利用變頻器內(nèi)置PID 功能真空泵負(fù)壓閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)

◎馬梁華 陳洪寬

引言

在工廠(chǎng)，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，80%以上的控制回路或回路的末端，都采用PID 控制功能；這說(shuō)明了PID 的適應(yīng)性、應(yīng)用性極強(qiáng)；通常在工廠(chǎng)設(shè)備控制中，會(huì)出現(xiàn)控制對(duì)象復(fù)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(diào)試、對(duì)象控制，是一個(gè)動(dòng)力部門(mén)的電氣控制維護(hù)人員的必修課程和必要技能；用好、用熟PID 控制器，也是一個(gè)工程技術(shù)人員基本要求。

從另外一個(gè)視角來(lái)看，任何控制本身，都期望有效、簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)；特別像動(dòng)力設(shè)備，點(diǎn)多、面廣、環(huán)境復(fù)雜，這就對(duì)上述的期望有更強(qiáng)烈的需求；本文正是基于此，對(duì)變頻器內(nèi)置PID 功能的設(shè)置和調(diào)試，就以工作實(shí)際中對(duì)一臺(tái)真空泵進(jìn)行恒壓閉環(huán)PID 控制實(shí)踐做介紹。

一、問(wèn)題的提出

通常情況下，做一個(gè)PID 的控制，必然要有一個(gè)PID 的控制器。一般通過(guò)以下幾種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：

1.常規(guī)的PID 儀表硬件實(shí)現(xiàn)。

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(mén)子的FM355 模塊等）。

上述方式，都能較好的實(shí)現(xiàn)PID 功能。但是也存在一些問(wèn)題：

1. 布線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，動(dòng)力設(shè)備的的分散性通常導(dǎo)致這樣一個(gè)問(wèn)題。線(xiàn)路長(zhǎng)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，比如信號(hào)衰減、易受干擾、維護(hù)不便等。

2.過(guò)于集中的控制，也存在集中的風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)的故障，容易導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的癱瘓。

3.利用常規(guī)PID 控制儀表，儀表的穩(wěn)定性和故障率及相關(guān)的電源等導(dǎo)致的問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)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(fèi)用。

二、問(wèn)題的分析

習(xí)慣上，在變速類(lèi)和變速能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)變量的調(diào)節(jié)控制中，我們只把變頻器作為一個(gè)執(zhí)行單元；但是隨著電子技術(shù)的發(fā)展，很多廠(chǎng)家把PID、多階段控制等簡(jiǎn)單常用的功能集中在了變頻器上，這就為我們相關(guān)控制功能的實(shí)現(xiàn)，找到了另外一種控制思路。

1.經(jīng)濟(jì)性上，把變頻器自帶調(diào)節(jié)功能用上，同時(shí)，無(wú)論是DCS，還是PLC，都可以減少很多輸入輸出點(diǎn)。

2.線(xiàn)路上，大多數(shù)變頻器，都是就地、現(xiàn)場(chǎng)安裝，線(xiàn)路就留下現(xiàn)場(chǎng)儀表的反饋輸入，線(xiàn)路大幅減少。（其實(shí)這也是經(jīng)濟(jì)性的一部分）相應(yīng)的故障和維護(hù)也大幅減少。

3.穩(wěn)定與可靠性上，現(xiàn)在變頻技術(shù)越來(lái)越成熟穩(wěn)定，相應(yīng)內(nèi)部的器件的穩(wěn)定性在同一檔次上，其可靠性相比一般儀表，性能更優(yōu)。

三、改進(jìn)措施與方法

下面，筆者結(jié)合實(shí)例，來(lái)介紹利用變頻器內(nèi)置PID 功能，實(shí)現(xiàn)回路閉環(huán)控制的過(guò)程：

1.工況現(xiàn)狀。

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

圖一

b.變頻器兩臺(tái)，型號(hào)為：富士FRENIC5000G11S/P11S）；當(dāng)時(shí)僅作為啟停真空泵用，運(yùn)行頻率調(diào)整是手動(dòng)調(diào)整，根據(jù)卷包設(shè)備運(yùn)行狀況來(lái)選定一個(gè)大概值，考慮到大負(fù)荷情況，頻率設(shè)定基本處于55Hz 定速運(yùn)行，這樣就會(huì)造成小負(fù)荷的時(shí)候有浪費(fèi)。

2.改進(jìn)措施的要點(diǎn)：

a.利用原有設(shè)備，進(jìn)行PID 自動(dòng)控制。

控制對(duì)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(cè)設(shè)備：在管道上新增一臺(tái)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(xiàn)：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(shí)是我們通常說(shuō)的正作用、反作用的問(wèn)題。

其實(shí)它包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：

1）PID 輸出的極性。（如：圖四）也就是說(shuō)，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(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通常我們使用負(fù)反饋。其作用，通常對(duì)應(yīng)量程，采用正作用；（如：圖五）?，F(xiàn)實(shí)使用中，在智能儀表出來(lái)前，傳感元件的量程和變送輸出的信號(hào)是固定的。例如：壓力變送器：量程0—1.6MPa，對(duì)應(yīng)信號(hào)：4—20 毫安。極性是固定的，如果我們期望，0—1.6MPa，對(duì)應(yīng)信號(hào)：20—4毫安，這個(gè)時(shí)候我們可以采用反饋的極性選擇中的負(fù)極性或者說(shuō)反作用，就能夠簡(jiǎn)單解決。

圖五

3.控制原理如圖六。

圖六

4.方法和過(guò)程。

a. 參考企業(yè)本地的大氣壓力，約為80.1kPa 利用HART 375對(duì)其量程進(jìn)行了遷移。

遷移后，其量程為0—80 千帕ABS，對(duì)應(yīng)變送輸出4—20Ma；

b.參照?qǐng)D三連線(xiàn)。

c.參數(shù)設(shè)置。

1）設(shè)定F01：設(shè)定值為“0”（變頻器鍵盤(pán)輸入工作的目標(biāo)值）

2）設(shè)定E01：設(shè)定值為“11”（采用F01 設(shè)定頻率1“Hz1”）

3）設(shè)定E20：設(shè)定值為“20”（打開(kāi)變頻器的控制功能）

4）設(shè)定E40：設(shè)定值為“80”（變送器的最大量程）

5）設(shè)定E41：設(shè)定值為“0”（變送器的最小量程）

6）設(shè)定E43：設(shè)定值為“10”（由面板輸入PID 的設(shè)定值）

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

7）設(shè)定H20：設(shè)定值為“1”（PID 工作模式正作用）

8）設(shè)定E41：設(shè)定值為“2”（反饋工作模式負(fù)作用，這里設(shè)定負(fù)作用，其實(shí)是考慮一種極致情況：壓力變送器故障和斷線(xiàn)，可能造成的控制風(fēng)險(xiǎn)；）

9）設(shè)定H22、H23、H24：設(shè)定值為“3”“0.4”、“0（P、I、D 的初始值，這里筆者的設(shè)定是按壓力類(lèi)對(duì)象的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)設(shè)定。參考表一：一般對(duì)象的PID 取值參考）值的提醒的是，表中的數(shù)據(jù)P，通常沿襲傳統(tǒng)的取值，稱(chēng)為比例盤(pán)，是1/Kp 的意思，在現(xiàn)在的很多儀表和PLC 構(gòu)架下的DCS，包括本例中的變頻器內(nèi)置PID 中的P，是直接的Kp 值。這中間有個(gè)互為倒數(shù)的關(guān)系；

一般對(duì)象的PID 取值參考，如表一：

表一

10）最后，筆者認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)的調(diào)試過(guò)程中，非常有必要設(shè)定一下變頻器的高低限制，作為生產(chǎn)中的調(diào)試，這也是把控工藝控制風(fēng)險(xiǎn)的最后一個(gè)屏障，這個(gè)限制的設(shè)置，在過(guò)程控制中，是設(shè)備安全和工藝安全的必要考慮；這里筆者對(duì)F15（運(yùn)行頻率下限）F16（運(yùn)行頻率上限）做了設(shè)定。

設(shè)定值：F15 設(shè)定為48Hz；（之前，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，手動(dòng)調(diào)整觀察的一個(gè)結(jié)果）

F16 設(shè)定為60Hz（電機(jī)與泵力矩匹配的上限）

d.調(diào)試和測(cè)試。

1）運(yùn)行真空泵。用真空管道的總閥門(mén)啟閉，模擬負(fù)壓負(fù)荷的變化，基本能跟蹤設(shè)定；響應(yīng)較快，考慮到管道距離有限，不足體現(xiàn)工況的容積帶來(lái)的慣性，參數(shù)未做調(diào)整。2）考慮到真空管道較粗，較長(zhǎng)，容積較大（真空管主管為DN400，約50m；支管最長(zhǎng)約140m，DN200—dn80）所以，以10s作一個(gè)時(shí)間刻度，記下頻率值，之后，以60Hz 手動(dòng)運(yùn)行變頻器。根據(jù)記錄的頻率值，繪制成響應(yīng)動(dòng)作曲線(xiàn)；參考下面的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整思路

，進(jìn)行pid 的調(diào)整。

經(jīng)驗(yàn)調(diào)整思路

參數(shù)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(xiàn)振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大

曲線(xiàn)漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往小扳

曲線(xiàn)偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降

曲線(xiàn)波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)

曲線(xiàn)振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)

動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)

理想曲線(xiàn)兩個(gè)波，前高后低4 比1

一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低

3）重復(fù)第二步，直到得的較滿(mǎn)意的結(jié)果。

四、采用PID 調(diào)節(jié)后的效果

1.利用變頻器自帶PID 控制器，進(jìn)行自動(dòng)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(yùn)行一周后，控制正常。一月后再次確認(rèn)控制趨勢(shì)，控制良好。后來(lái)的半年驗(yàn)證，不僅真空度控制得好，因?yàn)楸苊饬嗽瓉?lái)控制不穩(wěn)定的工況因素，上圖是兩個(gè)日期，相同的時(shí)間段記錄的真空度比較。藍(lán)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(wěn)。

3.產(chǎn)生了較大的節(jié)能效益。

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

五、結(jié)語(yǔ)

變頻調(diào)速或者變頻拖動(dòng)，在工業(yè)應(yīng)用中不是什么新鮮的內(nèi)容。如何在工藝目的和安全要求都達(dá)到的情況下，拓展變頻和調(diào)速的價(jià)值和使用，才是一個(gè)技術(shù)人員對(duì)技術(shù)充分掌握的體現(xiàn)。工作業(yè)務(wù)的創(chuàng)新，對(duì)一個(gè)技師而言，是把成熟的技術(shù)，能夠綜合運(yùn)用好。