摘要：用变频器通过PID调节器控制实现恒压供水，对于企业提高经济效益、节能降耗、提高设备技术含量、安全、稳定运行具有很好的促进作用。
关键词：变频器；PID；恒压；供水系统
1前言
自控系统在工业自动化生产过程中的优势已愈发突出，自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。目前， PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。
2 PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世已有近70年史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制 ：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
积分（I）控制 :在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制:在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
3开环控制系统
开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
改造冷却塔风机分段频率控制中采用的就是开环控制系统, 该系统利用变频器可以控制冷却塔风机的运转，改造后，有进水时50Hz高转速，无进水30Hz低转速。控制系统如图1所示：
变频器的为冷却塔风机电机提供分段变频电源，实现电机的高低调速平稳过度，区别进水管道是否有水的频率变化。
水流开关的任务是检测进水管道是否有水，检测到的进水信号通过屏蔽线直接送入变频器自带的控制板多功能输入选择1，X1、COM，根据现场水流开关信号可以使用变频器平稳调节分段频率，可设定变频器分段频率参数，这样就非常方便地实现了进水时高转速，无进水时低转速，从而达到了节能的目的减少设备的故障率。
采用爱默生EV2000通用变频器，水流开关输出电压0-24V。通道选择X1、COM，电压输入。接线方式如图2所示：
图1 分段频率控制系统图
图2 分段频率控制变频器接线图
4 闭环控制系统
闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈。
改造变频器恒压供水，就是变频器PID的闭环控制系统,该系统由三台泵，两个变频器，一个压力传感器，控制柜及相关设备组成。利用两台变频器可以控制两台水泵的运转，改造后，1#泵始终处于工频运转，两台水泵由变频器的控制实现变工况运转。
1#泵工频运转一般不能满足用水量，因此供水时首先投入2#泵，2#泵工作在变频启动状态，随着压力会自动调节频率的高低以保持压力的恒定，在用水量不大时，1#泵和2#号泵同时工作可以满足要求，如果用水量增大，自动启动3#变频泵，此时1#，2#泵工作在工频状态，3#泵工作在变频状态。由于3#泵的自动调节功能，从而保证系统的恒压。三台泵同时投入是绝对能满足要求的。控制系统组成如图3所示：
图3 变频调速恒压供水系统图
图4 变频调速恒压供水变频器接线图
压力变送器的任务是检测管网水压，反馈的水压信号通过屏蔽线直接送入变频器自带的PID调节器输入口CCI、GND，而压力给定量可以使用变频器的键盘以数字量的形式设定。PID进行运算后，输出给变频器一个转速调节信号。这样就非常方便地组成了模拟反馈控制系统。
恒压供水变频改造用爱默生EV2000通用变频器，管网压力期望维持在0.24Mpa左右，压力变送器量程0.6Mpa，输出电流4-20mA。反馈通道选择CCI电流输入，通过计算给定量需设置为4。
CCI选择电流信号，变频器控制板上CN10跳线开关设为电流输入。接线方式如图4所示：
5 总结
在日常生活和生产过程中用水经常随时间而变化的，因季节、昼夜、生产需求量相差很大，因此用水和供水的不平衡集中表现在水压上，保持供水压力可以保持供、用水的平衡。以往采用水箱和水塔或气罐加压方法，往往容易造成水的二次污染、造成水质不好，采用变频器通过PID调节器控制实现恒压供水得了广泛的应用。而变频器调节是通过设置内部PID（比例&积分&微分）参数对各种信号进行控制的，达到参数的最佳配置，确保变频供水系统稳定运行。
参考文献
[1]Richard C. Dorf, Robert H. Bishop.现代控制系统.北京高等教育出版社 ,2001.
[2]爱默生变频器用户手册V2.0,2005.
论文作者:侯坤,吴志勇,闫川
论文发表刊物:《电力设备》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/18
标签：变频器论文; 误差论文; 控制系统论文; 控制器论文; 稳态论文; 微分论文; 闭环论文; 《电力设备》2019年第11期论文;