利用变频器内置PID 功能真空泵负压闭环控制的实现

◎马梁华 陈洪宽

引言

在工厂，据有关文献统计，80%以上的控制回路或回路的末端，都采用PID 控制功能；这说明了PID 的适应性、应用性极强；通常在工厂设备控制中，会出现控制对象复杂、特性多的情况，譬如涉及温度、压力、流量、液位等等。

因而，掌握、用好PID 控制思路、硬件调试、对象控制，是一个动力部门的电气控制维护人员的必修课程和必要技能；用好、用熟PID 控制器，也是一个工程技术人员基本要求。

从另外一个视角来看，任何控制本身，都期望有效、简单、稳定、可靠和经济；特别像动力设备，点多、面广、环境复杂，这就对上述的期望有更强烈的需求；本文正是基于此，对变频器内置PID 功能的设置和调试，就以工作实际中对一台真空泵进行恒压闭环PID 控制实践做介绍。

一、问题的提出

通常情况下，做一个PID 的控制，必然要有一个PID 的控制器。一般通过以下几种方式来实现：

1.常规的PID 仪表硬件实现。

2.利用PLC 程序自带的PID 控制块。

3. 利用PLC 的PID 硬件控制器（如西门子的FM355 模块等）。

上述方式，都能较好的实现PID 功能。但是也存在一些问题：

1. 布线过长，动力设备的的分散性通常导致这样一个问题。线路长带来一系列的问题，比如信号衰减、易受干扰、维护不便等。

2.过于集中的控制，也存在集中的风险。系统的故障，容易导致整个设备的瘫痪。

3.利用常规PID 控制仪表，仪表的稳定性和故障率及相关的电源等导致的问题，都会导致控制的故障。

4.在大型的DCS 或PLC 中，模拟量的提取也要增加模拟量模块，增加硬件配置费用。

二、问题的分析

习惯上，在变速类和变速能实现调节变量的调节控制中，我们只把变频器作为一个执行单元；但是随着电子技术的发展，很多厂家把PID、多阶段控制等简单常用的功能集中在了变频器上，这就为我们相关控制功能的实现，找到了另外一种控制思路。

1.经济性上，把变频器自带调节功能用上，同时，无论是DCS，还是PLC，都可以减少很多输入输出点。

2.线路上，大多数变频器，都是就地、现场安装，线路就留下现场仪表的反馈输入，线路大幅减少。（其实这也是经济性的一部分）相应的故障和维护也大幅减少。

3.稳定与可靠性上，现在变频技术越来越成熟稳定，相应内部的器件的稳定性在同一档次上，其可靠性相比一般仪表，性能更优。

三、改进措施与方法

下面，笔者结合实例，来介绍利用变频器内置PID 功能，实现回路闭环控制的过程：

1.工况现状。

a.结缔纳士2BE1 303-0BY4（如图1）真空泵两台，一用一备。拖动电机75kW；

图一

b.变频器两台，型号为：富士FRENIC5000G11S/P11S）；当时仅作为启停真空泵用，运行频率调整是手动调整，根据卷包设备运行状况来选定一个大概值，考虑到大负荷情况，频率设定基本处于55Hz 定速运行，这样就会造成小负荷的时候有浪费。

2.改进措施的要点：

a.利用原有设备，进行PID 自动控制。

控制对象：真空泵输出的压力值。

控制的期望值：45kPa.Abs；

控制器：采用富士FRENIC5000G11S/P11S）自带的PID 控制器

反馈量：真空泵输出的压力值。

反馈检测设备：在管道上新增一台压力表：横河微压传感器EJA510A-EAS9N-09N，其量程：0--101.5kPa；（图二）

图二

b.硬件接线：如图三所示。

图三

参考P11S2-3-1，反馈元件的硬件安装、电源、接入变频器的端子；

c.控制极性。

控制极性，其实是我们通常说的正作用、反作用的问题。

其实它包括两个方面的内容：

1）PID 输出的极性。（如：图四）也就是说，控制中，我们期望PID 输出是正作用，还是反作用。

图四

2）反馈的极性。作为一个闭环控制系统，通常我们使用负反馈。其作用，通常对应量程，采用正作用；（如：图五）。现实使用中，在智能仪表出来前，传感元件的量程和变送输出的信号是固定的。例如：压力变送器：量程0—1.6MPa，对应信号：4—20 毫安。极性是固定的，如果我们期望，0—1.6MPa，对应信号：20—4毫安，这个时候我们可以采用反馈的极性选择中的负极性或者说反作用，就能够简单解决。

图五

3.控制原理如图六。

图六

4.方法和过程。

a. 参考企业本地的大气压力，约为80.1kPa 利用HART 375对其量程进行了迁移。

迁移后，其量程为0—80 千帕ABS，对应变送输出4—20Ma；

b.参照图三连线。

c.参数设置。

1）设定F01：设定值为“0”（变频器键盘输入工作的目标值）

2）设定E01：设定值为“11”（采用F01 设定频率1“Hz1”）

3）设定E20：设定值为“20”（打开变频器的控制功能）

4）设定E40：设定值为“80”（变送器的最大量程）

5）设定E41：设定值为“0”（变送器的最小量程）

6）设定E43：设定值为“10”（由面板输入PID 的设定值）

键盘跳出闪烁数字后输入目标值：25。（工艺要求，真空度为-65～-45kPa，即：15～35 kPa ABS；）

7）设定H20：设定值为“1”（PID 工作模式正作用）

8）设定E41：设定值为“2”（反馈工作模式负作用，这里设定负作用，其实是考虑一种极致情况：压力变送器故障和断线，可能造成的控制风险；）

9）设定H22、H23、H24：设定值为“3”“0.4”、“0（P、I、D 的初始值，这里笔者的设定是按压力类对象的一个经验值来设定。参考表一：一般对象的PID 取值参考）值的提醒的是，表中的数据P，通常沿袭传统的取值，称为比例盘，是1/Kp 的意思，在现在的很多仪表和PLC 构架下的DCS，包括本例中的变频器内置PID 中的P，是直接的Kp 值。这中间有个互为倒数的关系；

一般对象的PID 取值参考，如表一：

表一

10）最后，笔者认为，现实的调试过程中，非常有必要设定一下变频器的高低限制，作为生产中的调试，这也是把控工艺控制风险的最后一个屏障，这个限制的设置，在过程控制中，是设备安全和工艺安全的必要考虑；这里笔者对F15（运行频率下限）F16（运行频率上限）做了设定。

设定值：F15 设定为48Hz；（之前，在设备运行时，手动调整观察的一个结果）

F16 设定为60Hz（电机与泵力矩匹配的上限）

d.调试和测试。

1）运行真空泵。用真空管道的总阀门启闭，模拟负压负荷的变化，基本能跟踪设定；响应较快，考虑到管道距离有限，不足体现工况的容积带来的惯性，参数未做调整。2）考虑到真空管道较粗，较长，容积较大（真空管主管为DN400，约50m；支管最长约140m，DN200—dn80）所以，以10s作一个时间刻度，记下频率值，之后，以60Hz 手动运行变频器。根据记录的频率值，绘制成响应动作曲线；参考下面的经验调整思路

，进行pid 的调整。

经验调整思路

参数整定找最佳，从小到大顺序查

先是比例后积分，最后再把微分加

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大

曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳

曲线偏离回复慢，积分时间往下降

曲线波动周期长，积分时间再加长

曲线振荡频率快，先把微分降下来

动差大来波动慢。微分时间应加长

理想曲线两个波，前高后低4 比1

一看二调多分析，调节质量不会低

3）重复第二步，直到得的较满意的结果。

四、采用PID 调节后的效果

1.利用变频器自带PID 控制器，进行自动控制方式后，真空度的控制精度得到了很好的保证。如下图七所示：

图七

2.运行一周后，控制正常。一月后再次确认控制趋势，控制良好。后来的半年验证，不仅真空度控制得好，因为避免了原来控制不稳定的工况因素，上图是两个日期，相同的时间段记录的真空度比较。蓝色是控制前的记录，红色是控制后的记录，真空度在控制后变得平稳。

3.产生了较大的节能效益。

真空泵电机75 千瓦，平均每小时耗电（能源网电计量得到）约73.06 千瓦时，改造后约为平均每小时耗电54.83 千瓦时。

五、结语

变频调速或者变频拖动，在工业应用中不是什么新鲜的内容。如何在工艺目的和安全要求都达到的情况下，拓展变频和调速的价值和使用，才是一个技术人员对技术充分掌握的体现。工作业务的创新，对一个技师而言，是把成熟的技术，能够综合运用好。