Подключение датчика давления к частотному преобразователю

Подключение датчика давления к частотному преобразователю

Cтатья поможет получить необходимую краткую информацию о принципе работы ПИД-регулятора и об использовании преобразователей частоты (ПЧ) 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

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).

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:

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 :

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:

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.

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.

Читайте также:  Окраска волос на каре фото

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:

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:

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).

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.

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».

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».

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.

Читайте также:  Газовый обогреватель не зажигается

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

Использование частотных преобразователей в системах управления работой электродвигателей в различных техпроцессах само по себе приводит к улучшению параметров управляемости системы. Дополнительно повысить точность работы и экономичность эксплуатации некоторых систем позволяет подключение датчиков к частотному преобразователю

Самым распространенным решением такого типа можно назвать подключение датчика давления к частотному преобразователю, который управляет мотором насоса в различных инженерных системах.

Зачем нужно подключение дополнительного датчика

Если рассматривать классическую насосную станцию, работа электромотора должна обеспечивать подачу жидкости потребителям в требуемом объеме и с заданным давлением. Если уровень потребления снижается, давление в системе растет, что может привести к ее поломкам, а также перерасходу электроэнергии. Установка реле давления в этом случае просто приведет к циклам включения-выключения двигателя, что, в свою очередь станет причиной циклических скачков давления и более быстрому износу оборудования.

Когда дополнительно выполняется подключение датчика давления к частотному преобразователю, система получает дополнительную обратную связь, которая при правильной настройке позволяет:

  • Получить постоянное номинальное давление в системе;
  • Плавно менять режим работы электродвигателя в зависимости от текущего значения давления;
  • Экономить энергоресурс;
  • Продлить срок службы компонентов системы.

Для того чтобы подключить дополнительный внешний датчик к частотнику требуется подобрать модель преобразователя с возможностью подключения внешних датчиков и сам датчик, который должен быть совместим с этим типом преобразователя.

Как подключить внешний датчик к частотнику

Типовая схема подключения датчика давления частотному преобразователю достаточно проста и ее можно найти как в документации к частотнику, так и в документации к датчику, где есть спецификация клемм на регуляторе и датчике соответственно.

Как правило, датчики могут иметь двух или трехпроводную линию подключения к частотнику и различное напряжение питания. Это следует учесть при выборе моделей датчика и частотника. На моделях частотников есть возможность использовать датчики с выходом по току или напряжению. Для этого могут быть предусмотрены или соответствующие клеммы или аппаратные переключатели.

В общем случае подключение датчика давления к частотнику выполняется по такому принципу:

  • Монтируют внешний датчик давления;
  • Прокладывают сигнальный кабель от датчика до частотного преобразователя;
  • Подключают провода по схеме к соответствующим клеммам;
  • При необходимости устанавливают перемычки или переключатели на частотнике в зависимости от его модели и модели датчика;
  • Выполняют настройку программной части частотника с учетом новой обратной связи;
  • Тестируют работу системы.

Обратите внимание, что для подключения датчика во избежание помех и наводок должен использоваться только качественный экранированный сигнальный кабель.

Если вам необходимы дополнительные консультации по выбору частотников, датчиков давления и их сопряжения, вы может обратиться за помощью к нашим специалистам.

Автоматизированные системы современного водоснабжения требуют совместных усилий специалистов в области автоматизации и инженерно-технических работников. Машинное управление водяных насосов может происходить при изменении давления в трубопроводе, уровня воды в водонапорной башни и скорости потока жидкости в трубопроводе.

Читайте также:  Блок питания для мощного усилителя

После изменения вышеперечисленных параметров приводятся в действия датчики давления, уровня или расхода воды. Сигнал с измерительного прибора подается на вход микроконтроллера, который входит в состав блока автоматики для насоса.

В промышленной автоматизации широкое применение находят электрические датчики давления, которые формируют на выходе дискретный или пропорциональный сигнал.

При первом случае чаще всего используется механическая пластина или пружина, которая под действием критического давления замыкает контакты, тем самым подавая контрольный сигнал микроконтроллеру. К примеру, датчик давления Kobold PSC имеет на выходе только логическое состояние в виде 0 или 1. Такой прибор еще называют реле автоматики насоса. На Рисунке 1 видно, что датчик давления воды имеет встроенный дисплей и несколько клавиш, с помощью которых задается порог срабатывания устройства. Таким образом, настраивается шкала срабатывания прибора в диапазоне от -1 до 700 Бар.

Однако с помощью дискретного прибора можно отследить только его порог срабатывания. Современная автоматика для насоса включает в себя применение пропорционального датчика давления. На Рисунке 2 изображен аналоговый датчик давления серии Зонд-10. С его помощью можно снимать данные давления во всем диапазоне измерения прибора. В этом случае решение и подачу сигнала на управление насосом принимает микроконтроллер. Основное преимущество в том, что в процессор поступает информация в виде аналогового сигнала в диапазоне 4-20 мА. После операции шкалирования устанавливаются пределы измерения и формируются условия включения-выключения водяного насоса.

Обычно для измерения сигнала с датчика давления используют алгоритм, который представлен на Рисунке 3. Модуль АЦП чаще всего внешний, так как он имеет большую разрешающую способность и не занимает основные ресурсы процессора микроконтроллера.

Управление автоматики водоснабжения с помощью МК и датчика давления

В простом случае для реализации автоматизированного управления системы водоснабжения, можно обойтись контрольным датчиком, микроконтроллером и силовой обвязкой для включения насоса. Общая схема системы представлены на Рисунке 4.

Датчик давления воды выдает аналоговый сигнал 4-20 мА который обрабатывается в микроконтроллере и передается на ПК. Автоматика давления для насоса срабатывает при заданных границах давления воды в системе.

Операторская панель управления может состоять из кнопок управления или полноценной операционной системы. В первом случае к микроконтроллеру подводится матричный шлейф клавиатуры, который подключается к портам ввода микроконтроллера. Для дополнительной визуализации может быть добавлен LCD дисплей или семисегментный индикатор.

В случае управления микроконтроллером с персонального компьютера, данные передаются по последовательному порту USB или UART. Если вместо микроконтроллера используется PLC, то обмен информации происходит по сетевому каналу или же по специфическим интерфейсам связи типа Profibus.

Так как данные в микроконтроллер поступают пропорционального типа, то появляется возможность использовать функцию ΔP. Что позволяет придерживаться четких границ давления в системе.

Управление той же системой с добавлением в цепь частотного преобразователя

При всей простоте и работоспособности вышеприведенной системы она имеет большой недостаток в отсутствии привода управления электрического двигателя водяного насоса. При релейном включении происходит резкое возрастание пускового тока в обмотках, что приводит к их разрушению. С помощью частотного преобразователя можно с легкостью осуществлять регулировку скорости вращения вала асинхронного электродвигателя. В двигателях, где нагрузка на валу может резко меняться в большом диапазоне, при этом необходимо обеспечить стабильность оборотов, применяют частотные преобразователи с векторным режимом регулирования. Для этих целей часто применяют энкодеры, такие как SICK DRS60 и другие. Управление электромотором может осуществляться с панели частотного преобразователя или с МК.

Частотный преобразователь для насоса может иметь аналоговый вход 4-20 мА, что позволяет к нему подключить датчик давления. Структура данной схемы представлена на Рисунке 5.

Как видно из рисунка, цепочка микроконтроллера здесь исключена. Датчик подсоединен напрямую к частотному преобразователю. На выходе частотника установлен IGBT модуль, который представляет собой коммутирующее силовых цепей.

Частотный преобразователь для насоса обеспечивает пуск двигателя без резких бросков тока. В современных приборах есть функции настройки оптимального разгона и торможения мотора.

В промышленной автоматизации компании Siemens контроллер подает команду на включения некоего привода, сигнал проходит через Repeater, усиливается и поступает на интерфейсный RPBA модуль связи АВВ шкафа. Часто бывает, что при обрыве кабеля Profibus приводной контроллер принимает шумы ложных сигналов и дает произвольное задание на включение того или иного механизма. Именно по этой причине существует главное правило включение-отключение питания сигнальных и исполняющих устройств. В первую очередь отключается силовая часть, затем сигнальная, включение происходит в обратном порядке.

Заключение

Исходя из выше изложенного текста, стоит отметить, что автоматизировать систему водоснабжения можно несколькими способами с соответствующей ценовой категорией и качества исполнения.

Узнайте условия разработки промышленной электроники, отправив запрос на [email protected]

Время выполнения запроса: 0,0028600692749 секунд.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector