基于PLC的模糊PID變壓器變頻冷卻系統研究

曹石　曹麗蘋　安衛超

摘要：溫度對變壓器的穩定性和壽命有較大的影響，目前中大型變壓器的散熱一般使用風冷強迫油循環的方式。冷卻器的運行狀態對變壓器的散熱性能起決定性作用。傳統的切換方式一般采用繼電器硬觸點接觸，精度較差，而常規PID控制方法參數一旦設定難以實時根據設備狀態進行參數更新，難以滿足大慣性非線性系統的需求，因此本文設計了基于PLC的模糊PID控制法變頻調節冷卻器的運行方案，實驗結果可知，該系統運行穩定，通過實時采集變壓器頂層油溫的溫度，使冷卻器扇葉轉速處于自適應狀態，該系統相對常規PID控制法對于大慣性、長時延的非線性控制系統具有較好的控制效果。

關鍵詞：PLC;模糊 PID;變壓器冷卻

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.24.080

0引言

由于鐵損和銅損的存在，變壓器運行中會產生熱量，使變壓器鐵芯、繞組和油的溫度升高。變壓器對溫度極為敏感，溫度升高會減少變壓器的壽命。根據變壓器銘牌使用壽命20年的標定下，要求變壓器最熱點溫度要運行在98°C以下方可滿足。當變壓器的運行溫度每升高6°C其真實使用壽命將會減少50%。因此控制變壓器合理的運行溫度對于變壓器的運行壽命節省有色金屬開銷來說起到舉足輕重的作用，因此必須采用合理的冷卻方法。

目前，風冷強迫油循環的冷卻方式廣泛地應用于中大型變壓器的冷卻系統中，這種方式多依靠傳統繼電器的動作或者使用溫度傳感器采集溫度信號后傳給PLC設置閾值發出動作信號驅動相關繼電器動作來進行冷卻器的投切，該方式目前以下幾點存在問題：

（1）投切冷卻器主要依靠采集溫度信號進行硬接點控制，容易使冷卻器頻繁投切。

（2）冷卻器的四種工作狀態（即工作、輔助、備用、停用）無法在線設定。

（3）傳統繼電器元件動作不可靠，容易發生誤動作及拒動作，精度低。

（4）冷卻器運行采用定頻方式，相比變頻節能性差。

（5）自動化程度低，需要人為干涉，無法遠程監測。

因此筆者制定了基于PLC的變頻調節冷卻器的運行方案，通過實時監測變壓器頂層油溫的溫度，根據模糊PID的控制原則，實時調節變頻器的輸出頻率，使冷卻系統處于最佳的工作狀態。

1硬件系統設計

該系統使用西門子公司的S7-200 224 PLC以及SINAMICS G120變頻器作為核心，利用 PT00熱電阻采集模擬溫度信號與智能數字式溫度測量儀實時采集變壓器油頂部溫度。其中PT100為線性溫變電阻，以電阻值的變化為溫度值的輸出為模擬量，但EM235模塊作為模擬量輸入輸出轉換單元時，EM235無法直接使用電阻信號，此時應將電阻信號通過溫度變送器轉換為4-20mA的電信號，方能被EM235模塊識別。智能數字式溫度傳感器使用DS18B20溫度傳感器，測量結果為數字量，可通過MODBUS總線進行設備間信息通信。SINAMICS G120為西門子公司出品的緊湊型變頻器，操作簡單方便快速調試。利用Fuzzy-PID算法動態更新冷卻器最佳的運行狀態。該系統使用雙變頻器互為冗余備份，提高系統運行的安全性與可靠性，該系統結構如圖1所示。

2模糊PID系統設計

由于變壓器冷卻控制具有系統慣性大、時延長、非線性的特點，很難精確建立數學模型。常規PID控制法雖然應用廣泛，控制精度高，但是針對本系統來說控制效果比較差，因為一旦PID參數確定以后，就無法改變，無法滿足自適應狀態。而使用模糊控制不需要精確的數學模型，且易獲得專家知識，并具備較強的推理預測能力。而PID調節可將模糊控制中的穩態誤差消除，所以將模糊控制與PID控制兩者的優點相結合能極大地提高該系統調節速度及精度以及穩定性。

在模糊PID控制系統中，設定值為r（t），輸出值為y（t）即變壓器頂層油溫測定值，r（t）與y（t）的偏差為e（t），ec（t）為偏差變化率。經模糊處理即可得到修正比例系數ΔKp、積分系數ΔKi、微分系數ΔKd，將此三項參數送入至PID控制器即可得到u（t）的輸出，再將u（t）的值送入變頻器即可精確控制冷卻器扇葉的轉速，該系統控制流程如圖2所示。

2.1輸入輸出量模糊化

輸入量E和EC可經溫度傳感器采集數據獲取，輸出量為ΔKp、ΔKi、ΔKd三個PID控制修正參數，選擇語言變量{NB負大、NM負中、NS負小、ZO零、PS正小、PM正中、PB正大}共7個描述輸入的模糊子集，控制量論域范圍{-3、-2、-1、0、1、2、3}。使用計算公式7（E+3）+（EC+3）可得ΔKp、ΔKi、ΔKd的參數。

2.2模糊知識庫及推理

模糊知識庫是對于復雜系統根據現場人員經驗及操作數據，結合當前運行情況總結出來的控制方案。

在本系統中，若輸入量偏差較小，則Kp、Ki應取較大值，以滿足系統的穩態性能，選取適當的Kd值提高系統的抗干擾性。

若偏差中等，Kp應取較小值同時選取適當的Ki、Kd值可減小系統的超調量。

若偏差較大時應選取較大的Kp值，Kd值應取小這樣可提高系統的響應速度，同時應該消除積分環節防止積分過飽和，因此Ki取0。

使用MATLAB7.0軟件輸入fuzzy命令，進行輸入量輸出量的建立。輸入量為E與EC，輸出量為三個PID修正參數，圖3為控制變量在Matlab中的設置。

選中輸入輸出量可建立模糊控制規則，該系統模糊控制規則為：if e=NB and ec=NB then Kp=PB and Ki=NB and Kd=PS。

解模糊即利用最大隸屬度的方法來將模糊控制器輸出的模糊值轉化為實際輸出值。

3控制器設計

常規PID控制法簡單易懂便于實現，現已廣泛使用，但其參數需手動調整設定，在非線性時變系統中容易產生較大的超調量，響應速度差。因此本設計使用西門子S7-200系列PLC作為主控核心，該PLC為西門子一種小型化可編程控制器，最多可支持8路PID控制回路，具備聯網功能，可實現實施較復雜的控制方案。利用與之配套的STEP7軟件對模糊控制進行編程處理，完成后即可調整PLC控制器的PID參數，在原有PID參數的基礎上加權由解模糊環節輸出的3個PID修正值即修正比例系數ΔKp、積分系數ΔKi、微分系數ΔKd，得到最終的PID值。結合D/A轉換及變頻器最終實現對冷卻器的投切及風葉的轉速的控制。PID控制器與輸出值u（t）的關系為：