PID技术在变频控制系统中的应用

PID技术在变频控制系统中的应用摘要：目前我国随着城市规模发展，居民生活用水，工业生产用水量逐步增大，城镇自来水厂及污水处理厂的建设占市政建设的比重也越来越大。

在污水处理厂中，由于每座污水处理厂都有收集污水的泵站，而提升泵又是收集污水的主要工艺设备，其耗电量占厂内总耗电量很大的比重，所以提升泵运控制过程好坏对于污水设备管理有着重要的意义。

目前我国大多数污水处理厂对于提升泵的运行管理还是采用的是人工调频，及定频后通过高液位关、低液位开的自动控制方式。

这两重方式很大成度上都存在这各自的不足。

为了解决这个问题我们采用PID控制方式，PID（比例积分微分）英文全称为Proportion Integration Differentiation，它是一个数学物理术语。

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。

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。

控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。

不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。

比如压力控制系统要采用压力传感器。

电加热控制系统的传感器是温度传感器。

目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)。

可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。

还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。

关键词：提升泵；PID；变频器；液位计；流量计；水量；水位；PLC；梯形图一：前言泵在工作原理上可分为容积式泵和叶轮式泵，和其它类型泵。

容积泵是靠工作部件的运动造成工作容积周期性地增大和缩小而吸排液体，并靠工作部件的挤压而直接使液体的压力能增加。

根据运动部件运动方式的不同又分为：往复泵和回转泵两类。

根据运动部件结构不同有：活塞泵和柱塞泵，有齿轮泵、螺杆泵、叶片泵和水环泵。

叶轮式泵是靠叶轮带动液体高速回转而把机械能传递给所输送的液体。

根据泵的叶轮和流道结构特点的不同叶轮式又可分为：1）离心泵（centrifugal pump）2）轴流泵（axial pump）3）混流泵（mixed-flow pump）4）旋涡泵（peripheral pump）在水厂及污水处理厂提升泵主要以叶轮泵为主，泵性能参数主要有流量和扬程。

所以提升泵的控制对于流量及水位的控制就尤为重要。

在水泵的电气控制系统中，主要以软启动及变频起动为主。

软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。

它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。

运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的启动功能。

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力。

软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。

变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。

变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。

在我国的大部分污水处理厂提升泵都采用的是以上两种启动及运行方式，由于全国各个污水处理厂工艺情况，及构筑物构成不同，现以武汉市黄家湖污水处理厂为例来进行论述。

黄家湖污水处理厂位于洪山区青菱乡。

其服务范围由蛇山南旧城区、晒湖地区、南湖地区、白沙洲地区、野芷湖地区五个部分组成，投入使用的泵站有一个。

厂区提升泵组由一台独立变频155KW潜水泵，一台独立软启动75KW潜水泵。

及2台一拖二变频/软启动潜水泵组成。

跟据运行人员经验一般情况开一台大泵就足够，在进水水量增大时需再加开一台75KW小泵，再当发生特殊紧急情况时才需增开第三台泵。

运行人员在提升泵控制方式上主要采用的是根据液位或水量，然后将变频器调整到一个固定频率。

当外来水量发生变化，导致水量增大，或液位增高时，再根据经验调整频率设定值。

这种控制方式在很多时侯都是十分有效的，但是在很多时侯也暴露出了不少问题。

在污水处理工艺构筑物中，例如沉砂池及氧化沟中，当提升泵抽水量过大，水力负荷过重，构筑物水位升高，会导致构筑物不均衡重力沉降及构筑物中电气设备严重受损。

另外还有在很多时候都要控制提升泵房的水位，当外来水量突然增大时，提升泵房水位增高，提升泵抽水效率会大幅，提高抽水量也会增大。

这时运行人员也需要适当的降低频率，但当降低频率后水量减小，水位又会降低，这时提升泵抽水量又会变小，此刻，又要增加频率。

这时运行人员又要调整，找到一个新的经验参数，而当有暴雨时，水量猛涨，这时运行人员控制水量就会反复调整变频器，使得控制十分麻烦。

所以变频器的控制发生就出现以下几个问题：1：稳定液位2：控制流量3：智能调节为解决以上问题，过国内外已有科研部门对多种控制系统进行研究，其中最主要的有开环控制系统及闭环控制系统。

1、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(controller)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。

2、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，又称负反馈控制系统。

每个厂区环境不同，调试方法无法达成统一的标准，现以黄家湖污水处理厂提升泵控制系统改造为科研课题进行研究，由于厂区内水位及流量对于厂区工艺构筑物影响极大，所以需选用PID闭环控制，希望能作为同类型的厂一个PID智能调节的案例，有不足之处，敬请指出。

二、稳定液位及其对策厂内提升泵房的变频器采用日产富士变频器，其有良好的变频性能，而海斯特提升泵也均能达到变频控制要求，最重要的就是PLC部分了。

厂区使用的是罗克韦尔公司（又称“AB”公司）的controllogix5000系列PLC，网络为EtherNET/IP(以太网)。

上位机软机选用RSVIEW，整个系统采用星形和环形的混合结构的拓扑网络。

自控系统分为2部分：第一部分由中心控制室上位机、PC终端、PLC主站、以太网以环形网络结构组成。

第二部分由PLC主站、现场以太网通信模块、I/O模块以星形网络结构组成。

各主站通过工业以太网与中控室进行实时数据交换及各模块之件的数据采集。

低压配电室的仪表信号则通过MODBUS通信模块采集数据信号，以实现MODBUS 通信网络与ControlLogix控制器之间的通信。

其自动化控制示意图如下：厂区1号提升泵变频器频率信号是通过进水泵房PLC1-1配电柜中1794-OE4模拟量输出模块，1794-IE8模拟量输入模块来实现变频器频率的输出与反馈的。

开关量状态及控制信号是通过1794-IB32开关量输入模块、1794-OB32开关量输出模块采集及控制。

而提升泵房液位信号通过1794-IE8模拟量输入模块来采集。

在具备了上述条件后，PID闭环控制基本能完成，PID控制几个基本变量：过程变量：液位（m），由1794-IE8模拟量输入模块采集控制变量：频率（HZ），由1794-OE4模拟量输出模块输出控制控制变量反馈量：频率（HZ）,由1794-IE8模拟量输入模块采集另外，在PID控制中。

（1）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）。

（2）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。

（3）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。

在调整PID时要注意以下一些问题1．直接计算法和增量计算法，增量计算法就是相对于标准计算法相邻两次运算之差，得到的结果就是增量，在上一次的控制量基础上需要增加（负值意位减少）控制量，对与液位控制而言就是要增加（或减少）频率的比例，根据具体的应用适当选择算法，但控制原理是一样的，直接计算得到的是当前需要的控制量，相邻两次控制量的差就是增量。

2．基本偏差e（t）：表示当前值与设定值之差，设定目标是被减数，结果可正可负，在液位控制例程中，设定控制水位为5米，而实际水位为6米，当前值就是6米设定水位，设定值就是5米控制水位。

3．累计偏差：∑e（t）=e（t）+e(t-1)+e(t-2)+e（t-3）+.....+e（t-n）这个是我们每次测量偏差值之和。

通过在上位机软件LOGIX5000对PLC进行组态，编程。

调出LOGIX5000中的PID模块，再相应的做好对应的地址标签，将液位信号做为过程变量，再将输出频率做为控制变量，由于现场子站到总站PLC传输距离问题，导致模拟量4-20MA电流在线路上有损耗。