況來選定一個大概值，考慮到大負荷情況，頻率設定基本處于55Hz 定速運行，這樣就會造成小負荷的時候有浪費。

2.改進措施的要點：

a.利用原有設備，進行PID 自動控制。

控制對象：真空泵輸出的壓力值。

控制的期望值：45kPa.Abs；

控制器：采用富士FRENIC5000G11S/P11S）自帶的PID 控制器

反饋量：真空泵輸出的壓力值。

反饋檢測設備：在管道上新增一臺壓力表：橫河微壓傳感器EJA510A-EAS9N-09N，其量程：0--101.5kPa；（圖二）

圖二

b.硬件接線：如圖三所示。

圖三

參考P11S2-3-1，反饋元件的硬件安裝、電源、接入變頻器的端子；

c.控制極性。

控制極性，其實是我們通常說的正作用、反作用的問題。

其實它包括兩個方面的內容：

1）PID 輸出的極性。（如：圖四）也就是說，控制中，我們期望PID 輸出是正作用，還是反作用。

圖四

2）反饋的極性。作為一個閉環控制系統，通常我們使用負反饋。其作用，通常對應量程，采用正作用；（如：圖五）。現實使用中，在智能儀表出來前，傳感元件的量程和變送輸出的信號是固定的。例如：壓力變送器：量程0—1.6MPa，對應信號：4—20 毫安。極性是固定的，如果我們期望，0—1.6MPa，對應信號：20—4毫安，這個時候我們可以采用反饋的極性選擇中的負極性或者說反作用，就能夠簡單解決。

圖五

3.控制原理如圖六。

圖六

4.方法和過程。

a. 參考企業本地的大氣壓力，約為80.1kPa 利用HART 375對其量程進行了遷移。

遷移后，其量程為0—80 千帕ABS，對應變送輸出4—20Ma；

b.參照圖三連線。

c.參數設置。

1）設定F01：設定值為“0”（變頻器鍵盤輸入工作的目標值）

2）設定E01：設定值為“11”（采用F01 設定頻率1“Hz1”）

3）設定E20：設定值為“20”（打開變頻器的控制功能）

4）設定E40：設定值為“80”（變送器的最大量程）

5）設定E41：設定值為“0”（變送器的最小量程）

6）設定E43：設定值為“10”（由面板輸入PID 的設定值）

鍵盤跳出閃爍數字后輸入目標值：25。（工藝要求，真空度為-65～-45kPa，即：15～35 kPa ABS；）

7）設定H20：設定值為“1”（PID 工作模式正作用）

8）設定E41：設定值為“2”（反饋工作模式負作用，這里設定負作用，其實是考慮一種極致情況：壓力變送器故障和斷線，可能造成的控制風險；）

9）設定H22、H23、H24：設定值為“3”“0.4”、“0（P、I、D 的初始值，這里筆者的設定是按壓力類對象的一個經驗值來設定。參考表一：一般對象的PID 取值參考）值的提醒的是，表中的數據P，通常沿襲傳統的取值，稱為比例盤，是1/Kp 的意思，在現在的很多儀表和PLC 構架下的DCS，包括本例中的變頻器內置PID 中的P，是直接的Kp 值。這中間有個互為倒數的關系；

一般對象的PID 取值參考，如表一：

表一

10）最后，筆者認為，現實的調試過程中，非常有必要設定一下變頻器的高低限制，作為生產中的調試，這也是把控工藝控制風險的最后一個屏障，這個限制的設置，在過程控制中，是設備安全和工藝安全的必要考慮；這里筆者對F15（運行頻率下限）F16（運行頻率上限）做了設定。

設定值：F15 設定為48Hz；（之前，在設備運行時，手動調整觀察的一個結果）

F16 設定為60Hz（電機與泵力矩匹配的上限）

d.調試和測試。

1）運行真空泵。用真空管道的總閥門啟閉，模擬負壓負荷的變化，基本能跟蹤設定；響應較快，考慮到管道距離有限，不足體現工況的容積帶來的慣性，參數未做調整。2）考慮到真空管道較粗，較長，容積較大（真空管主管為DN400，約50m；支管最長約140m，DN200—dn80）所以，以10s作一個時間刻度，記下頻率值，之后，以60Hz 手動運行變頻器。根據記錄的頻率值，繪制成響應動作曲線；參考下面的經驗調整思路

，進行pid 的調整。

經驗調整思路

參數整定找最佳，從小到大順序查

先是比例后積分，最后再把微分加

曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大

曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳

曲線偏離回復慢，積分時間往下降

曲線波動周期長，積分時間再加長

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來

動差大來波動慢。微分時間應加長

理想曲線兩個波，前高后低4 比1

一看二調多分析，調節質量不會低

3）重復第二步，直到得的較滿意的結果。

四、采用PID 調節后的效果

1.利用變頻器自帶PID 控制器，進行自動控制方式后，真空度的控制精度得到了很好的保證。如下圖七所示：

圖七

2.運行一周后，控制正常。一月后再次確認控制趨勢，控制良好。后來的半年驗證，不僅真空度控制得好，因為避免了原來控制不穩定的工況因素，上圖是兩個日期，相同的時間段記錄的真空度比較。藍色是控制前的記錄，紅色是控制后的記錄，真空度在控制后變得平穩。

3.產生了較大的節能效益。

真空泵電機75 千瓦，平均每小時耗電（能源網電計量得到）約73.06 千瓦時，改造后約為平均每小時耗電54.83 千瓦時。

五、結語

變頻調速或者變頻拖動，在工業應用中不是什么新鮮的內容。如何在工藝目的和安全要求都達到的情況下，拓展變頻和調速的價值和使用，才是一個技術人員對技術充分掌握的體現。工作業務的創新，對一個技師而言，是把成熟的技術，能夠綜合運用好。