一种仪控恒温供水的方法

邹永卫 刘浩

【摘 要】本文介绍一种数字显示控制仪，该型仪表自带LED数码显示，支持多种分度号模拟量输入，并且具有继电器报警值输出功能，操作简单方便。使用SWP-C403-01-23-HL的继电器报警功能，可实现对电磁阀的控制，实现对罐体液位控制。通过SWP-C403-02-23-HL将Pt100型热电阻信号转换为4-20mA电流输出，作为变频器PID調节闭环控制的反馈信号，实现对水温恒定控制的目的。

【关键词】数字显示仪表；PID；变频器

一、引言

由于沿用早期设计缺陷，浴室内只埋设有单根管路，个人无法自主对其进行冷热水调节，目前方法是使用外设水罐利用电加热方式将水加热到合适温度，人员直接使用无需调节。

为响应国家节能降耗号召，有效利用空压机产生余热，实现能源充分再利用。本项目将原电加热淋浴系统改为利用空压机机头产生的余热，通过与空压机换热器进行热交换，达到空压机机头降温同时加热浴室水温的目的。通过变频器PID调节控制循环泵的转速，控制循环水与空压机机头的热交换速度，最终达到恒温的效果。

二、调试过程

混水罐属于非密封承压罐，高约5米。选用40KPa压力式变送器用于液位测量。变送器具体型号为JC-E321TG4SJ1NE33d（0-40KPa）两线制4-20mA。将取压口设置在罐体下部，将信号引入数显表，设定参数，该数字显示控制仪换算得出液位高度，同时显示液位。设定报警功能（AL1），用以控制补水电磁阀的通断，低液位输出报警控制电磁阀打开来补水。设定适当的回差值（AH1），可防止输出继电器在报警临界点上下波动时频繁动作，延长电磁阀的使用寿命，同时保证罐体内水位能够满足一定数量职工同时洗浴时的水量要求。

具体参数设置如下：

为能够监测罐体内水温，同时将温度信号实时传递给变送器用于闭环控制，本项目选用Pt100型热电阻来测量罐体内水温。该型测温元件具有测量精度高，是中低温区常用的测温设备。将热电阻信号引入到SWP-C403数字显示仪表，选择合适的分度值类型（SL0），操作人员则可以直接通过数码管读取罐体内实时温度值。同时利用数显表的变送输出功能将4-20mA信号给变频器的模拟量输入1作为反馈信号。通过面板设定目标值与电机的基本参数，用于PID控制的参数后，变频器即可进行PID调节。通过比较内部设定值与反馈信号的差值，按照设定的P、I、D系数来改变频率变化实现温度的控制。

具体设置参数如下：

变频器基本参数设置如下：

注：Ain1 通道DIP拨码打到ON

为保证人体最佳淋浴水温，必须要求温度波动较小，考虑管路散热距离，参考温度设定在42℃（冬季可调），即主设定值P2240为28.47%（Pt100温度信号经过SWP40变送输出范围为-200℃-650℃）。Pt100温度经过SWP-C40变送后输出4-20mA电流信号接入MM440模拟量输入1作为反馈信号PV，进行闭环负反馈控制（P2271=0）。即随着温度升高，反馈给变频器的信号增大，变频器的输出频率降低，减少热交换效率，从而使温度维持在合理的区间。通过反馈值PV与目标值SP不断比较，按照设定PID参数调节，使温度围绕42℃上下小幅波动。

PID参数部分设置如下：

在本项目中由于存在浴室用水量不确定，当混水罐内液位低于2米时，即打开补水阀门连续补水直至液位到达3.5米停止。在此过程中由于水罐内温度快速降低，因为水存在滞后性，这些都会产生滞后现象。这就需要利用变频器自带的调节功能来实现温度的基本恒定。

本项目中仅探讨变频器的参数整定，不对PID调节的工作原理进行分析。能否达到恒温以满足使用条件，变频器中PID控制器的参数整定是整个控制系统设计的核心内容。根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，大体分为两大类：

* 理论计算整定法。它主要是一句系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

* 工程整定法。它主要依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进行，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，共同点是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

在本文中采用工程整定法进行整定。比例值的大小应视具体情况而定，比例太小，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，控制质量差；比例太大，动态响应越快，消除误差的能力越强，但容易导致系统的稳定性变差，引发震荡。且单纯的比例调节会产生余差，要克服余差就必须引入积分作用。在输入和输出平衡的时候，此时随着时间的推移，累积误差会越来越大。

积分项有消除系统稳态误差，提高无差度的作用。积分时间越小，积分速度越大，作用越强。积分作用过强可能引起系统不稳定，因此，积分时间也要取合理数值。

微分调节作用效果是阻止被调参数的变化，有超前调节的作用。对滞后大的对象有很好的效果。

在实际调试过程中，通过借助无纸记录仪的帮助，可将每一次参数整定生成曲线保存下来，能够直观的观察整定过程和效果，比对多组试验的数值后，取曲线较为理想的整定参数作为最终整定值输入变频器。

三、结束语

通过对本次项目的实践，基本掌握了SWP-C40系列数显表连接不同仪表的使用方法，并且通过与MM440变频器的的结合，利用其自带PID功能较为方便的解决了现场的一些实际问题。在调试过程中对于PID调节原理以及参数整定的方法有所了解，为今后的其他工作提供了有益的借鉴。

【参考文献】

【1】姚锡禄，变频器控制技术与应用[M]，福建科学技术出版社，2005.

【2】吕增芳，PLC和MM440变频器在循环水中的应用【J】工业控制计算机，2009（11）： 98-99.