艾默生 TD2100 变频器 PID 恒压供水系

艾默生 TD2100 变频器 PID 恒压供水系
摘要：恒压供水系统采用艾默生TD2100 供水专用变频器，PID 闭环控制系统是
由压力传感器和变频器组成；水泵的工频/ 变频切换和数量控制由变频器内部参
数设定和输出的数字量信号来完成；仅由一台变频器配套相应外部设备（压力传
感器、接触器等）就实现了恒压供水，从而较好地解决了工业、消防、高层
建筑等供水需求。

关键词：PID：恒压供水；变频器
随着科技的飞速发展，恒压供水系统在农田灌溉、自来水厂、企业生产用水等领域得到
了广泛应用，而基于变频器PID 功能的恒压供水系统优势明显，其具有自动化程度高、节能、工作稳定可靠、供水质量高等特点，对其分析、讨论和研究意义重大。

PID 参数的选取
比例带P 的选取
由于 P 的大小直接影响到系统的超调量，过渡时间和稳态误差，因此，P 的选取尤为重要，比例带P 减小，系统动作灵敏度加快。

但偏小，超调量增大，振荡次数增多，调节时间
越长。

P 增大，系统会趋向稳定，若 P 太大，会使系统动作缓慢，P 的大小与稳态误差呈反
比关系。

减小比例作用，可减小稳态误差，提高控制精度。

积分时间I 的选取
积分作用指在消除稳态误差，积分时间 I 与积分作用的强弱是反比关系，I 太小积分作用
太强，使系统不稳定，振荡次数较多，而I 太大对系统性能影响减弱，以至不能消除稳态误差。

微分时间D 的选取
微分作用能够预测偏差，产生超前校正作用，可以较好的改善动态性能。

实际应用中 , 可以根据受控对象的特性和控制的性能要求 , 灵活地采用不同的控制组合,
构成:
①比例 (P) 控制器:
②比例+ 积分 (PI) 控制器:
③比例+ 积分+ 微分 (PID) 控制器:
PID 参数整定优化
临界比例度法
它是先通过试验得到临界比例度和临界周期 , 然后根据经验总结出来的关系求出控制器
各参数值。

具体作法如下:
在闭环的控制系统中 , 先将控制器变为纯比例作用 , 即将积分时间放到无限大 , 微分时间
放到零上 , 在干扰作用下 , 从大到小逐渐改变控制器的比例度, 直至系统产生等幅振荡( 即临界
振荡 ), 这时的比例度叫临界比例度δk, 周期为临界振荡周期 TK, 然后计算出控制器的参数整定数值。

经验试凑法
经验试凑法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法 , 它是根据经验先将控制器参数放在一个数值上 , 直接在闭环的控制系统中 , 通过改变给定值施加干扰 , 在记录以上观察过渡过程曲线 , 运用δ、TI、TD 对过渡过程的影响为指导 , 按照规定顺序 , 对比例度δ、积分时间TI 和微分时间TD 逐个整定, 直到获得满意的过渡过程为止。

整定的步骤先用纯比例作用进行试凑 , 待过渡过程已基本稳定并符合要求后, 再加积分作用消除余差, 最后加入微分作用是为了提高控制质量。

按此顺序观察过渡过程曲线进行整定工作。

由以上可以看出，比例作用的快速性，积分作用的彻底性，微分作用的超前性三个参数相互影响相压制约，另外，PID 的取值与系统惯性大小有很大关系。

因此，很难一次调定，在许多要求不高的控制系统中，微分功能 D 可以不用，保持变频器的出厂值不变，使系统运转起来，观察其工作情况。

如压力下降时上升难以恢复，说明反应太慢，同应加大比例增益P，直至比较满意为止；在增大 P 后，虽然反应快了，却容易在目标值附近波动，说明系统有振荡，应加大积分时间，直至基本不振荡为止。

艾默生 TD2100 变频恒压供水系统
变频恒压供水设备利用专门为风机、泵类、空气压缩机等流量和压力控制特点而研制的专用变频调速器。

利用变频器的一拖三功能 , 而不采用昂贵的 PLC 就可以自动控制泵组的运行与退出台数 , 而且内置 PID 功能与我司开发的专门处理恒压供水的控制板 , 可以方便地与远传压力表连用, 同而完成供水压力的闭环控制, 在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。

为客户节省成本 , 具有较高的经济性和实用性。

变频恒压供水特点:
1、恒压供水能自动 24 小时维持恒定压力 , 并根据压力信号自动启动备用泵 , 无级调整压力 , 供水质量好 , 与传统供水比较 , 不会造成管网破裂及水龙头共振现象。

2、动平滑, 减少电机水泵的冲击, 延长了电机及水泵的使用寿命, 避免了传统供水中的水锤现象。

3、采用变频恒压供水保护功能齐全 , 运行可靠, 具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。

4、系统配置可实现全自动定时供水 , 彻底实现无人值守自动供水 . 控制系统具有故障报警和显示功能 , 并可进行工变频转换 , 应急供水。

5、系统根据用户用水量的变化来调节水泵转速 , 使水泵始终工作在高效区 , 当系统零流量时 , 机组进入休眠状态 , 水泵停止 , 流量增加后才进行工作, 节电效果明显, 比恒速水泵节电23%-55%。

6、变频恒压供水设备不设楼顶水池 , 既减少建筑物的造价 , 又克服了水源二次污染, 气压波动大, 水泵启动频繁和建造水塔一次性投资大, 施工周期长, 费用高等缺点。

7、整套设备只需一组控制柜和水泵机组 , 安装非常方便 , 占地面积少。

8、本设备采用全自动控制 , 操作人员只需转换电控柜开关 , 就可以实现用户所需工况, 操作简单。

艾默生 TD2100 变频器配套控制回路
主回路为三相工频电源经 KM1、KM3、KM5 至热继电器 KH1、KH2、KH3 出热继电器至
三台电机，变频器输出三相电经 KM0、KM2、KM4 至同三台电机电机。

系统控制过程及变频器 PID 参数设置
（1）系统采用 3 台水泵供水，三台水泵根据变频器输出信号的频率依次变频启动和转
为工频运行。

先后多次出现频率上限信号时，从 1 号到 3 号水泵依次变频启动运行，前一台
水泵转为工频。

出现下限信号时，从 3 号到 1 号水泵先后停止，后一台水泵转为变频运行；
（2）系统中有过载、联锁等相应保护措施；
（3）为保证系统运行的可靠性，在某电机回路出现故障时减少一台泵仍能够正常运行，本例使用的是先启后停模式。

PID 的参数设置必须要保证系统的运行稳定。

调试过程中，要观察压力监测点的实际测
量值。

变频器的PID 设置流程如下：
（1）设定值的确定。

先要确定被调节压力的设定值；
百分数的转换。

计算传感器的输出值与设定值之间的相应关系，若传感器电流为20mA
对应0.5MPa，4mA 对应0MPa，那么0.1MPa则相当于 20%，相对应为 7.2mA；
设定值的设置。

本例是在变频器参数中直接设置（F99 数字压力给定值=0.39）
（4）运行。

未设置微分时间，积分时间和比例范围可先设定的大一点；
（5）运行时，目标值不能保持平稳，则把积分时间和比例范围增大一点，保证目标值
的稳定.
（6）目标值平稳时，可适当减少积分时间、减小比例范围。

参考文献
岳庆来. 变频器，可编程控制器及触摸屏综合应用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2007：601.
黄威，黄禹. 变频器的使用与节能改选[M]. 北京化学工业出版社，2011.
王廷才王伟，《变频原理及应用》，机械工业出版社。