一種儀控恒溫供水的方法

鄒永衛(wèi) 劉浩

【摘 要】本文介紹一種數(shù)字顯示控制儀，該型儀表自帶LED數(shù)碼顯示，支持多種分度號(hào)模擬量輸入，并且具有繼電器報(bào)警值輸出功能，操作簡(jiǎn)單方便。使用SWP-C403-01-23-HL的繼電器報(bào)警功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)罐體液位控制。通過SWP-C403-02-23-HL將Pt100型熱電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA電流輸出，作為變頻器PID調(diào)節(jié)閉環(huán)控制的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫恒定控制的目的。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字顯示儀表；PID；變頻器

一、引言

由于沿用早期設(shè)計(jì)缺陷，浴室內(nèi)只埋設(shè)有單根管路，個(gè)人無法自主對(duì)其進(jìn)行冷熱水調(diào)節(jié)，目前方法是使用外設(shè)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(diào)節(jié)。

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗號(hào)召，有效利用空壓機(jī)產(chǎn)生余熱，實(shí)現(xiàn)能源充分再利用。本項(xiàng)目將原電加熱淋浴系統(tǒng)改為利用空壓機(jī)機(jī)頭產(chǎn)生的余熱，通過與空壓機(jī)換熱器進(jìn)行熱交換，達(dá)到空壓機(jī)機(jī)頭降溫同時(shí)加熱浴室水溫的目的。通過變頻器PID調(diào)節(jié)控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，控制循環(huán)水與空壓機(jī)機(jī)頭的熱交換速度，最終達(dá)到恒溫的效果。

二、調(diào)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(cè)量。變送器具體型號(hào)為JC-E321TG4SJ1NE33d（0-40KPa）兩線制4-20mA。將取壓口設(shè)置在罐體下部，將信號(hào)引入數(shù)顯表，設(shè)定參數(shù)，該數(shù)字顯示控制儀換算得出液位高度，同時(shí)顯示液位。設(shè)定報(bào)警功能（AL1），用以控制補(bǔ)水電磁閥的通斷，低液位輸出報(bào)警控制電磁閥打開來補(bǔ)水。設(shè)定適當(dāng)?shù)幕夭钪担ˋH1），可防止輸出繼電器在報(bào)警臨界點(diǎn)上下波動(dòng)時(shí)頻繁動(dòng)作，延長(zhǎng)電磁閥的使用壽命，同時(shí)保證罐體內(nèi)水位能夠滿足一定數(shù)量職工同時(shí)洗浴時(shí)的水量要求。

具體參數(shù)設(shè)置如下：

為能夠監(jiān)測(cè)罐體內(nèi)水溫，同時(shí)將溫度信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給變送器用于閉環(huán)控制，本項(xiàng)目選用Pt100型熱電阻來測(cè)量罐體內(nèi)水溫。該型測(cè)溫元件具有測(cè)量精度高，是中低溫區(qū)常用的測(cè)溫設(shè)備。將熱電阻信號(hào)引入到SWP-C403數(shù)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(shù)碼管讀取罐體內(nèi)實(shí)時(shí)溫度值。同時(shí)利用數(shù)顯表的變送輸出功能將4-20mA信號(hào)給變頻器的模擬量輸入1作為反饋信號(hào)。通過面板設(shè)定目標(biāo)值與電機(jī)的基本參數(shù)，用于PID控制的參數(shù)后，變頻器即可進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。通過比較內(nèi)部設(shè)定值與反饋信號(hào)的差值，按照設(shè)定的P、I、D系數(shù)來改變頻率變化實(shí)現(xiàn)溫度的控制。

具體設(shè)置參數(shù)如下：

變頻器基本參數(shù)設(shè)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(dòng)較小，考慮管路散熱距離，參考溫度設(shè)定在42℃（冬季可調(diào)），即主設(shè)定值P2240為28.47%（Pt100溫度信號(hào)經(jīng)過SWP40變送輸出范圍為-200℃-650℃）。Pt100溫度經(jīng)過SWP-C40變送后輸出4-20mA電流信號(hào)接入MM440模擬量輸入1作為反饋信號(hào)PV，進(jìn)行閉環(huán)負(fù)反饋控制（P2271=0）。即隨著溫度升高，反饋給變頻器的信號(hào)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(qū)間。通過反饋值PV與目標(biāo)值SP不斷比較，按照設(shè)定PID參數(shù)調(diào)節(jié)，使溫度圍繞42℃上下小幅波動(dòng)。

PID參數(shù)部分設(shè)置如下：

在本項(xiàng)目中由于存在浴室用水量不確定，當(dāng)混水罐內(nèi)液位低于2米時(shí)，即打開補(bǔ)水閥門連續(xù)補(bǔ)水直至液位到達(dá)3.5米停止。在此過程中由于水罐內(nèi)溫度快速降低，因?yàn)樗嬖跍笮?，這些都會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。這就需要利用變頻器自帶的調(diào)節(jié)功能來實(shí)現(xiàn)溫度的基本恒定。

本項(xiàng)目中僅探討變頻器的參數(shù)整定，不對(duì)PID調(diào)節(jié)的工作原理進(jìn)行分析。能否達(dá)到恒溫以滿足使用條件，變頻器中PID控制器的參數(shù)整定是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，大體分為兩大類：

* 理論計(jì)算整定法。它主要是一句系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。

* 工程整定法。它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，共同點(diǎn)是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。

在本文中采用工程整定法進(jìn)行整定。比例值的大小應(yīng)視具體情況而定，比例太小，控制作用太弱，不利于系統(tǒng)克服擾動(dòng)，控制質(zhì)量差；比例太大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快，消除誤差的能力越強(qiáng)，但容易導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，引發(fā)震蕩。且單純的比例調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)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(shí)候，此時(shí)隨著時(shí)間的推移，累積誤差會(huì)越來越大。

積分項(xiàng)有消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度的作用。積分時(shí)間越小，積分速度越大，作用越強(qiáng)。積分作用過強(qiáng)可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，積分時(shí)間也要取合理數(shù)值。

微分調(diào)節(jié)作用效果是阻止被調(diào)參數(shù)的變化，有超前調(diào)節(jié)的作用。對(duì)滯后大的對(duì)象有很好的效果。

在實(shí)際調(diào)試過程中，通過借助無紙記錄儀的幫助，可將每一次參數(shù)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(duì)多組試驗(yàn)的數(shù)值后，取曲線較為理想的整定參數(shù)作為最終整定值輸入變頻器。

三、結(jié)束語

通過對(duì)本次項(xiàng)目的實(shí)踐，基本掌握了SWP-C40系列數(shù)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(jié)合，利用其自帶PID功能較為方便的解決了現(xiàn)場(chǎng)的一些實(shí)際問題。在調(diào)試過程中對(duì)于PID調(diào)節(jié)原理以及參數(shù)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(xiàn)】

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