任务2.3 变频器的PID运行

变频器PID恒压供水控制任务引入如图所示，在工业自动化控制中，恒压供水系统是PID控制的典型应用场景。本任务要求使用西门子V20和G120变频器，通过内置PID功能实现供水管网压力的自动调节，传感器将压力信号转换为电压信号反馈给变频器，变频器通过PID运算自动调节水泵转速，保持供水压力恒定。任务引入恒压供水系统PID控制结构示意图任务目标任务目标（1）理解PID控制的基本原理（比例、积分、微分的作用及特点）。（2）掌握G120C变频器PID工艺控制器的结构及主要参数（p2200、p2253、p2264、p2280、p2285等）。

（3）了解设定值与反馈值的常见来源及PID连接模式。1.

知识目标任务目标2.能力目标1.能根据恒压供水要求完成变频器PID控制的电气接线（模拟量反馈信号接入AI0）。2.能用Startdrive软件设置PID工艺控制器参数（使能、设定值/反馈值通道、比例增益、积分时间等）。3.能通过模拟量信号源调试PID响应，观察变频器频率随反馈值的变化。（1）通过实现G120在恒压供水，增强科技报国信心。（2）养成规则意识、标准意识和5S管理的职业素养，培养开拓创新的科学精神。任务目标3.素质目标任务准备为了实现本任务目标，需要先理解在自动控制系统中常采用的P（比例）、I（积分）和D（微分）控制方式，简称PID控制。PID控制是连续控制系统中技术成熟、应用广泛的控制方式，具有算法简单、易于实现、控制效果好以及应用广泛等优点。在过程工业、供水、供热和制冷等环节中，要求系统的被控量（例如容器中的液位、供水系统中的压力和流量、室内或冷却回路中的温度）恒定。负载在运行过程中不可避免受到干扰，系统的被控量易失去平衡而出现振荡，相对目标值（也叫设定值）存在偏差。对于该偏差，经过PID调节，可以迅速、准确地消除系统的偏差，恢复到设定值。例如高精度磨线机项目，如果能够将实时检测线径值反馈给PLC或变频器，通过PID控制调试转线电机的速度，能够提高加工精度。PID控制原理图PID控制系统，由控制器、执行器（电动机）和检测元件组成。控制系统随时将被控量的实际值检测信号（即反馈值）通过检测元件反馈到输入端，与被控量的设定值（即目标信号）进行比较，如果有偏差△x存在，则PID控制器会及时调整，使被控量能够迅速而准确地达到预定的控制目标，最终使控制系统稳定运行。PID控制原理PID控制器就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算，直至消除偏差。（1）比例控制按比例反映系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例控制立即产生调节作用以减少偏差。比例增益Kp的大小决定了实际值接近目标值的快慢，Kp越大，比例作用越强，稳态误差越小，系统响应越快；反之，稳态误差越大。Kp过大会使系统产生较大的超调和振荡，导致系统的稳定性能变差。(2)积分控制主要用于消除稳态误差提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI。TI越大，系统稳定性增加，但是调节速度变慢；TI越小，系统稳定性降低，甚至振荡发散。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。(3)微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。微分反映的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分时间常数TD越大，微分作用越强，响应速度越快，系统越稳定。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节相结合，组成PD或PID控制器。在系统要求不高的控制中，可以不用微分功能，因为反馈信号的每一点变化都会被微分作用放大，从而可能引起控制器输出不稳定。G120C变频器内部有PID工艺控制器，可以很方便地构成PID闭环控制系统，PID控制原理简图如图所示。通过传感器检测被控对象的实际值P2264（又称反馈值），将其与设定值P2253（又称目标值）进行比较。如果有偏差，则通过PID（P2280比例增益、P2285积分时间常数、P2274微分时间常数）控制作用，使偏差为0，即实际值与设定值达到一致。控制原理图如图所示G120C变频器PID工艺控制器G120C变频器PID控制原理简图G120C变频器PID运行的相关参数主要包括设定值通道、反馈值通道、比例、积分和微分等参数，具体如表所示。参数号参数名称说明p2200PID工艺控制器使能1：使能PID；0：禁用PID，出厂设置P1070主设定值p1070=r2294，主设定值与PID工艺控制器的输出r2294互联p2251PID工艺控制器模式p2200=1，p2251=0或1才生效。0：PID工艺控制器输出作为转速主设定值；1：PID工艺控制器输出作为转速附加设定值p2253PID工艺控制器设定值通道确定PID工艺控制器的设定值，出厂值为0p2264PID工艺控制器实际值通道确定PID工艺控制器的实际值，通常为传感器返回的标准信号，例如4~20mA，出厂值为0p2257PID工艺控制器上升时间确定设定值通道的加速时间和减速时间。出厂值为1.0sp2258PID工艺控制器下降时间p2274PID工艺控制器的微分时间常数设置PID工艺控制器的微分时间常数，出厂值为0.0S，微分功能关闭。微分可改善反应比较迟缓的控制数据的控制性能，p2280PID工艺控制器的比例增益设置PID工艺控制器的比例增益，出厂设置为1.0p2285PID工艺控制器的积分时间设置PID工艺控制器的积分时间常数，出厂值为30s，当p2285=0时积分功能关闭G120C变频器PID运行的相关参数其中使能PID控制功能。设置p2200=1时，激活PID工艺控制器。这时如果将数字量输入端子，比如设置P0840=722.0，当前变频器为PID控制运行。通过参数P2257和p2258可以设定加速和减速时间，分别为斜坡上时间和斜坡下降时间。P2253=r755.0时，AI0作为PID给定值，当P2264=R755.1时，AI1为实际值反馈通道。当模拟量波动较大时，可适当加大滤波时间p2256，确保系统稳定。任务实施根据任务要求，每组配备配电盘或试验台；G120C变频器1台、电动机1台、断路器1个、熔断器1个、导线若干；万用表1块、电工常用工具1套。请同学们根据任务和实训设备情况采用扑克牌分组法分组，完成项目分工计划表。组名

小组LOGO

组训

团队成员学号

角色

职责

分工计划表变频器PID恒压供水，如果选用G120C变频器只有1路模拟量输入用来连接反馈信号，速度给定需要通过端子或面板。根据任务要求和选用实训设备情况，绘制本任务的电气接线原理图。电气图绘制完成后，对照电气图检查评分表中评分标准，检查电气图是否存在错误或不标准的地方，完成表中小组自评和互评得分。评分点配分评分标准自评得分互评得分电气图设计绘制10正确设计绘制电气原理图和网络拓扑图，选择元器件，接线正确，图形符号和文字符号符合国家标准要求。每错、漏1处扣2分，不规范每处扣0.5分。

电气图设计与绘制电气图检查评分表电气安装根据绘制的电气图，结合实训设备，完成设备安装与线路连接。安装和接线完成后，按照电路检查评分表中的评分标准，进行自查和互查并在表中评出分数，评分采用扣分制，每项扣完为止。评分点配分评分标准自查得分互查得分元件安装1断路器、熔断器等位置安装不合理，每处扣0.5分

接线头工艺1导线必须压接接线端子，未压接每处扣0.5分

1接线端子露铜超2mm，每处扣0.5分

号码管工艺1导线两端必须套上编号合理的号码管，每少1处扣0.5分

线槽工艺1所有线垂直进线槽，盖上线槽盖，不合要求每处扣0.2分

导线工艺1导线颜色、线径等符合标准规范，不合要求酌情扣0.2-1分

保护接地1变频器应该可靠接地，没接地，扣1分

整体美观度1根据工艺连线的整体美观度酌情扣分

系统初步调试2上电前安全检查，上电后初步检测元件工作是否正常，检查局部电路功能；

能够正常上电，给1分

合计

电路检查评分表如果选用G120C变频器，模拟量端子3、4（AI0）接入反馈信号0~10V的电压信号对应0~10Bar的压力信号，同时将AI0通道上的DIP拨码开关置于“U”位置。变频器参数设计完成后，按照表变频器参数设计评分表，进行小组自评和互评。评分点配分评分标准自评得分互评得分参数设计20每错一处参数扣1分，扣完为止

参数设计变频器参数设计评分表如果选用G120C变频器，可以通过Startdrive软件设置PID工艺控制器参数并监控PID运行时的状态，如图所示。PID参数设置画面①在项目树下单击“参数”。②单击“功能视图”。③单击画面右侧“应用功能”下的“工艺PID控制器”。④在参数设置界面分别设置p2251、p2200、p2253、p2257和p2258等参数。其他参数的设置需要拖拽标记垂直滚动条以及水平滚动条或单击“参数视图”在相应位置处进行设置。确保所有连接正确无误，电源已接通。检查变频器面板显示是否正常，无故障代码显示。确保水泵和电机处于可运行状态，无机械故障。闭合启动开关，变频器接收到启动信号后开始运行。观察变频器面板上的显示信息，确认PID控制器已正常工作。根据实际压力反馈调整PID控制器的目标值、比例增益、积分时间等参数，以达到最佳的控制效果。任务评价组内检查完成，各小组顺序交叉验收，填写验收报告表。项目名称

建设单位

项目验收人员

验收时间

项目概况

存在问题

完成时间

验收结果功能测试技术水平施工质量材料归档

表

项目验收报告检查验收各组展示作品，介绍任务完成过程、制作展示PPT、整理技术文档并提交汇报材料，同时进行小组自评、组间互评、教师评价，完成考核评价表。展示评价评价考核评价表项目名称评价内容分值评价分数自评互评师评职业素养考核项目35%

穿劳保服和电工绝缘鞋，整洁5

安全意识、责任意识、服从意识5

积极参加教学活动，按时完成学生工作活页8

团队合作、与人交流能力5

劳动纪律6

生产现场管理5S标准6

专业能力考核项目65%电气