利用变频器内置PID实现的闭环控制系统

1、普及与提高POPULARIZATION &RAISING利用变频器内置PID 实现的闭环控制系统张西虎(南京航空航天大学,江苏南京210016摘要:介绍采用西门子通用变频器实现闭环恒压供水系统,并介绍了内置PID 闭环控制的参数及调试方法。关键词:P ID;闭环控制;P L C中图分类号:T M 921.52文献标识码:B 文章编号:1001-6848(200104-0054-03The C olsed -loop Control System With Internal PID of Siemens InverterZHANG Xi-hu(N anjing U niver sity

2、of A er onautics and A str onautics,N anjing 210016,ChinaAbstract :T his paper intr oduces a closed-lo op iso barica lly w ater supply sy stem w it h siemens inv ert er.A nd also clo sed -loo p par ameter s ,debug met hod are pro vided .Key words :PID ;clo sed-loo p co nt ro l;PIC收稿日期:2001-09-221引言供

3、水系统中对水压流量的控制,传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比,因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制,同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。本文所介绍的闭环恒压供水系统采用西门子通用变频器实现,详细叙述了用于实现闭环控制的内置PID 主要参数及闭环调试方法。该系统结构紧凑,工作可靠,操作简便。2闭环恒压供水系统原理闭环恒压供水系统包括西门子变频器、PLC 、液位控制器、压力传感器和液位传感器。图1是闭环恒压供水系统框图。供水系统中使用水泵的目的,是向各末端水龙头连续稳定地供给水压适当的水。因此不论供水量多少,必

4、须控制水泵的压力恒定。使用变频调速的水泵,其压力控制常采用出口压一定制。压力传感器装在水泵附近的主出水管,感受到的压力转化为电信号(420mA 作为反馈信号。变频器内置PID 调节器作为压力调节器,PID 调节器将来自压力传感器的压力反馈信号与出口压力给定值比较运算,其结果作为频率指令输送给变频器, 调节水泵的转速使图1闭环恒压供水系统框图出口压保持一定。即当用水量增加,水压降低时PID 调节器使变频器输出频率增加,电机拖动水泵加速,水压增大;反之,当用水量减少,水压上升,PID 调节器使变频器输出频率减少,电机拖动水泵减速,水压减小。闭环恒压供水系统设计为二用一备方案。即正常时2台水泵运行,

5、1台作为备用。3变频器闭环控制3.1概述根据供水管网压力的变化,通过变频器实现自动跟踪来控制水泵电机的转速,使供水管网中保持恒定的压力,以达到最佳供水及高效节能目的。西门子M ICRO M AST ERHE 和M IDI M ASTER 型变频器都为实现闭环控制提供一个PID 闭环控制功能。这种闭环适用于温度或压力控制,以及那些变化过程慢的控制。不适用于要求快速响应的系统中。图2是闭环控制框图。3.2硬件设置54微电机2001年第34卷第4期(总第121期 图2闭环控制框图闭环控制反馈信号的输入端X503(M ICRO M AST ER或X2(M IDI MAST ER,可以是020m A 电

6、流信号,也可以是05V 电压信号,通过SW 2进行选择,输入信号分辨率是8位。如果变频器不需要模拟量给定,反馈信号能被接到X501的端子3和4,SW1开关选择接受010V 或420m A 信号,信号分辨率为10位,图3是闭环恒压供水系统硬件电路。调节P1进行水压设定,变频器的启/停由PIC 控制。图3闭环恒压供水系统硬件电路3.3变频器参数设置P 081=50,额定频率,Hz P 082,额定转速,r /min P 083,额定电流,AP084=380,额定电压,V P085,额定功率,kWP 001=7,操作面板显示PID 反馈信号%P 002=25,加速时间P 003=40,减速时间P00

7、6=1,选择模拟量控制,端子模式P012=10,电机最低运行频率P013=40,电机最高运行频率P 051=1,端子8定义为启动控制端P061=12,PID 闭环电机低速极限制值时输出开关量RL 1P 062=13,PID 闭环电机高速极限制值时输出开关量RL2P 201=1,0=正常运行,1=闭环过程控制P202=0.5,比例系数P203=0.05,积分系数P204=0,微分系数P 205,对反馈传感器的采样周期P206=30,0=滤波器关断,1225=用于传感器信号的低通滤波P208=0,0=当电机转速提高时,引起传感器输出电压/电流增加,1=当电机转速提高时,引起传感器输出电压/电流降低

8、P210,传感器信号读值的百分比P211=30,P210中的值被维持在0%设定值P212=80,P210中的值被维持在100%设定值P 220=1,0=正常操作,1=在最小频率时或低于最小频率时关断变频器3.4水位检测蓄水箱的水位(高水位、低水位信号采用OM RON 液位控制器检测。若蓄水箱的水位过高,则关闭蓄水箱进水阀门;若蓄水箱的水位过低,则停止运行并报警。水位检测系统包括OM RON 液位控制器、电极保持器和电极棒。根据蓄水箱的水位,61F-G1型液位控制器适时输出水位信号,并送PLC 参与控制。3.5PLC 硬件电路选用西门子SIM ATIC S7-200系列可编程控制器来实现无触点控

9、制和水位的监视,它取代了常规的继电逻辑控制。SIMA TIC S 7-200是西门子推出的紧凑型可编程控制器,它指令处理周期短,每1K 语句执行时间为0.8m s,带有高速计数器;本机输入点数14DI/10D0,并且扩展方便,最多可扩展7块模板,其中可以是5块数字模板或4块模拟板。同时友好的ST EP 编程软件和功能强大的编程器方便55利用变频器内置P ID 实现的闭环控制系统张西虎了编程。3.6PLC软件功能接受控制柜启动按钮、停止按钮信号完成对供水系统的启动、停止控制。完成输出接触器的联锁控制。接受变频器送来的高速限制和低速限制。接受水位信号,完成低水位停泵报警,以及高水位进水阀门关闭和报

10、警。定时自检,自动启泵运转,每台泵定期循环开启,遇有故障自动报警。电机热报警。3.7PLC软件设计思想控制系统根据要求可以选择手动/自动运行。手动时,可以选择每台水泵工频运行;自动时,完全由PLC软件控制运行。程序设计思想:自动运行时,根据供水管网中用水量和压力变化适时调整工频运行水泵台数和变频运行水泵频率,同时完成水位信号与运行联锁控制。3.8调试方法首先使系统开环运行,检测压力传感器反馈的电信号是否正确。检查P208参数值,P208与传感器类型有关。如果反馈信号随电机转速增加而减小,选择P208= 1。否则,P208=0。设置P211、P212。若传感器量程为010kg,对应的输出信号为4

11、20mA。若希望压力在38kg,则:P211=(欲设定最小值-传感器最小值传感器量程P212=(欲设定最大值-传感器最小值传感器量程P211=30%,P212=80%使P201=1设置为闭环控制。增加P202比例系统直到系统开始振荡,则取P202=P202振荡时×0.35增加P203积分系统直到系统开始振荡,则取P203=P203振荡时×0.50通常微分系数不需要设置。调整P206传感器滤波值,消除信号传输过程中带来的干扰。以上快速设定方法,适用于大多数应用。4结论所述的闭环恒压供水系统工作稳定,高效节能。由于水泵调速运行,根据供水量需求,自动开启水泵台数。管网用水量低谷时

12、,电机自动降低速度,因此节能效果明显。采用变频控制,水泵启停时无冲击电流。系统能够自动鉴别每台泵的工作状态,根据管网压力的变化,压力传感器反馈给变频器及PLC进行处理,实现自动循环切换泵的工作台数,保持管网压力恒定。发生故障时,自我诊断功能强,并发出声光指示报警。西门子变频器提供的PID功能,其硬件输入端子灵活适用于各种传感器,它提供了数字滤波,且参数设置方便,适宜作为温度、压力或流量等的闭环控制。将控制系统中的压力传感器替换为其它传感器(如温度、流量,即可推广到其它应用领域。参考文献:1朱仁初.电力拖动控制系统设计手册M.北京:机械工业出版社,1992.2SIEM EN S.M icro master and M idimasterM.变频器手册,1997.作者简介:张西虎(1967,男,助理研究员,硕士,主要从事传动技术及航