基于PLC與內置PID變頻器的恒壓供氣系統研究

宋 鋼，安瑞科

（蚌埠壓縮機有限公司，安徽 蚌埠233000）

傳統的公頻繼電器直接控制電機啟閉的簡單供氣系統，電機在運行時一直處于額定運行工況，供氣系統經常出現氣和電的巨大浪費。同時壓縮機電機在用氣負荷變換時，不能自動調節控制，常常出現電機空載、過載等非正常運行工況，嚴重降低了電機的使用壽命和供氣的可靠性。隨著電力電子技術的不斷成熟，利用內置（PID）變頻器與PLC相結合形成的恒壓變頻供氣系統，可以根據用氣負荷的變化動態地調整電機轉速，保證整個系統輸入輸出的實時平衡，不僅降低了系統的整體能耗，同時到達了節能降耗的目的[1~2]。

1 變頻恒壓供氣系統整體結構

PLC和內置PID變頻器是整個控制系統的核心。整個變頻恒壓供氣系統的整體結構大致包括三大部分[3]：

（1）主電路部分。包括從主電源到壓縮機電機間的所有真空開關、接觸器、熱繼電器、起動器等元件。主電路部分主要為系統提供電源，是壓縮機電機工作的動力源部分。

（2）上位機PLC控制系統。通過PLC可編程控制器，具有對電機的起停信號的采集、系統預設壓力參數的設置、溫度信號的采集等功能。通過系統內部自檢功能，周期性的掃描系統運行的整體工況，并通過故障指示報警系統，提醒工作人員及時排除系統故障。

（3）變頻調速系統。變頻器中包含可編程邏輯數據處理單元和PID調節器兩大結構。通過可編程邏輯單元，可以獲得變頻器起停信號、壓力的預設值；通過變頻系統內部自檢功能實時掃描系統內部故障，并通過相應的RS485通信協約，將故障報警信號傳輸給PLC，實現故障報警的動態檢測。PID調節器單元，利用遠傳傳感器將輸氣管道中的實際需氣壓力通過屏蔽通信電纜傳輸回PID調節器中，并與壓力預設值進行比較，獲得對應的頻率差信號，通過變頻器內部觸點的調整，將電機主電源的頻率調整為實時輸氣管口需氣頻率，保證電機的輸入功率與用氣設備的需求功率平衡，從而到達根據用氣負荷波動壓力信號控制電機的轉速，來實現系統的整體供氣平衡。除上述三大部分外，恒壓供氣系統還包括氣位傳感器、通信電纜、氣位信號器、壓力傳感器等元件共同組成，其具體系統結構圖如圖1所示。

圖1 變頻恒壓供氣系統整體結構

2 變頻器PID調節原理

為了實現恒壓供氣系統在用氣負荷波動時，能夠通過內部自動調節而實現供需平衡，保證壓縮機電機高效經濟的運行，就需要利用遠動傳感器實時采集需氣壓力信號，并通過反饋回路，傳輸給變頻器進行數據比對分析，再將內部分析獲得的壓力偏差信號轉換為壓縮機電機調節電源頻率信號，通過控制電機轉速實現恒壓供氣的目的。具體的PID閉環控制回路如圖2所示[4~5]。

圖2 閉環PID控制回路

從圖2可看出，由于調節過程中電路元件狀態量不可能瞬時發生突變，因此恒壓供氣調節過程，實際上是一個反復調節、逐步收斂的過程。在這個收斂過程中，也是一個相互約束制約的過程。按設計思想而言，要求系統調節后管道內的輸氣壓力（Of）越接近系統預設壓力（Tf）越好，即希望滿足Tf-Of≈0的關系式。而變頻器控制電機的頻率差，是由Tf-Of的差值轉換得到的。也就是說，直接采用Tf-Of的實際差值，作為系統的反饋信號時，給定電機的頻率調節差Gf就幾乎為零，也就起不到調節作用。因此，對系統反饋回來Tf-Of的壓力差值，應該采取放大增益措施。

（1）比例增益環節（P）。為了獲得系統能在進行調節的壓力差信號，利用比例增益環節將信號進行放大，然后供給變頻器進行電機電源頻率調整，所獲得的調節頻率差為

式（1）中，KP為信號的整體放大倍數，即比例增益綜合效益系數。

為了使系統在Tf-Of接近于零時，變頻器依然能夠調節電機電源頻率，則需要更大的KP放大信號因子。比例增益KP越大，系統誤差ε也就越小，但是此時系統的超調量就越高，從而引起被控量（此系統中為氣管進氣口氣壓）就會發生劇烈振蕩，而使系統更加波動，更難實現收斂狀態。因此，需要引入對應的積分約束系數，將系統控制在收斂時間范圍內，而不至發生全區域振蕩。

（2）積分環節（I）。系統在引入積分環節后，就會將信號放大環節有效約束在預設“積分時間”內，通過對Gf逐步的調整，防止Gf突然劇變，造成系統發生振蕩。系統積分時間設置越長，Gf的整體變化速率就減慢。但在調節過程中，如果積分時間太長，就會影響系統的實時動態調整特性，即一些變化快的控制量將在調節過程中出現滯后現象，使得系統很難恢復平衡。

（3）微分環節（D）。為了保證系統在允許的誤差范圍內進行有效調節，就需要在積分環節中設置一段加速調節動作時間。通過外設微分環節，將積分時間劃分為加速調節和正常調節兩部分，保證在有效調節時間內，將系統調節到平衡狀態。

在圖2中，變頻恒壓供氣系統通過主調節器和副調節器相互配合，形成一個綜合調節系統。在調節器中都裝設有對應的PID模塊，保證系統安全可靠運行。

3 變頻恒壓供氣系統軟件功能

變頻恒壓供氣系統，通常采用PLC和變頻器共同組合形成一個完整監控系統。本次系統采用西門子S7-200型PLC作為整個系統的上位機監控中心，并利用PLC自帶的MCGS通用組態仿真軟件，編寫相應的人性化服務窗口界面，實現數據、命令的人機通信接口。

為便于運行人員能夠實時動態地了解整個供氣系統的運行工況，通過MCGS仿真軟件編寫對應的仿真界面，并利用液晶顯示屏，將所有參數提供給運行人員。在人機接口的可視化系統中，運行人員不僅可以了解系統運行的基本工況，還可以通過系統數據庫資源，調取壓縮機電機電壓電流、輸氣口流量、系統整體效率等歷史數據。圖3即為一加壓氣站恒壓供氣系統的人機互通主界面圖。

圖3 加壓氣站恒壓供氣系統主界面

4 綜合效益

利用PLC與變頻器結合形成的恒壓變頻供氣系統，具有較大的工程實際應用一樣，可以從以下方面體現。

（1）節能降耗。恒壓變頻供氣系統利用管道內的需氣壓力信號與預設壓力信號與預設壓力值進行比對，獲得對于的壓力偏差信號，作為電機的直接控制信號，保證了整個系統的輸入輸出平衡，在保證系統安全可靠運行的基礎上，達到了節能降耗的目的。

（2）實現PID自動調節。利用內置PID的變頻器，通過對壓力差信號的放大、微分加速、積分收斂等多個步驟，實現了壓力差信號的實時動態收斂調節特性，保證整個系統的綜合調節特性。

（3）人機化互通界面。采用MCGS通用組態仿真軟件，形成了整個供氣系統的可視化仿真界面，不僅提高了運行人員的整體工作效率，同時通過計算機自動進行故障預測判斷，提高了故障處理速率，保證了系統的整體運行特性。

5 結束語

利用PLC與內置PID變頻器相結合，組合成具有自動檢測、判斷、快速調節收斂等特性的綜合自動化供氣系統。達到了動態實時恒壓供氣調節目的，實現了電機輸入輸出平衡高效運行的功能。不僅提高了電機的綜合工作特性，同時到達了節能降耗的目的，減少了氣能和電能的浪費，提高了企業的市場綜合競爭力。

[1]陳在平.可編程控制器技術與應用系統設計[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]陳立定，吳玉香，蘇開才.電氣控制與可編程控制器[M].廣州：華南理工大學出版社，2004.

[3]劉霄，李海軍，范洪達.基于LonWorks現場總線的恒壓供水變頻調速系統[J].測試技術學報，2004，17(01):65-68.

[4]段鐵群，王 萍，黃宇輝，付國民.基于PLC的模糊自整定參數PID控制器在變頻調速恒壓供水系統中的應用[J].電機與控制學報，2003，7(12):348-351.

[5]張 濤，李家啟.基于參數自整定模糊PID控制器的設計與仿真[J].交通與計算機，2001，19（增刊）：27-29.