论文-用变频器控制压力调节阀的技术研究

基于变频控制技术的压力调节方法的研究与实现
摘要：长期以来，习惯于利用步进电机来控制电动调节阀，以实现压力、温度和液位等参数的自动控制。

本文提出了一种利用变频器控制压力调节阀的方法，它具有实现简单、控制精确、价格低廉的特点。

本方法的具体实现是利用PC微机与变频器之间的RS485通信，编写应用程序控制变频器的输出频率、输出相序和输出时间，以此来控制压力调节阀的开关，并结合压力传感器将系统压力传入PC微机，形成一个闭环控制系统。

经实验测定表明可以达到预期的目的。

Abstract：People always use step motor to adjust the parameter such as pressure, temperature and the level of liquid. This article put forward a method using transducer to control the pressure adjuster, it has the virtues of simpleness, precision and low price. The method uses RS485 Bus between the PC and the transducer, programs the computer to change the output of the transducer to control the open and close of the electric adjuster, besides, uses pressure transmitter to form a closed control loop.
关键词：变频器电动调节阀压力调节阀 RS485总线
Key Words：Transducer，Electric Adjuster，Pressure Adjuster，RS485 Bus
1前言
某上个世纪80年代建造的钻井泵综合实验设备，限于当时的技术水平，其钻井泵出口压力的调节用一台三相电机通过减速器与一压力调节阀的阀杆连接，采用手动控制三相电机的起停和正反转，从而带动阀门的开启、关闭和定位来实现。

显然，这种压力调节控制方法其操作控制的难度较大，系统压力难以精确调节控制，存在较大的危险性，所以需要重新设计，全面改造。

为了减少资金投入，利用原系统的普通控制电机和高压压力调节阀，设计了一种用变频器调节控制电机的转速、转向和转动时间的方法来控制压力调节阀
以控制调节钻井泵的出口压力，取得了理想的效果。

2压力调节单元的硬件结构
图1为改造后的钻井泵出口压力调节单元硬件结构示意图。

图1 钻井泵出口压力调节单元硬件结构
钻井泵的入口和出口通过管线连接到一个水罐上，可形成一个流体循环回路。

通过压力传感器将钻井泵出口压力信号接入微机，程序控制软件将其与设定压力做比较，采用增量式PID控制（自动运行状态下），将决定变频器的输出频率、电流方向和输出时间的PID 运算值通过RS485总线传送给变频器，从而控制三项电机的转速、转向和转角，再通过电机与调压阀之间的减速箱带动调压阀阀杆运动，将电机的转动转换为调压阀阀芯的上下运动以实现调压阀的开启、关闭和停位操作，以此来控制钻井泵的出口压力，形成一个闭环压力调节单元。

本控制单元的电机型号为JO2-32-B，380V，2.2KW,940转/分，变频器采用日本富士公司的2.2KW/FRN2.2G11S-4CX，为了实现对电机运转的精确调节控制，将变频器的内部参数设定为：①将E01～E03设为0、1、2、3，使X1～X4选定为SS1、SS2、SS3、SS4；②将X3与CM短接，选定多步频率4；③将F01设为10，由程序步控制电机运行；④将C21设为1，反复执行程序步，有关参数的功能可查询参考文献[1]。

参数设定以后，就可以通过PC微机设定参数C25（程序步4，电机运转的方向和程序步的运行时间）和C08（多步频率4，电机运转的频率值）的值，以此来控制电机运行。

在此有两点需要注意：①为了通过PC微机控制变频器的运转，已修改了变频器的内部参数，所以通过变频器操作面板无法调整变频器的输出频率和运转方向。

只有将参数改为原来的默认值，才可以通过变频器操作面板操作变频器。

②在系统压力处于高位时，应
将参数C21的值设定为0，每次只运行一个程序步，这样才可以精确控制压力调节。

3软件实现
程序控制可以采用两种方式：自动控制方式和手动控制方式。

若采用自动控制方式，则利用设定压力值和压力传感器所采集的实际系统压力值的差值，采用增量式PID算法[2]，将△u(k)换算成变频器的输出频率和旋转方向，再将相应的参数传递给变频器，就可以控制压力调节阀的旋转方向和旋转速度，以达到使实际压力值接近或等于设定压力值的目的。

其增量式PID算法如下式（1）：
△u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) (1) 式中，k——采样序号，k＝0，1，2 …
Kp——比例系数
T——采样周期
T
I
——积分时间常数
T
D
——微分时间常数
△u(k)——第k次采样时刻的计算机输出值
e(k)——第k次采样时刻输入的偏差值
e(k－1)——第k－1次采样时刻输入的偏差值
e(k－2)——第k－2次采样时刻输入的偏差值
A=Kp(1+T/T
I +T
D
/T)
B=Kp(1+2T
D
/T)
C=KpT
D
/T
若采用手动控制方式，可以调用“开阀”、“关阀”、“点动开阀”、“点动关阀”四个子程序来控制调压阀的开关以调节压力。

其中“开阀”和“关阀”的功能是连续的开关阀，而“点动开阀”和“点动关阀”可以通过修改“等待时间”以达到点动的功能，便于精确地控制压力。

其“关阀”和“点动关阀”的程序流程见图2。

手动关阀子程序点动关阀子程序
图2 “关阀”和“点动关阀”的程序流程图
在两个程序中都出现了“等待一段时间”，但其目的是不一样的。

在“手动关阀子程序”中，因为变频器的响应有一定的时间间隔（大约10ms），串口通讯也需要一定的等待时间[3]，必须等到变频器能接收新的信号再向其发送信息；在“点动关阀”子程序中，所等待的时间是电机持续运转的时间间隔（可以设定）。

另外，在编写程序时一定要注意，每向变频器发送一次信息，必须接收变频器的返回信息，校验其是否正确，若错误应重发信息，正确才能运行下一步程序。

因为由于干扰或是变频器处于不响应状态甚至是变频器出现故障，这些情况下所发送的信息无效，若继续运行程序，将出现不可预料的后果，甚至是事故。

4实验结果
由于液体的不可压缩性，导致系统压力的增加值与控制电机的转动圈数（对应为阀的开启度）呈图3所示的曲线形状。

图3 系统压力曲线图
本控制单元在改造以前，调压阀利用人工使用继电器控制，完全依靠操作工的工作经验，凭感觉控制调压阀的开关，经常出现压力调节不稳甚至压力超高引起安全阀起跳。

改造以后，利用计算机程序的“手动控制”中的“点动关阀”功能多次做实验，实验结果如表1。

表1 “点动关阀”实验数据
由上表可以看出，通过在不同压力段设定不同的“点动频率”，可以精确地调节系统压力。

若采用“自动控制”方式，在编写控制程序时要注意减速箱和调节阀的机械回差问题，机械回差在高压时表现地更为明显。

低压时电机采用高频率连续运转，可以有效控制系统压力。

而在高压时，控制电机只能采用低频率单步运行，这时就要判断当前操作是控制压力还是为了消除机械回差，若是为了消除机械回差，电机应该采用高频率连续运转，否则若采用低频率单步运行，消除机械回差的时间将很长，无法实时地控制系统压力。

5结论
经过多次“手动控制”和“自动控制”，实验，所取得的实验数据稳定性较好。

据此可以认为，利用变频器能够控制输出频率和改变相序的功能，将之与电机配合，通过减速箱带动压力调节阀，可以构成一个比较理想的压力调节回路。

并且这种设计思路完全可以应用到液位和温度控制系统中，形成一种利用变频器构成控制调节系统的技术，扩展了变频器的应用范围。

参考文献
[1] 吴忠智吴加林. 《变频器应用手册（第2版）》. 机械工业出版社. 2003年4月
[2] 陶永华. 《新型PID控制及其应用（第2版）》.机械工业出版社.2002.9
[3] 谢瑞和. 《串行技术大全》. 清华大学出版社. 2003年。