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文分析了变频器内置pid调节器的闭环反馈工作原理，应用于电线电缆收线张力恒定系统，配合主从传动点的主从应用宏，达到调节加工速度和张力恒定的要求。 
 
 
    一、概述

    随着变频调速技术的发展与更新，变频器以其优越的性能价格比为广大用户所青睐，变频器的功能强大，是一种集电力、电子、计算机技术和现代技术为一体的一种典型的高科技产品，其操作简单，几乎不要调整，和普通异步电机配合基本可形成了一种免维护无故障运行的系统，不需要专门的技术人员对其进行日常保养和维护，所以变频传动已经日益成为电气传动控制的主流。

    在电线电缆收线机械的电气系统中，加工机马达和收线机马达组成主从传动，利用两台通用型变频器工作在主从控制方式，拖动电机同步运行。主机是加工机械，由一台功率较大的变频器控制，根据生产工艺要求调节加工速度；从机是收线机，由较小功率变频器控制。系统控制图如下图1：

                                    图1 系统结构图

    加工成型的电线电缆通过定滑轮1、张力动滑轮、定滑轮2到达收线机，主机变频器控制总车速，从机转速自动跟随主机的加工出线速度，保持张力动滑轮的位置不变；张力动滑轮通过连杆和电位器连接，动滑轮上下移动改变电位器位置，输出的电压信号送从机变频器，由其内置的pid调节器进行闭环反馈控制，达到张力恒定的要求。

    二、主从变频器功能实现

    在一般通用型变频器中，可以通过参数组态的方式完成所需要的主从控制功能。以acs600变频器为例，我们可通过主机变频器操作面盘控制本机启动、停止、加减速度调节和运行显示，或者主机给定信号和控制命令通过变频器的标准输入/输出信号接口输入，或通过namc板上的ch0通道连接现场总线适配器，同时利用外部继电器控制回路实现从传动点启动和停止的连锁控制。外部信号只与主变频器相连，主机经由光纤通信控制从机，一般外部信号不与从传动相连，也不用控制盘和现场总线控制从机，从机不通过主/从通讯链路向主机发送任何反馈数据，从机的故障信号应单独地连至主机，形成联锁。一旦发生故障，联锁将停止主传动和从传动。

    主/从应用宏参数的缺省设置能满足一个典型的主传动需要。从传动的参数设置必须进行调整，主传动是典型的速度控制，其它变频器跟随主传动的转矩或速度给定。主从应用宏提供了窗口控制功能。当从机处于转矩控制时，变频器在正常运行范围内，窗口控制保持转速调节器的输入为零，从机跟随主机的转矩给定；发生负载丢失时，从机实际转速开始升高直到反向转速偏差的值超过窗口允许负向宽度。窗口控制把窗口的输出值与转速调节器相连。转速调节器输出负值，加上来自主机的转矩给定，得到内部转矩给定，使内部的转矩给定受到限制，以停止转速升高。

    主从变频器间通信,主机向从机广播控制字和两个给定值，所有从机接收相同的消息。从机控制字（实际信号3.11 follower mcw）是一个压缩的16位字，其中仅第3位（run）、7位（reset）、10位（remote-cmd）使用，当从机参数1（ex1 start/stop/dir）或10.02（ex2 start/stop/dir）设置为comm.module时，控制字中的命令有效。给定值是包括符号位和15位整数的16位字，给定1是速度给定，给定2是转矩给定。在主机中，参数60.07（master signal2）对送往从传动的速度给定信号进行选择，参数60.08（master signal3）对送往从传动的转矩给定信号进行选择；在从机中，要将给定1定义为外部速度给定的来源，参数11.03（ext ref1 select）应设置为comm.ref，定义给定2为外部转矩给定，参数11.06（ext ref2 select）应设置为comm.ref。

    三、电缆收线张力恒定控制功能实现

    在系统结构图1中，从变频器的外部给定由主机变频器输入速度或者转矩信号，同时由张力动滑轮连杆机构通过电位器反馈给变频器电压信号，形成过程控制的闭环反馈回路。pid控制是一种闭环控制算法，它对给定与反馈的误差进行比例p、积分i、微分d运算，根据运算结果，调节变频器的输出频率，使反馈值跟随设定目标值。比例环节主要调节误差的比例，快速减小输入、输出，纯比例p控制时，误差不会为零；积分环节主要用于消除静差，tigao系统的无差度。积分作用的强弱取决于ti，ti积分时间常数越大，积分作用越弱，反之则越强；微分环节反映偏差信号的变化趋势（变化速率），调节误差的微分输出，误差突变时，能及时控制，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。组合三者的优势，可以得到优化的控制性能。

              
                        图2 张力pid闭环控制框图

    上图2便是本系统中收线张力pid控制结构原理图，外部给定信号与张力测定的负反馈信号形成的误差经过pid控制器运算后送变频器控制电机转速，在实际的工程应用中，我们可以通过设定比例系数p、积分时间常数ti和微分时间常数td获得优化性能，达到生产控制的要求。张力给定外加设定卷径给定和转动惯量等参数达到所需张力的转矩值，能使系统运行稳定。

    四、小结

    在本系统利用变频器作为执行机构控制异步电机同步运行，在保持速度一致的情况下，通过控制电缆收线的张力大小恒定，保证了主从电机的稳步运行和收线卷的质量，避免速度不稳和受到外界干扰产生的较大误差。这里主要利用了变频器的强大功能来实现电机传动的控制，摒弃了模拟量控制系统，实现产品的机电一体化。

　根据贵厂实际情况，工厂用水是由一台水泵将外源水抽至工厂储水池，再由另外一台水泵根据工厂实际用水量的大小来将水供给工厂使用。 
　　在一般情况下，水泵采用恒速交流电动机拖动，而用水量却是变化的，为了保证水池的正常供水，工人要在现场经常调节挡板或阀门开度大小来控制水泵的抽水量，或者将水池中用不完的水白白流掉。这样做不仅增大了工人的劳动强度，而且有大量的电能浪费在水泵阀门阻力的损失上。因此就要求水泵处于变工况运行，若利用变频器进行调速，以调节电动机转速的方法取代调节挡板或阀门，则不仅可以减轻工人劳动强度，还能达到节约电能目的，对tigao企业经济效益有重要意义。 
水泵变频器控制节能原理 
1、水泵特性分析 
根据离心泵特性曲线的有关公式： 
　　　　　　　　　　　　　　　p=k1qh （1）
　　　　　　　　　　　　　　　q=k2n （2）
　　　　　　　　　　　　　　　h=k3n2 （3）
　　　　　　　　　　　　　　　由（1）、（2）、（3）式得： 
　　　　　　　　　　　　　　　p=k4n3 （4） 
　　　　　　　　　　　　　　　p/q=k5n2 （5）
　　　　　　　　　　　　　　　式中：k1，k2，k3，k4，k5为常数： 
　　　　　　　　　　　　　　　p为泵机轴功率； 
　　　　　　　　　　　　　　　q为泵机liuliang； 
　　　　　　　　　　　　　　　h为泵机扬程； 
　　　　　　　　　　　　　　　n为泵机转速。 
（1）式中说明在相同的轴功率下，若通过出口阀门调节泵机liuliang，将引起泵机扬程的相应改变，liuliang越小，扬程变得越大，但实际抽水时，由于扬程是基本不变的，由此就产生了更多的富余扬程。 
（4）式说明泵机轴功率与转速的立方成正比，若设法降低转速，就可以减小泵机轴功率，再由（1）可知，就可实现liuliang或扬程的自由调节。 
（5）式说明单位时间内，排放每m3 水能耗（即功耗）与转速立方成正比，这说明在达到实际供水liuliang前提下，转速越小，功耗越小。 
2、电机特性分析 
根据交流电动机的工作原理： 
　　　　　　　　　　　　　n=60\p.f（i-s） （6） 
　　　　　　　　　　　　　式中：f为电机的电源频率； 
　　　　　　　　　　　　　p为电机的磁极对数； 
　　　　　　　　　　　　　s为转差率。 
由于电机的s和p为常数，所以（6）式可知电机的转速与电源频率有固定的正比例关系。 
3、节能原理 
　　由电机特性分析可知，均匀改变电机供电频率f，就可以平滑地改变电动机的转速，从而改变泵机的转速；结合泵机特性分析，降低电动机转速，电动机输入功率也随之减少，泵机轴功率就相应减少。这就是变频器控制水泵的节能原理。 
　　另外，水泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，水泵采用变频器调速以后，可以根据工艺的需要，实现泵机的软启和软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在用水量不大的情况下，可以降低泵机的转速，这样不仅避免了水泵长期工作在满负荷状态，造成的电机过早的老化，而且变频器的软启动大大减小泵机启动时对机械的冲击，也具有节能的作用，其节电率一般在15%-40%左右。 
水泵变频控制设计 
变频器选用深圳日业电气有限公司开发生产的日业牌sy3200变频器作为就频调速系统的执行单元。日业sy3200系列变频器是高性能空间电压矢量控制通用变频器。 
它具有如下特点： 
■　日立32位电机控制专用微处理器，高精度频率输出。 
■　新颖的功率累计功能，观察节能效果更直观方便。 
■　独特时间累计功能，可以显示单次通电运行时间，累计运行时间。 
■　内置rs-485接口，可计算机联网控制。多信号输入，内置简易plc，自动化控制更方便。 
■　参数交互功能，设定方便。 
■　载波频率可调，静音运行。 
■　控制方式多样化，通用性强。 
■　内置pid调节功能，闭环控制简单。 
■　低速额定转矩输出，运行稳定。 
■　键盘操作方便，可在运行时在线调整和设定有关参数 
■　内置刹车单元，快速停车。 
■　风扇的运行状态可以控制，调度和运行更简易方便。 
■　多样的变频器运行状态参数显示，对控制信号和负载有关情况一目了然。 
　　系统被控对象为1台30kw水泵电机，保留电机的原工频启动单元，另加变频控制，两者通过机械电气联锁，既保证了泵机的正常运转，又便于系统的维修，液位测量变送器用于测量水池液位，并将液位信号变换成4～20ma标准电信号，供给sy3200变频器。图一所示为sy3200变频器控制泵面的结构框图。
 
　　　　 图一：sy320变频器控制泵机结构框图

　　当工厂用水量增大时，水池水位则相应的下降，液后测量变送器将液位下降以电信号的形式传送给sy3200水池供水变频器，使sy3200变频器输出频率相应地增大，水泵电机转速上升，供水量也相应地加大，从而保持了水池液位的相对稳定。反之，则变频器输出频率降低，以保持水池水位不再上升。 
4、结束语 
水泵在使用了sy3200变频器控制以后，不但免去了许多繁琐的人工操作，降低了不安全隐患因素，并且使系统始终处于节能状态运行，延长了设备的使用寿命，减小了维修工作量和维修频率，还可以实现电机的软启动，使起动电压降低，减小对电网的大电流冲击，更好地适应了生产需要。而且日业电气有限公司的sy3200变频器具有丰富的内部控制功能，可以很方便地与其他控制系统实现闭环自动控制。因此，在供水处理过程中使用变频器具有很好的应用价值和推广价值。 

说明，改造方案须用工频，变频双回路控制，变频改造并不改变水泵原有的控制原理，原水泵系统保护装置依然有效，并且工频/变频切换采用了电气，机械双重联锁，大大tigao了系统的安全，可靠性。

一 前言
　　随着经济的发展，人们生活水平的tigao，大家对自己的工作，生活环境也越来越重视，现在兴建的商住楼，宾馆，大型商场在基建时都是采用了中央空调系统。该系统在设计时是按照热天气，大负荷来设计，通常还留有10－15%的设计余量。该系统在整幢建筑里可以说是耗电大户，电能耗费一般在50%-60%，所占比重很大。但在实际工作过程中，大部分时间该系统都不是需要满负荷工作，有着较大的富裕空间，因此有必要对旧有系统进行节能降耗改造。
　　
　　二 变频改造的方式和方案
　　要改造该系统首先要了解该系统：
　　通常中央空调系统分为冷冻压缩机（主机）和水循环系统。水循环系统又分为冷冻水系统和冷却水系统。 在旧的中央空调系统中，冷冻压缩机可以根据负载变化随之加栽和卸栽，但冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载的变化任意调节，这样当负荷不是很大时，就存在很大的浪费，节能潜力较大。
　　
　　改造的节能原理
　　原系统水循环的liuliang和压差是通过调节阀门开度和旁通调节完成的。这不可避免的存在较大截流损失和大liuliang，高压力，低温差现象，既浪费大量电能，又导致中央空调末端达不到理想的制冷效果。要解决该问题好方案就是使水泵随负载的变化自动调节水liuliang而不是靠改变阀门的开度。（附系统原理图）
　　
        
　　

　　从上图中我们可以清楚的看出冷却水循环系统和冷冻水循环系统，其中冷却水循环系统是用来冷却冷冻机组的，该系统包括以下结构： 冷冻压缩机组，冷却泵，冷却水管道，冷却塔。冷却水将压缩机组工作时产生的热量带走通过冷却水泵加压通过管道带到冷却塔，在冷却塔的冷风的作用下降温冷却再流入压缩机组，这样可以保证压缩机组在正常的温度下工作。
　　
　　冷冻水系统： 冷冻压缩机组。冷冻泵，冷冻水管路，冷冻水流出压缩机组后经冷冻泵加压后进入冷冻水管路进入房间进行热交换，带走热量，降低房间温度。
　　
　　冷却风机：
　　房间内冷却风机：安装于房间内，将经冷却降温的冷空气吹进室内，加大室内的热交换
　　室外冷却塔风机：降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
　　从以上可以看出，中央空调系统的工作过程就是一个循环的热交换过程，2条水循环系统便成为这个过程传递者。因此实现对水循环系统的控制便成为重中之重。
　　
　　原系统的温度控制方式：采用热电阻的方式： 图中rt1,rt2,rt3 为3处感温部位
　　冷冻压缩机组
　　冷却水循环系统
　　冷冻水循环系统
　　冷风机拖动系统
　　
　　原系统该部分均不能实现调速，能耗大，实现温度jingque控制困难。
　　
　　变频调速的原理分析
　　该系统的热交换由两个水循环系统来完成。水循环系统的回水与进（出）水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。根据回水与进水（出）水温度差来控制循环水的流速从而控制热交换的速度，应该是合理的控制方法。
　　（1）冷冻水循环系统的控制――通过回水温度实现变频控制
　　由于冷冻水的回水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，是比较稳定的，我们根据回水温度的高低可以判断出房间内的温度。可以根据回水温度实现变频控制：回水温度高，说明房间温度高，应该tigao冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度；反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约能源的目的。
　　
　　（2）冷却水循环系统的控制――通过检测进水和回水的温差实现变频控制。
　　冷却塔的水温是随环境温度变化而变化的，因此单侧水温度不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现恒温差控制是可行的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应tigao冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的
　　
　　变频调速的实际控制模式
　　1针对室内冷却风机：可以采用惠丰公司hfk系列空调专用变频器，温感探头可以准确感测房间内的温度（0－50度），采用pid控制模式，实现对房间温度的jingque控制。
　　（控制原理图）
　　

　　2针对循环水泵：可以采用恒温差控制模式，采用pid调节，如果有多台水泵，可以采取类似恒压供水一拖多模式，采用内置pi调节模式或采用外用pid调节器，感温元件可以外购。

 随着plc的推广普及，plc产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的plc产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。plc的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择plc，对于tigaoplc在控制系统中的应用起着重要作用。

    1 机型的选择

   plc机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择可靠、维护使用方便以及性能价格比的优化机型。

   在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的plc；其它情况则好选用模块式结构的plc。

   对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带a/d转换、d/a转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。

   而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机。其中机主要用于大规模过程控制、全plc的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象，表1列出了plc的几种功能选择。

表1 plc的功能及应用场合
 

   对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的plc模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的tigao和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台plc联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。

    2 输入/输出的选择

   plc是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过i/o接口模块来实现的。

   通过i/o接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。同时通过i/o接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。plc从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，plc的i/o接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，plc都有许多i/o接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。

    2.1 确定i/o点数

   根据控制系统的要求确定所需要的i/o点数时，应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，i/o点数也应有所不同。

    表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的i/o点数。

表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的i/o点数
 

    2.2 开关量输入／输出

   通过标准的输入／输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开／关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入／输出信号为24～240v，直流输入／输出信号为5～240v。

   尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的。如用于消除错误信号的抖动电路；免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。

   在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。

    2.3 模拟量输入／输出

   模拟量输入／输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量liuliang、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为－10～＋10v、0～＋10v、4～20ma或10～50ma。

   一些制造厂家在plc上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号，如rtd、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或rtd混合信号。

2.4 特殊功能输人／输出

   在选择一台plc时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准i/o实现的i/o限定如定位、快速输入、频率等　。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使cpu从耗时的任务处理中解脱出来。

    2.5 智能式输入／输出

   当前，plc的生产厂家相继推出了一些智能式的输入／输出模块。一般智能式输入／输出模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入cpu或直接输出，这样可tigaoplc的处理速度并节省存储器的容量。

   智能式输入／输出模块有高速计数器（可作加法计数或减法计数）、凸轮模拟器（用作编码输人）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的pid调节器、ascii／basic处理器、rs—232c／422接口模块等。表3归纳了选择i/o模块的一般规则。

表3 选择 plc 的 i/o 接口模块的一般规则
 

    3 plc存储器类型及容量选择

   plc系统所用的存储器基本上由prom、e-prom及pam三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的大存储能力低于6kb，中型机的大存储能力可达64kb，大型机的大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。

   plc的存储器容量选择和计算的种方法是：根据编程使用的节点数jingque计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，获取存储容量的佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表4同时给出了存储器容量的估算方法。

表4 控制目的估算存储器容量的方法
 

    4 软件选择

   在系统的实现过程中，plc的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择plc产品的软件功能有所了解。通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件任务的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。

    5 支撑技术条件的考虑

    选用plc时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容：

    (1) 编程手段

便携式简易编程器主要用于小型plc，其控制规模小，程序简单，可用简易编程器；

crt编程器适用于大中型plc，除可用于编制和输入程序外，还可编辑和打印程序文本；

由于ibm-pc已得到普及推广，ibm-pc及其兼容机编程软件包是plc很好的编程工具。目前，plc厂商都在致力于开发适用自己机型的ibm-pc及其兼容机编程软件包，并获得了成功。

    (2) 进行程序文本处理

简单程序文本处理以及图、参量状态和位置的处理，包括打印梯形逻辑；

程序标注，包括触点和线圈的赋值名、网络注释等，这对用户或软件工程师阅读和调试程序非常有用；

图形和文本的处理。

    (3) 程序储存方式

   对于技术资料档案和备用资料来说，程序的储存方法有磁带、软磁盘或eeprom存储程序盒等方式，具体选用哪种储存方式，取决于所选机型的技术条件。

    (4) 通信软件包

   对于网络控制结构或需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用plc的主要依据。通信软件包往往和通信硬件一起使用，如调制解调器等。

    6 plc的环境适应性

   由于plc通常直接用于工业控制，生产厂都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种plc都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。

    一般plc及其外部电路（包括i/o模块、辅助电源等）都能在表5所列的环境条件下可靠工作。

表5 plc的工作环境
 

    7 结束语

   随着科技的不断进步，plc的种类日益繁多，功能也逐渐增强。文章中尽管归纳了一些选用plc的方法，但在实际工作中还一定要依据实际情况做出适当的调整，以便设计出满足期望的控制系统。