SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Использование частотных преобразователей «Веспер» в режиме ПИД-регулирования

Cтатья поможет получить необходимую краткую информацию о принципе работы ПИД-регулятора и об использовании преобразователей частоты в системах автоматического регулирования. В статье приведены практические рекомендации (схемы подключения, программирование, настройка) по применению различных моделей преобразователей частоты «Веспер» в системах автоматического регулирования. Материал основан на опыте эксплуатации преобразователей частоты компании «Веспер».

ООО «Веспер автоматика», г. Москва

vesper.jpg

В настоящее время преобразователи частоты стали достаточно широко распространенными приборами и применяются в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, ЖКХ, быту и т. д. Их монтажом, пусконаладкой, эксплуатацией и ремонтом занимаются как высококвалифицированные специалисты, так и люди без специального образования по электроприводу.

Изложенный ниже материал является попыткой дать ответы на вопросы, наиболее часто возникающие в процессе настройки преобразователя частоты с ПИД-регулятором. Статья поможет специалистам различного уровня избежать характерных ошибок при монтаже и пусконаладке преобразователей частоты, используемых для работы в системах автоматического регулирования.

Причины, по которым не удается обеспечить удовлетворительную работу оборудования, обычно достаточно просты:
  • неправильный выбор преобразователя частоты или дополнительных устройств;
  • ошибки при подключении силовых цепей и цепей управления;
  • ошибки при подключении датчика технологического параметра;
  • неправильная установка параметров преобразователя частоты для работы в режиме ПИД-регулирования.
Статья поможет избежать подобных неприятностей. Техническому сотруднику, который впервые сталкивается с решением подобной задачи, целесообразно прочитать ее полностью. Для подготовленных специалистов, имеющих опыт настройки систем с ПИД-регулятором, возможно, будет полезна глава «Подключение и настройка преобразователей частоты “Веспер” в режиме ПИД-регулирования», где приведены типовые решения по применению различных моделей преобразователей частоты «Веспер» в системах автоматического регулирования.

Надеемся, данная статья принесет пользу электротехническому персоналу предприятий, но она не заменит руководства по эксплуатации и учебника по электроприводу.

Принцип работы ПИД-регулятора

Многие преобразователи частоты имеют функцию ПИД-регулирования (пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования). ПИД-регулятор является одним из основных узлов замкнутой системы регулирования нужного параметра: давления, расхода, уровня, скорости, температуры и т. д.

В преобразователе частоты ПИД-регулятор имеет два входа (рис. 1). На один вход поступает сигнал задания необходимой величины параметра, этот сигнал еще называют уставкой. На второй – сигнал обратной связи от датчика о фактическом значении параметра. В зависимости от величины и знака рассогласования между этими сигналами на выходе ПИД-регулятора формируется сигнал, изменяющий выходную частоту преобразователя с целью максимально уравнять уставку и фактический уровень сигнала. Выходной сигнал ПИД-регулятора определяется величиной рассогласования (пропорциональная составляющая), длительностью рассогласования (интегральная составляющая) и скоростью изменения рассогласования (дифференциальная составляющая).

ris1.png

Рис. 1. Структурная схема ПИД-регулятора

Пропорциональная составляющая стремится устранить непосредственную ошибку в значении регулируемого параметра, наблюдаемую в данный момент времени. Значение этой составляющей прямо пропорционально отклонению измеряемой величины от уставки. Подобный регулятор называется пропорциональным, или П‑регулятором. Его выходной сигнал – это ошибка управления e(t), умноженная на коэффициент KP:

form1.png

При использовании только пропорционального регулятора значение регулируемой величины никогда не устанавливается на заданном значении, и всегда будет иметь место статическая ошибка. По мере увеличения коэффициента пропорциональности растет точность и скорость отработки отклонения, но снижается устойчивость системы и может возникнуть колебательный процесс.

Для устранения статической ошибки в структуру регулятора вводят интегральную составляющую с коэффициентом KI:

form2.png

Такой регулятор называется пропорционально-интегральным, или ПИ-регулятором. Выходной сигнал интегратора пропорционален накопленной ошибке, что обеспечивает нулевую ошибку в установившемся состоянии, но замедляет переходный процесс.
Для ускорения переходных процессов в структуру регулятора вводят дифференциальную составляющую с коэффициентом KD:

form3.png

Такой регулятор называется пропорционально-интегрально-дифференцирующим, или ПИД-регулятором. Сигнал дифференциального канала наиболее важен при быстрых изменениях сигнала на входах регулятора и исчезает в установившемся режиме. Он позволяет реагировать не на само увеличение ошибки, а на скорость ее изменения. Главный недостаток дифференциального канала – большое влияние высокочастотных помех, например шумов измерений.

Преобразователь частоты в системе автоматического регулирования

Наиболее часто преобразователи частоты, работающие в режиме ПИД-регулирования, решают задачу поддержания постоянного давления в различных гидравлических системах. Рассмотрим для примера работу системы поддержания заданного давления жидкости в трубопроводе вне зависимости от ее расхода.

Для осуществления регулирования с использованием преобразователя частоты обычно строится замкнутая система (рис. 2). На ее вход подаются сигнал задания давления (уставка) и сигнал реального давления, получаемый с датчика обратной связи. Отклонение между реальным и заданным значениями преобразуется ПИД-регулятором в сигнал задания частоты для преобразователя. Под воздействием сигнала задания преобразователь изменяет скорость вращения электродвигателя насоса и стремится привести отклонение между заданным и реальным значением давления к нулю.

ris2.png

Рис. 2. Система автоматического поддержания заданного давления

В случае падения давления (например, вследствие увеличения расхода воды) ПИД-регулятор увеличит выходную частоту преобразователя частоты, что приведет к увеличению скорости вращения насоса, и давление в системе начнет повышаться. Если же давление окажется больше заданной величины (например, вследствие снижения расхода воды), ПИД-регулятор уменьшит выходную частоту и давление уменьшится. Таким образом, давление в системе поддерживается на заданной величине и не зависит от расхода.

Подключение и настройка преобразователей частоты «Веспер» в режиме ПИД-регулирования

Рассмотрим применение преобразователей частоты «Веспер» с встроенным ПИД-регулятором в системах автоматического регулирования. В качестве примера используем систему водоснабжения, в которой требуется поддерживать заданное давление независимо от расхода воды. Необходимый уровень давления задается в преобразователе частоты посредством установки задания частоты. Значение частоты рассчитывается по формуле:

form4.png

где FЗ – задание частоты, Гц;
P – необходимое давление в системе, бар;
Fmax – максимальная выходная частота, Гц;
Pmax – максимальное давление датчика, бар.

Например, если необходимое давление в системе 5 бар и применяется датчик 0–10 бар, то необходимо установить заданную частоту:

form5.png

Во всех приведенных ниже примерах используются одинаковые схемы управления преобразователями частоты:

  • управление пуском/остановом двигателя внешним контактом по 2‑проводной схеме;
  • задание частоты (уставка по давлению) кнопками на пульте управления преобразователя;
  • источником обратной связи является датчик давления с выходным сигналом 4–20 мА (рис. 3).

ris3.png

Рис. 3. Датчик давления

Пример 1
Подключение и настройка преобразователей частоты серии Е2-8300 для работы в режиме ПИД-регулирования.

1. Подключить преобразователь частоты согласно рис. 4.
2. Установить переключатель SW1 в положение NPN.
3. Установить переключатель SW3 в положение I.
4. Запрограммировать следующие параметры:
  • 1-00 = 0001 (источник команды «пуск/стоп» – внешние клеммы);
  • 1-06 = 0000 (источник задания частоты – кнопки пульта управления);
  • 5-12 = 0020 (клемма AI2 используется как вход ПИД-регулятора);
  • 11-0 = 0001 (включение режима ПИД-регулирования);
  • 12-6 = 0001 (сигнал обратной связи 4–20 мА);
  • 4-06 = 0001 (отображение величины обратной связи ПИД-регулятора включено).
Величина отображается в процентах от максимального давления датчика. Например, для датчика 0–10 бар величина давления 4 бар будет иметь вид «040F» при работе и «040r» в режиме останова.

5. Установить рассчитанное задание частоты FЗ с помощью кнопок на пульте управления.

ris4.png

Рис. 4. Схема подключения преобразователей частоты серии Е2-8300

Параметры 11-2 (пропорциональная величина ПИД), 11-3 (интегральная величина ПИД) и 11-4 (дифференциальная величина ПИД) соответствуют предустановленным значениям и при необходимости подбираются на конкретном объекте для оптимальной работы регулятора.

Пример 2
Подключение и настройка преобразователей частоты серии EI-7011 и EI-P7012 для работы в режиме ПИД-регулирования.

1. Подключить преобразователь частоты согласно рис. 5.
2. Установить переключатель JP3 в верхнее положение Ii.
3. Запрограммировать следующие параметры:
  • CD‑002 = 1 (источник команды «пуск/стоп» – внешние клеммы);
  • CD‑042 = 0 (выбор основного аналогового входа);
  • CD‑043 = 1 (тип сигнала на входе FI 4–20 mA);
  • CD‑084 = 1 (включение режима ПИД-регулирования).
4. Установить рассчитанное задание частоты FЗ с помощью кнопок на пульте управления.

Параметры CD‑086 (пропорциональная величина ПИД), CD‑087 (интегральная величина ПИД) и CD‑088 (дифференциальная величина ПИД) соответствуют предустановленным значениям и при необходимости подбираются на конкретном объекте для оптимальной работы регулятора.

Измеренную преобразователем частоты величину давления (приведенную к частоте 50 Гц) можно проконтролировать с помощью параметра монитора U‑13. Например, для датчика 0–10 бар величина давления 4 бар будет иметь вид «020 Гц».

ris5.png

Рис. 5. Схема подключения преобразователей частоты серии EI‑7011 и EI-P7012

Пример 3
Подключение и настройка преобразователей частоты серии E3-9100 для работы в режиме ПИД-регулирования.

1. Подключить преобразователь частоты согласно рис. 6.
2. Установить переключатель SW1 в положение «NPN».
3. Установить переключатель SW2 в положение «I».
4. Запрограммировать следующие параметры:
  • U‑01 = 0 (источник команды «пуск/стоп» – внешние клеммы);
  • U‑02 = 3 (источник задания частоты – кнопки пульта управления);
  • b‑01 = 20, b‑03 = 100 (диапазон сигнала на входе VIA 4–20 мА);
  • b‑02 = 0.0, b‑04 = 50.0 (положительный наклон характеристики входа VIA);
  • С‑60 = 1 (включение режима ПИД-регулирования).
5. Установить рассчитанное задание частоты FЗ с помощью кнопок на пульте управления.
Параметры C‑62 (пропорциональная величина ПИД), C‑63 (интегральная величина ПИД) и C‑66 (дифференциальная величина ПИД) соответствуют предустановленным значениям и при необходимости подбираются на конкретном объекте для оптимальной работы регулятора.
Измеренную преобразователем частоты величину давления (приведенную к частоте 50 Гц) можно проконтролировать в режиме мониторинга состояния ПЧ. Например, для датчика 0–10 бар величина давления 4 бар будет иметь вид «d 20.0».

ris6.png

Рис. 6. Схема подключения преобразователей частоты серии E3-9100

Пример 4
Подключение и настройка преобразователей частоты серии EI-9011 для работы в режиме ПИД-регулирования.

1. Подключить преобразователь частоты согласно рис. 7.
2. Установить переключатель J1 в верхнее положение.
3. Запрограммировать следующие параметры:
  • B1-01 = 0 (источник задания частоты – кнопки пульта управления);
  • B1-02 = 1 (источник команды «пуск/стоп» – внешние клеммы);
  • B5-01 = 1 (включение режима ПИД-регулирования);
  • H3-09 = 0B (клемма 14 используется как вход ПИД-регулятора);
  • H3-08 = 2 (тип сигнала на клемме 14  4–20 мА).
4. Установить рассчитанное задание частоты FЗ с помощью кнопок на пульте управления.

Параметры B5-02 (пропорциональная величина ПИД), B5-03 (интегральная величина ПИД) и B5-05 (дифференциальная величина ПИД) соответствуют предустановленным значениям и при необходимости подбираются на конкретном объекте для оптимальной работы регулятора.

Измеренную преобразователем частоты величину давления можно проконтролировать с помощью параметра монитора U1-16. Величина отображается в процентах от максимального давления датчика. Например, для датчика 0–10 бар величина давления 4 бар будет иметь вид «40.0».

Общие рекомендации по настройке преобразователей частоты в системе автоматического регулирования

Процесс настройки ПИД-регулятора состоит в основном из задания уставки и оптимальных значений указанных трех коэффициентов. Существуют математические методы вычисления оптимальных коэффициентов ПИД-регулятора исходя из обеспечения наибольшей устойчивости системы, однако на практике настройка регулятора часто проводится эмпирическим методом. Приведенные ниже рекомендации могут оказать практическую помощь в настройке системы ПИД-регулирования.

Для уменьшения статической ошибки и ускорения реакции системы необходимо увеличить пропорциональную составляющую. Следует помнить, что чрезмерное увеличение коэффициента усиления пропорционального регулятора приводит к автоколебаниям и к неустойчивой работе системы регулирования.

Для устранения статической ошибки используют интегральный регулятор, в котором, изменяя интегральный коэффициент, получают требуемую точность и стабильность регулирования. Однако при больших значениях интегральной составляющей время реакции на возмущающее воздействие может быть значительным.

Дифференциальная составляющая ПИД-регулятора используется в высокодинамичных системах регулирования скорости, положения, синхронизации и т. п. Поэтому во многих случаях используются только ПИ-регуляторы, которых вполне достаточно для решения большинства задач, возникающих в замкнутых системах регулирования.

Также при настройке преобразователей частоты необходимо задавать общие параметры электропривода: номинальный ток электродвигателя, номинальное напряжение электродвигателя, значение питающего напряжения и другие, необходимые для корректной работы преобразователя частоты и всей системы.

Надеемся, изложенный материал принес вам пользу и основной цели мы достигли: показали на практике, что настройка преобразователей частоты «Веспер» в режиме ПИД-регулирования не представляет сложности и доступна пользователю даже без специального образования. В случаях, когда указанной информации окажется недостаточно, следует обратиться к технической документации на преобразователь частоты либо за консультацией к техническим специалистам компании «Веспер».

Статья опубликована в журнале "ИСУП" №1(67)_2017

А.Е. Рожков, ведущий инженер,
С.А. Вдовенко, ведущий инженер,  
Е.В. Цыганков, директор,
ООО «Веспер автоматика», г. Москва,
тел.: +7 (495) 258-0049,
e‑mail: mail@vesper.ru,
сайт: vesper.ru