PID调节器实现循环水的控制技术

2022-09-10

循环水在许多工业场合应用十分广泛, 水泵的流量随外界用水情况而随时变化, 夏秋两季尤为明显。常规控制采用阀门开度控制, 部分能量消耗在阀门的水头上, 能耗大、效率差。只有采用转速控制, 以水泵的可调转速来适应流量与扬程的变化, 才有可能使水泵在各种情况下都运行在高效区, 达到节约能源的目的。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比, 水泵用PID控制器来调节转速能实现压力或流量的自动控制, 同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。

1 常用供水PID控制比较

在大多数的恒压供水电气系统的设计中, PID控制算法是设计人员常常采用的恒压控制算法。常见的PID控制器控制形式主要有三种: (1) 通用PID控制器; (2) 软件PID控制器; (3) 内置PID控制器。这三种控制器形式各具特点。

现在的PID控制器多为数字型控制器, 此类控制器的输入输出类型都可通过设置参数来改变。这种PID控制形式的主要优点有:操作简单、功能强大、动态调节性能好, 适用于选用的变频器性能不是很高的应用场合, 同时控制器还具有传感器断线和故障自动检测功能。缺点是:PID调节过于频繁, 稳态性能稍差, 布线工作量多。

软件型PID是利用PLC指令编写的算法程序。这种形式的PID控制器优点是控制性能好, 柔性也好, 在调节结束后, 压力十分稳定, 信号受干扰小, 调试简单, 接线工作量少, 可靠性高。不足之处是编程工作量增加, 需增加硬件成本。

2 变频器循环水恒压PID控制工作原理

循环水自动恒压供给系统电气原理图如图1所示。外界来的自来水通过浮球式液位开关排入一个地下水池, 使用后的循环水经冷却塔冷却过滤后也排入该地下水池。水泵通过变频调速从水池向外供水, 当变频器带动水泵启动后, 压力传感器向PLC及变频器反馈供水管网的压力, 变频器将管网压力与压力设定值进行比较后, 经变频器内部的PID运算, 通过变频器控制变频工作, 通过PLC控制变频与工频工作状态的切换, 自动控制水泵电机的投入台数和电机的转速, 实现闭环自动调整恒压变量供水, 在保持恒压下达到控制流量的目的。系统设有选择开关, 可选择系统在自动和手动状态下工作, 当选择手动状态时, 可分别通过按钮控制两台水泵单独在工频下运行或停止, 这主要用于定期检修时的临时供水;当选择自动状态工作时, PLC首先控制变频器软启动一台水泵, 此时安装在变频器一般配有参数设置面板, 能方便地读出、写入各种参数, 电感式压力变送器检测出水口压力 (附带压力指示功能) 。该变送器经外部稳压电源 (DC24V) 激励后, 将压力信号线性地转换成4mA~20mADC标准信号给PID调节器。调节器将从压力变送器反馈过来的信号与给定值比较运算后, 输出一个4mA~20mADC控制信号到变频器控制端, 控制变频器的输出, 改变水泵的转速, 实现闭环控制。

另外, 为了保证系统的安全可靠运行, PID调节器的压力超限报警输出端、变频器故障报警输出端均外接报警蜂鸣器;为了防止水池内水位低时水泵空载运行, 变频器停止输出端外接液位低水位触点, 水位低时变频器停止输出, 水泵停止运转。

本系统结合了变频调速技术控制, 运行中循环水出口压力稳定, 并且能够达到节能的目标, 满足了经济运行的要求。可以在大型生产中适合多台泵供水。

3 PID反馈控制系统设计

变频调速恒压循环供水的控制系统主要是由可编程控制器 (PLC) 、变频器、水泵电机、接触器和水压传感器等组成的。根据上述原理和控制要求, 系统采用日本ORMON公司的CPM2A可编程控制器, 美国EMERSON公司的TD2000专用供水变频器, 该变频器基本配置中带有PID功能。通过变频器的辅助输入端VCI、VREF、GND接电位器作为压力给定值, 压力传感器反馈来的的信号以4mA~20mA电流形式从CCI和P24口输入。变频器根据压力给定和实测压力, 调节变频器的输出频率, 改变水泵的转速, 控制管网压力保持在给定压力值上。变频器的开路集电极输出端子, 通过对变频器的编程可设置为变频器的频率上限限制和频率下限限制, 这两个端子作为极限输出频率的检测输出信号端送给PLC, 作为水泵变频和工频切换的控制信息。变频器上的FWD和COM连接到PLC的输出点上, 由PLC控制变频器的运行和关断。压力设定值可通过电位器直接设定并接在变频器的VREF、VCI和GND上。为防止在电动机高速运转时, 当变频器的原边未切断电源或刚刚切断电源, 付边接触器断开, 电动机定子线圈放电造成高电压, 损坏变频器的输出功率模块, 在PLC的程序设计中必须考虑到较复杂的互锁及时间控制关系。

两个水泵可变频工作, 亦可工频工作, 需PLC的输出信号控制, 变频器的运行与关断由PLC的一个输出信号控制, 蓄水池水位检测和声响报警分别占用PLC的一个输入点和一个输出点, PLC分配两个输入点作为两个水泵的电机的过载检测信号, 又分配两个输入点作为变频器的的上限频率和下限频率检测信号, 系统的自动和手动工作方式由一个选择开关控制, 该选择开关连接到PLC的一个输入点上, 为了安全起见, 系统设有一个急停按钮, 一旦有紧急情况或发生供电相序故障等的时候, 需要紧急停车时, 选择该按钮以控制整个系统的全线停车。