变频器内藏PID功能在闭环控制系统中的应用

久智光电子材料科技有限公司 秦卫光 吴兆时

1.引言

交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济领域的广泛适用性，已被公认为是一种最有前途的调速方式。在能源日益紧张的今天，变频器作为交流调速的一种主要手段，在工业生产中取得越来越广泛的应用。本文介绍的闭环恒压供水系统采用三垦SAMCO-vm05型变频器实现，详细叙述了其实现闭环控制的内藏PID功能主要参数设置及闭环调试方法。

2.闭环供水系统的原理

该闭环系统应用于工厂的生产用水，其目的是向车间提供连续的水压稳定的水。图1是供水系统框图。它主要由变频控制箱、超压排流阀、液位传感控制器、压力传感器等组成。

图1 闭环恒压供水系统框图

系统中，1#泵为恒速泵，2#泵为变频调速泵。正常工作时，由1#泵抽取河水，经净化后直接供生产车间，由于1#水泵供水量总大于车间用水量，因此设置了超压排流阀，当管道水压超过设定水压时，排流阀开始工作，多余的净化水被排到水池中，当水池水位到达水位上限时，系统控制1#泵停机，同时启动2#泵，由变频器控制2#泵向车间供水，当水池水位下降到水位下限时，2#泵停止工作，1#泵启动运行，如此循环。

3.变频器闭环控制

变频器用于2#泵的控制，即在抽取水池水时，根据用水管网压力的变化，通过变频器实现自动跟踪来调节水泵电机的转速，保持用水管网压力稳定。三垦通用变频器SAMCO-vm05为用户实现闭环控制提供了内藏的PID功能，它能将外部变送器输入的模拟信号(4-20mA、0-5V、0-10V)反馈输入到变频器，并取得与变频器设定频率指令之间的偏差，进行P(比例)、I(积分)、D(微分)控制，从而使负载一侧的动作跟随指令值的变化而改变。

3.1 硬件原理

闭环控制的硬件原理如图2所示。压力传感变送器将管网水压信号转变成4～20mA电流信号作为反馈输入到变频器的IRF/VRF2端子，外部压力设定器将指定的压力(0-1.0Mpa)转变为0～10V电压信号输入到变频器VRF1端子。变频器根据给定值与反馈值的偏差量进行PID控制，输出频率控制电机的转速，从而使系统处于稳定的工作状态，管网水压保持恒定。

3.2 闭环控制的相关功能代码与参数

如图2所示，变频器的功能参数很多，这里只介绍与PID闭环控制相关的参数设置，需要说明的是SAMCO-vm05型变频器内部PID控制采样周期Ts为10ms。

图2 闭环控制的硬件原理图

Cd071=3 内藏PID控制模式

Cd120=5 反馈信号为4-20mA电流输入

Cd002=3 给定信号为0-10V电压输入

Cd122=0.00-100.00 PID控制比例增益

Cd123=0.00-100.00 PID控制积分增益

Cd124=0.00-100.00 PID控制微分增益

Cd125=1-500 反馈输入滤波时间常数

3.3 设定值和反馈值的频率变换

在利用外部模拟信号作为设定值或反馈值时，输入模拟信号最小值(0V或4mA)时频率(偏置频率)和最大值(5V或10V或20mA时的频率(增益频率)须根据其F-V特性(或F-I特性)来设定。

（1）设定值的频率变换

图3 设定值的频率变换特性

外部压力设定器将压力0-1.0MP变换成电压信号0-10V输入到变频器VRF1端子，其F-V特性如图3。因此：

偏置频率 cd054=0.0Hz

增益频率 cd055=50.0Hz

（2）反馈量的频率变换

图4 反馈的频率变换特性

压力传感器将管网压力0-1.0MP变换成电流信号4-20mA输入到变频器IRF/VRF2端子，其F-I特性如图4。因此：

偏置频率cd062=-12.5Hz

增益频率cd063=50.0Hz

3.4 闭环调试步骤与方法

・首先，将变频器设在开环运行模式，检测压力传感变送器反馈信号是否正常；

・根据传感变送器的P-I特性和变频器的F-I特性求出反馈量的偏置频率cd062和增益频率cd063；

・根据外部压力设定器的P-V特性和变频器的F-V特性，求出设定值的偏置频率cd054和增益频率cd055；

・设置负载电机可驱动的最高频率cd007和最低频率cd008，本系统中设置cd007=50Hz，cd008=15Hz；

・设置cd071=3为内置PID控制模式；

・增加cd122单元的比例增益直至系统开始振荡，然后取振荡时的增益的1/2来设定；

・增加cd123单元的积分增益直至系统开始振荡，然后取振荡时的增益的1/2来设定；

・微分增益在以压力、流量为对象的控制系统中，由于滞后不大，一般设置为0；

・滤波时间常数cd125单元的值根据实际情况来调整，以消除信号传输过程中的干扰。

4.故障处理

4.1 变频器故障

无论是从冗余设计原则还是从系统实际应用环境考虑，在变频器发生故障时都要求不间断供水。在本系统中，当变频器突然发生故障，变频自动运行系统自动停水并报警，然后2#泵进入工频运行，当然工频运行时，管网压力不能自动控制，只能作为短时应急工作方式。

4.2 水位检测故障

水池的水位信号采用浮子式液位控制器检测，为防止液位控制器失灵，对水池低水位采用双下限两路触点控制，当第一个水位下限触点故障时，变频器系统设有正常停机，待水位达到第二个下限(比第一下限水位略低)，系统发出报警信号，同时停止2#变频泵，启动1#工频泵。

5.结束语

在供水系统中采用变频调速运行方式，可根据用户实际用水量的变化自动调节水泵电机的转速，保持压力稳定，实现恒压供水，并且能节约能源，延长设备使用寿命，减轻工人劳动强度。三垦通用变频器SAMCO-vm05型及SAMCO-i型为用户提供的PID控制功能，其硬件输入端子设置灵活，适用于各种传感器。软件参数设置方便，且提供了反馈量的数字滤波功能，适合于温度、压力或流量为控制对象的闭环系统中。目前，该系统已投入运行使用，性能稳定可靠，节能效果明显，具有一定的先进性。

[1] 张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京:机械出版社,1997.

[2] 赵秀菊.单片微机与测控技术[M].南京:东南大学出版社,1996.

[3] SANKEN电气株式会社.SAMCO-vm05变频器使用说明书[D].2002.