CN107037834A - 一种用于不规则小水箱液位的变频控制方法 - Google Patents

一种用于不规则小水箱液位的变频控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于不规则小水箱液位的变频控制方法，属于自动控制领域，解决了小水箱由于流量大、形状不规则的原因造成变频器控制液位波动大，抗干扰能力差的问题。方法步骤包括：液位计的设置、液位计的选择、每台泵之间的公共线性区间的确定、PID算法设计、泵之间备用切换和启停的自动控制、控制区间的设定、PID的调节。本发明可有效的避免液位计故障时造成的液位失调，可有效的避免变频器跟踪滞后造成的液位波动大，可有效的避免因水箱形状变化造成的液位变化不规律的调节干扰。

Description

一种用于不规则小水箱液位的变频控制方法
技术领域
本发明具体涉及一种用于不规则小水箱液位的变频控制方法，属于自动控制领域。
背景技术
抽汽式汽轮机下方凝结水箱由于空间原因原设计在液位测量区域容积仅有1m3，但是液体流量为65m3/h，该凝结水箱形状为两端密封的槽型，长宽均为1m，底部为拱形，顶部为喇叭口，液位控制区形状基本规则，水箱内呈负压（-90——-80KPa），液位测量采用一台磁翻板液位计。原液位控制采用3台工频电泵（额定48m3/h）控制，两用一备，靠液位的高低限变化（共计四个点）控制泵的启停，达到液位控制的目的，但是由于水箱小，流量大，水泵启停非常频繁，液位控制波动大，液位呈锯齿波形，无法达到稳定的液位控制效果，极易造成汽轮机跳车，对泵的损害非常大。
电气方面将设备由工频泵变更为变频泵，并在控制上采用普通PID调频控制变频泵，液位控制得到了一定的改善，但是由于汽轮机供汽压力常有波动，造成液位控制随之波动。
工艺方面将设备横向圆形扩充约1m3，水箱的容积增大了1倍，对液位调节有一定的好处，但是这造成了水箱的形状不规则，PID参数难以适应全量程范围，液位波动难以消除。
控制方面在PID调节的过程中，发现变频控制液位时，由于出口管道上扬有10余米，并且弯头多压损大，使用中观察发现变频控制流量在整个可调范围内并不成线性关系，而是一种近似二次方或者三次方关系，并且变频频率小于25Hz时完全没有流量，PID参数不能在全量程可用。同时由于变频本身有斜率限制，液位控制滞后较多，需采用微分运算增加前馈控制，原有PID算法为常规算法，其PID算法公式如下：
其中，∆MVn：操作输出变化量；En：偏差，En＝PVn－SVn；PVn：测量值；SVn：设定值；∆En：偏差的变化量，∆En＝En－En－1；∆T：控制周期；Pb：比例带（%）；Td：微分时间；Ti：积分时间；MSH：输出上限；MSL：输出下限；SH：过程量上限；SL：过程量下限。
该PID算法适用过程中微分作用效果不明显，前馈作用弱，由于变频器不能像阀门一样高效快速反应，微分作用难以和变频器匹配。其他常规的PID调节方法等均难以适用，抗干扰能力差，不能很快的消除波动，有时甚至将波动放大，造成设备跳车。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于不规则小水箱液位的变频控制方法，主要解决小水箱由于流量大、形状不规则的原因造成变频器控制液位波动大，抗干扰能力差的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种用于不规则小水箱液位的变频控制方法，包括以下步骤：
步骤一、液位计的设置：
在凝结水箱上设置两台测量原理及性能均不相同的液位计，第一液位计和第二液位计为互备关系；
步骤二、液位计的选择：
当两台液位计均正常时，手动选择其中一台液位计进行控制，所使用的液位计被认为故障或失准时，手动切换至备用液位计；同时，在控制系统中输入参数使系统自动判断当前使用的液位计状态，当前使用液位计故障时自动切换至备用液位计；
步骤三、每台泵之间的公共线性区间的确定：
逐台开第一电动变频水泵、第二电动变频水泵和第三电动变频水泵，获取每台泵的变频频率与泵出口流量的对应关系，选择三台泵的公共线性区间；
步骤四、PID算法设计：
设计PID算法，对设定值的变更进行比例、积分及微分的控制动作，控制范围为步骤三中所述的公共线性区间；
PID算法公式如下：
式中：∆MVn：操作输出变化量；
Pb：比例带（%）；
MSH：输出上限；
MSL：输出下限；
SH：过程量上限；
SL：过程量下限；
∆En：偏差的变化量，∆En＝En－En－1；
∆T：控制周期；
Ti：积分时间；
Td：微分时间；
∆PVn：过程值的变化量，∆PVn＝PVn－PVn－1；
步骤五、泵之间备用切换和启停的自动控制：
在控制系统中组态泵的启停逻辑，按实际要求确定几用几备及启停参数；在控制系统中组态PID算法，根据泵的频率选择区间完成PID调节回路的参数编制，所有泵采用一个PID进行控制；
步骤六、控制区间的设定：
根据凝结水箱的实际情况取凝结水箱的液位与容积关系基本为线性区间进行调节控制：
（1）若液位控制在线性区间，直接限制PID过程控制区间为线性区间，并调整液位控制PID参数；
（2）若液位控制不在线性区间，建立虚拟等效水箱模型，根据实际液位得到实际体积后计算出虚拟等效液位；
；
L虚拟：虚拟等效液位；
V实际：测量区间，从零点液位起至实际液面的总体积；
V最大：测量区间，从零点液位起至最高测量点液面的总体积；
L最大：液位计测量上限；
步骤七、PID的调节：
将步骤六中计算出的虚拟等效液位作为PID调节器的过程量PV，与设定值SP进行比较，并进行比例P、积分I、微分D调节。
为了进一步实现本发明，控制系统为DCS或PLC。
本发明相对于现有技术有以下有益效果：
1、在水箱上安装两台测量原理及各项性能均不相同的液位计，保证这两台液位计不会因为相同的原因同时发生故障。磁翻板液位计因为真空环境原因波动大且抗干扰能力差，增加一套受真空度影响小且本身稳定的差压式液位计与磁翻板液位计呈互备关系，并以较稳定的差压式液位计为主进行水箱液位调节；
2、对PID算法进行重新设计，原有PID算法为常规算法，过程量及设定量均采用了比例、积分、微分作用，因为偏差变化率较小，微分作用极小，本发明设计的新算法对于设定值的变更进行微分优先的控制动作，放大微分作用的效果，象串级控制的下游侧回路那样，可用于改善设定值的跟踪性能等场合，该算法在使用过程中能够很好地完成前馈控制，在PID调节中有着良好的表现；
3、所有泵均采用同一个PID调节，避免泵的切换造成PID算法切换引起波动，同时避免多台泵运行时PID调节的协调问题；
4、因为水箱形状不规则，所以取水箱液位与容积关系基本为线性的区间进行调节控制，以保证PID参数的适应性。
本发明可有效的避免液位计故障时造成的液位失调，可有效的避免变频器跟踪滞后造成的液位波动大，可有效的避免因水箱形状变化造成的液位变化不规律的调节干扰。
附图说明
图1为本发明中不规则小水箱液位的变频控制装置示意图；
图2为本发明实施例中一种不规则小水箱的结构示意图；
图3为本发明的工作流程图。
附图标记如下：1、凝汽器；2、凝结水箱；3、第一液位计；4、第二液位计；5、控制系统；6、调节回路；7、第一电动变频水泵；8、第二电动变频水泵；9、第三电动变频水泵；10、液位选择开关；11、扩展水箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步说明。
本发明中的各部件均由市场商购。
如图1和图3所示，一种用于不规则小水箱液位的变频控制方法，包括以下步骤：
步骤一、液位计的设置：
在凝汽器1下端的凝结水箱（2）上设置两台测量原理及性能均不相同的液位计，第一液位计（3）和第二液位计（4）为互备关系；
步骤二、液位计的选择:
当两台液位计均正常时，手动选择其中一台液位计进行控制，所使用的液位计被认为故障或失准时，手动切换至备用液位计；同时，在控制系统（5）中输入参数使系统自动判断当前使用的液位计状态，当前使用液位计故障时自动切换至备用液位计，控制系统（5）为DCS或PLC；
步骤三、每台泵之间的公共线性区间的确定：
逐台开第一电动变频水泵（7）、第二电动变频水泵（8）和第三电动变频水泵（9），获取每台泵的变频频率与泵出口流量的对应关系，选择三台泵的公共线性区间；
步骤四、PID算法设计：
设计PID算法，对设定值的变更进行比例、积分及微分的控制动作，控制范围为步骤三中所述的公共线性区间；
PID算法公式如下：
式中：∆MVn：操作输出变化量；
Pb：比例带（%）；
MSH：输出上限；
MSL：输出下限；
SH：过程量上限；
SL：过程量下限；
∆En：偏差的变化量，∆En＝En－En－1；
∆T：控制周期；
Ti：积分时间；
Td：微分时间；
∆PVn：过程值的变化量，∆PVn＝PVn－PVn－1；
步骤五、泵之间备用切换和启停的自动控制：
在控制系统（5）中组态泵的启停逻辑，按实际要求确定几用几备及启停参数；在控制系统（5）中组态PID算法，根据泵的频率选择区间完成PID调节回路6的参数编制，所有泵采用一个PID进行控制；
步骤六、控制区间的设定：
根据凝结水箱（2）的实际情况取凝结水箱（2）的液位与容积关系基本为线性区间进行调节控制：
（1）若液位控制在线性区间，直接限制PID过程控制区间为线性区间，并调整液位控制PID参数；
（2）若液位控制不在线性区间，建立虚拟等效水箱模型，根据实际液位得到实际体积后计算出虚拟等效液位；
；
L虚拟：虚拟等效液位；
V实际：测量区间，从零点液位起至实际液面的总体积；
V最大：测量区间，从零点液位起至最高测量点液面的总体积；
L最大：液位计测量上限；
步骤七、PID的调节：
将步骤六中计算出的虚拟等效液位作为PID调节器的过程量PV，与设定值SP进行比较，并进行比例P、积分I、微分D调节。
实施例1：
步骤一、液位计的设置：
如图1所示，在凝结水箱（2）上设置两台测量原理及性能均不相同的液位计，第一液位计（3）和第二液位计（4）为互备关系，本实施例中第一液位计3选用磁翻板液位计，第二液位计4选用压差式液位计；
步骤二、液位计的选择：
当两台液位计均正常时，由操作员选择其中一台液位计后手动开启液位选择开关10，所使用的液位计被认为故障或失准时，再通过手动控制液位选择开关10切换至备用液位计；同时，在控制系统（5）中输入参数使系统自动判断当前使用的液位计状态，当前使用液位计故障时通过控制电缆发送信号至控制系统5，再有控制系统5通过控制电缆控制液位选择开关10自动切换至备用液位计，控制系统（5）为DCS或PLC；
步骤三、每台泵之间的公共线性区间的确定：
逐台开第一电动变频水泵（7）、第二电动变频水泵（8）和第三电动变频水泵（9），获取每台泵的变频频率与泵出口流量的对应关系，选择三台泵的公共线性区间25-45Hz；
步骤四、PID算法设计：
设计PID算法，使用微分优先PID算法调节液位，对设定值的变更进行比例、积分及微分的控制动作，调整PID参数，微分优先PID算法运算式如下：
本实施例中的控制系统5选择综合生产控制系统横河CENTUM VP，PID的输出调节区间为步骤三中的三台泵的公共线性区间25-45Hz；
步骤五、泵之间备用切换和启停的自动控制：
在DCS或PLC中组态泵的启停逻辑，按实际要求确定三台泵为两用一备，根据液位的高低限位联锁值自动控制泵的启停顺序，当使用中的泵跳车或液位到达高限时备用泵启动；新启动的泵立即加入到PID调节中，停止的泵退出PID调节，从而有效地避免泵的启停造成的影响；
在DCS或PLC中组态PID算法，有相同算法的可直接取用，没有的可选择相近的算法或者自己组态PID算法功能块，并根据泵频率选择区间完成PID调节回路6的编制，同时要求所有的泵采用同一个PID进行控制，本实例中限制PID输出可调节区间为25-45Hz；
步骤六、控制区间的设定：
根据凝结水箱（2）的实际情况取凝结水箱（2）的液位与容积关系基本为线性区间进行调节控制：
根据水箱的实际情况取水箱液位与容积关系基本为线性区间进行调节控制：
（1）若液位控制在线性区间，直接限制PID过程控制区间（PID设定值的上下限）为线性区间，并调整液位控制PID参数，例如本实例可以设定PID过程控制区间为400-600mm；
（2）若液位控制不在线性区间，建立虚拟等效水箱模型，根据实际液位得到实际体积后计算出虚拟等效液位；
若液位控制不在线性区间，建立虚拟等效水箱模型，根据实际液位得到实际体积，从而计算出虚拟等效液位作为PID调节的过程量进行调节，如图2所示，本实施例的模型计算方法如下：
（1）先确定不规则小水箱的具体尺寸，并将其拆分为两个规则的容器，包括一个长方体的凝结水箱2和一个圆柱体的扩展水箱11，其中凝结水箱2的长（L1）为2.0m、宽（W）为0.5m、高（H）为1.0m，扩展水箱11的长度（L2）为2.0m、半径（R）为0.4m，从而算出测量区间的总容积（m3）为V总＝V长方体＋V圆柱体＝L1WH＋πR2L2＝0.5×1.0×2.0＋π×0.42×2.0≈2.0m3，虚拟水箱需与原水箱等高，因此虚拟等效液位（即计算液位）量程与测量仪表相同均为1.0m，因此可求得虚拟水箱的等效底面积常数S虚拟＝V总/虚拟等效液位量程＝2.0÷1.0＝2m2；
（2）根据拆分情况，利用实际液位的分段函数求得容器中水的实际体积为V实际，则可得到虚拟等效液位＝V实际/S虚拟，再利用求得的虚拟等效液位作为PID调节的过程量控制液位：
；
L虚拟：虚拟等效液位；
V实际：测量区间，从零点液位起至实际液面的总体积；
V最大：测量区间，从零点液位起至最高测量点液面的总体积；
L最大：液位计测量上限；
本实例中，设实际液位＝h m，则：
当h﹤0.1时，V实际＝L1×W×h＝2.0×0.5×h＝h；
当0.1≤h＜0.5时，
当0.5≤h＜0.9时，
当h≥0.9时，V实际＝L1WH＋πR2L2＝2.0×0.5×h＋π×0.42×2.0≈h＋1；
最后求得虚拟等效液位＝V实际/S虚拟＝0.5 V实际；
步骤七、PID的调节：
将步骤六中得到的虚拟等效液位作为PID调节器的过程量PV，与设定值SP进行比较，进行比例P、积分I、微分D调节，并按一般PID参数整定方法（经验凑试法等）整定PID参数即可。

Claims (2)

1.一种用于不规则小水箱液位的变频控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、液位计的设置：
在凝结水箱（2）上设置两台测量原理及性能均不相同的液位计，第一液位计（3）和第二液位计（4）为互备关系；
步骤二、液位计的选择：
当两台液位计均正常时，手动选择其中一台液位计进行控制，所使用的液位计被认为故障或失准时，手动切换至备用液位计；同时，在控制系统（5）中输入参数使系统自动判断当前使用的液位计状态，当前使用液位计故障时自动切换至备用液位计；
步骤三、每台泵之间的公共线性区间的确定：
逐台开第一电动变频水泵（7）、第二电动变频水泵（8）和第三电动变频水泵（9），获取每台泵的变频频率与泵出口流量的对应关系，选择三台泵的公共线性区间；
步骤四、PID算法设计：
设计PID算法，对设定值的变更进行比例、积分及微分的控制动作，控制范围为步骤三中所述的公共线性区间；
PID算法公式如下：
式中：∆MVn：操作输出变化量；
Pb：比例带（%）；
MSH：输出上限；
MSL：输出下限；
SH：过程量上限；
SL：过程量下限；
∆En：偏差的变化量，∆En＝En－En－1；
∆T：控制周期；
Ti：积分时间；
Td：微分时间；
∆PVn：过程值的变化量，∆PVn＝PVn－PVn－1；
步骤五、泵之间备用切换和启停的自动控制：
在控制系统（5）中组态泵的启停逻辑，按实际要求确定几用几备及启停参数；在控制系统（5）中组态PID算法，根据泵的频率选择区间完成PID调节回路（6）的参数编制，所有泵采用一个PID进行控制；
步骤六、控制区间的设定：
根据凝结水箱（2）的实际情况取凝结水箱（2）的液位与容积关系基本为线性区间进行调节控制：
（1）若液位控制在线性区间，直接限制PID过程控制区间为线性区间，并调整液位控制PID参数；
（2）若液位控制不在线性区间，建立虚拟等效水箱模型，根据实际液位得到实际体积后计算出虚拟等效液位；
；
L虚拟：虚拟等效液位；
V实际：测量区间，从零点液位起至实际液面的总体积；
V最大：测量区间，从零点液位起至最高测量点液面的总体积；
L最大：液位计测量上限；
步骤七、PID的调节：
将步骤六中计算出的虚拟等效液位作为PID调节器的过程量PV，与设定值SP进行比较，并进行比例P、积分I、微分D调节。
2.根据权利要求1所述的用于不规则小水箱液位的变频控制方法，其特征在于：所述控制系统（5）为DCS或PLC。
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