dqpi-离心泵变频调速参数的优化控制

第４９卷　第１期２０１３年２月石　油　化　工　自　动　化ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　ＩＮ　ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳＴＲＹＶｏｌ．４９，Ｎｏ．１Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１３稿件收到日期：２０１２－０９－２４，修改稿收到日期：２０１２－１１－０４。

作者简介：刘秀琴（１９６４—），女，１９８４年毕业于华东石油学院炼油仪表自动化专业，多年来一直从事石油化工工程自控设计工作，曾工作于中国石油天然气华东勘察设计研究院，现任海工英派尔工程有限公司副总工程师，高级工程师。

离心泵变频调速与调节阀组合控制设计方案探讨刘秀琴１，张少鹏２，张道光１（１．海工英派尔工程有限公司，山东青岛　２６６０６１；２．中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东青岛　２６６０７１）摘要：石油化工过程控制中采用离心泵变频调速技术可显著减少能量的损失，但大多工艺管路系统中变频调速与调节阀节流控制并存，实现过程比较复杂，协调好它们的关系是保证生产装置安全、平稳、高效运行，实现最大化节能的关键。

探讨了五种典型的离心泵变频调速与调节阀组合控制设计方案及其实现的方法，提出了变频调速控制的适宜场合、控制方案及各种工况的切换操作等建议。

分析认为单路控制方案容易实现变频调速控制，并可与调节阀分程协调控制；两路分支控制方案可实现变频调速和分支调节阀独立控制，但不宜采用变频调速与调节阀分程协调控制；更复杂的控制方案，可采用手动变频调速控制。

关键词：离心泵　变频调速　调节阀　组合控制　分程协调　设计方案中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００７－７３２４（２０１３）０１－００１１－０４Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｃｈｅｍｅｓ　ｆｏｒ　Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　Ｐｕｍｐ　ＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｐｅｅｄ　Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＶａｌｖｅＬｉｕ　Ｘｉｕｑｉｎ１，Ｚｈａｎｇ　Ｓｈａｏｐｅｎｇ２，Ｚｈａｎｇ　Ｄａｏｇｕａｎｇ１（１．Ｃｏｏｅｃ－Ｅｎｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｇｄａｏ，２６６０６１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣＰＥＣＣ　Ｅａｓｔ－Ｃｈｉｎａ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂｒａｎｃｈ，Ｑｉｎｇｄａｏ，２６６０７１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ　ａｄｏｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｌｏｓｓ．Ｂｕｔ　ｉｎ　ｍｏｓｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐｉｐｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｓｅｔ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ａ　ｆｌｏｗ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓｍｕｃｈ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ．Ｈｏｗ　ｔｏ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｍ　ｉｓ　ｐｉｖｏｔａｌ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｏ　ｒｕｎ　ｓａｆｅｌｙ，ｓｔａｂｌｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ，ａｎｄ　ｍａｘｉｍａｌｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｌｏｓｓ．Ｆｉｖｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆｔｙｐｉｃａｌ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ　ｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅａｎｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓａｌ　ｏｆ　ｓｕｉｔａｂｌｅｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅｓ，ａｎｄ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ａｍｏｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈａｔ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅａｓｉｌｙａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｃｅｎａｒｉｏ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｆｌｕｉｄ，ａｎｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｗｉｔｈ　ｓｐｌｉｔ－ｒａｎｇｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈ　ａ　ｆｌｏｗ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｃｅｎａｒｉｏ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｆｌｕｉｄｓ，ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅｓ　ｉｎ　ｅａｃｈ　ｆｌｕｉｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ，ｂｕｔ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｓｕｉｔａｂｌｅ．Ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｓｃｅｎａｒｉｏ，ｍａｎｕａｌｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ；ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ；ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｐｌｉｔ－ｒａｎｇｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ 石油化工生产过程中机泵是生产装置的主要耗电设备，电耗约占全厂总电耗的８０％［１］。

变频器控制电机的PID参数优化研究一、引言随着工业自动化的推广，变频器成为工业控制中的重要组成部分。

作为一种能够实现调速控制的设备，变频器常常被用于驱动各种类型的电机。

其中，PID控制算法是变频器控制电机的基础，它通过调整PID参数来实现对电机的速度精准控制。

因此，研究变频器控制电机的PID参数优化具有重要的意义。

二、变频器控制电机的PID算法PID控制算法是一种经典的控制算法，其主要包括比例控制、积分控制和微分控制三部分。

对于变频器控制电机来说，PID算法的运用可以实现对电机转速的精准控制，将变频器使用到极致。

1.比例控制比例控制的主要作用是根据偏差值的大小，对控制量进行适度的加权。

当偏差值越大时，对控制量的调整就越大。

比例控制器可以通过控制器参数Kp进行调整，一般来说，Kp越大，控制量对偏差的响应就越敏感。

2.积分控制积分控制是根据主控制量与目标量之间的误差来调整控制器的行为。

它的主要作用是使系统的稳态性能更加稳定。

积分控制器可以通过控制器参数Ki进行调整，一般来说，Ki越大，系统的稳态性能就越好。

3.微分控制微分控制的主要作用是根据主控制量与目标量的差值变化率来进行控制器的调整。

它的主要作用是提高系统的动态性能和响应速度。

微分控制器可以通过控制器参数Kd进行调整，一般来说，Kd越大，系统的动态性能就越好。

三、变频器控制电机的PID参数优化PID控制算法参数的调整对于变频器控制电机的精准控制非常重要。

通常，优化PID控制模型的参数需要经过实验经验得到，具体的方法如下：1.比例增益参数Kp的调整（1）在调整Kp值的过程中，需要将Ki和Kd项归零，即调整Kp时只能单独调整其大小。

（2）根据经验，可以将Kp初值设置为1，然后逐步增加其大小，直到系统出现震荡为止。

（3）震荡通常是由于Kp过大造成的，此时需要将Kp适当减小。

2.积分时间常数Ti的调整（1）在调整Ti值的过程中，需要将Kp和Kd项归零，即调整Ti时只能单独调整其大小。

离心泵常用调节方式离心泵在水利、化工等行业应用十分广泛，对其工况点的选择和能耗的分析也日益受到重视。

所谓工况点，是指水泵装置在某瞬时的实际出水量、扬程、轴功率、效率以及吸上真空高度等，它表示了水泵的工作能力。

通常，离心泵的流量、压头可能会与管路系统不一致，或由于生产任务、工艺要求发生变化，需要对泵的流量进行调节，其实质是改变离心泵的工况点。

除了工程设计阶段离心泵选型的正确与否以外，离心泵实际使用中工况点的选择也将直接影响到用户的能耗和成本费用。

因此，如何合理地改变离心泵的工况点就显得尤为重要。

油桶泵离心泵的工作原理是把电动机高速旋转的机械能转化为被提升液体的动能和势能，是一个能量传递和转化的过程。

根据这一特点可知，离心泵的工况点是建立在水泵和管道系统能量供求关系的平衡上的，只要两者之一的情况发生变化，其工况点就会转移。

工况点的改变由两方面引起：一.管道系统特性曲线改变，如阀门节流；二.水泵本身的特性曲线改变，如变频调速、切削叶轮、水泵串联或并联。

下面就这几种方式进行分析和比较：一、阀门节流改变离心泵流量最简单的方法就是调节泵出口阀门的开度，而水泵转速保持不变(一般为额定转速)，其实质是改变管路特性曲线的位置来改变泵的工况点。

如图1所示，水泵特性曲线Q-H与管路特性曲线Q-∑h的交点A为阀门全开时水泵的极限工况点。

关小阀门时，管道局部阻力增加，水泵工况点向左移至B点，相应流量减少。

阀门全关时，相当于阻力无限大，流量为零，此时管路特性曲线与纵坐标重合。

从图1可看出，以关小阀门来控制流量时，水泵本身的供水能力不变，扬程特性不变，管阻特性将随阀门开度的改变而改变。

这种方法操作简便、流量连续，可以在某一最大流量与零之间随意调节，且无需额外投资，适用场合很广。

但节流调节是以消耗离心泵的多余能量(图中阴影部分)来维持一定的供给量，离心泵的效率也将随之下降，经济上不太合理。

二、变频调速工况点偏离高效区是水泵需要调速的基本条件。

离心风机变频调速运行优化及解决方法摘要：离心式引风机是重要的生产设备，用于向作业系统提供足够的高压风。

传统的离心式引风机主要是通过风门调解风量，容易出现风门卡死等故障，生产效率低下，且产生巨大的电能消耗。

变频调速技术的出现，有效解决了这一难题，应给予广泛关注和应用。

关键词：离心风机；变频调速1在离心式引风机中应用变频调节节能技术的必要性在变频调节中，变频器是关键，它合理地应用于微电子技术以及变频技术，并对电机工作频率进行实时监控。

一旦发现电机工作时的频率出现问题，应及时调整，以此来更好地对电动机以及相关电力设备进行控制。

基于我国可持续发展战略的要求，在各项生产中要求实现节能设计。

以电解槽供料系统为例，在作业过程中需要启用36台离心式引风机进行高压风供给。

产生大量的能源消耗，如果能够在离心式引风机中实现变频控制将能够很好地节约能源，具有极大的改造价值，对产业的可持续发展和核心竞争力的提升有重要意义。

2变频控制方式原理及系统2.1变频调速控制原理我们可以直观地通过一个公式对变频原理有一个大致的了解，根据公式，n=60f/p，n为转速，f为频率，p为极对数。

电机的极对数是固定不变的，（极对数为2的倍数）。

当频率连续可调时，电动机的同步转速也连续可调，所以改变频率为目的的变频器成为了电机调速的优选设备。

2.2变频调速控制系统一次风机负载的驱动系统采用全数字交流高压变频器实施控制。

一次风机变频回路采用一拖一的方式。

一次风机变频控制装置主要由高压开关HT、自动旁路柜、高压变频器、电动机组成。

旁路柜由三个真空断路器K1、K2、K3组成。

其控制系统如图1所示：图12.3K1、K2、K3电气闭锁逻辑关系一次风机工变频方式的切换通过K1、K2、K3断路器柜内电气硬接线控制回路实现，控制逻辑如下：2.3.1K1开关合闸允许条件：K1开关在远方位且K2开关已合闸且变频器正常；K1开关分闸允许条件：变频器未运行且K1开关在远方位；2.3.2K2开关合闸允许条件：K3开关已分闸且K2开关在远方位；K2开关分闸允许条件：K2开关在远方位且K1开关已分闸；2.3.3K3开关合闸允许条件：K3开关在远方位且K2开关已分闸；一次风机K3开关分闸允许条件：K3开关在远方位；即：K2、K3不能同时合闸，只能断开一个才能合入另一个；K2先合闸后才允许合K1，K1开关已分闸才能断开K2。

大陆桥视野·２０１６年第１４期 77或直接和控制层的ＰＬＣ联系，传送输入信号，将ＰＬＣ的输出指令传到现场设备，阀和传感器通过现场总线和相对应的控制单元进行通讯。

２．控制层各部门的控制系统都是采用现场总线中的ＰＬＣ进行控制，具有连线自控和独控等功能。

采用现场总线和以太网控制系统，能够确保系统运行的稳定性和可靠性。

各控制部门的ＰＬＣ和上位机之间进行数据交换时，可以采用工业以太网方式，供监控系统联网使用。

压力机控制系统应该配置Ｅｔｈｅｍｅｔ　ｃａｒｄ，与工业机器人的控制系统相连接，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ现场总线将工业机器人的系统和控制系统连锁对接，以此实现信息互换。

３．人机界面人机界面采用的是ＳＩＥＭＥＮＳ触摸屏，各控制单元均配有触摸屏，并通过Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线进行通讯。

控制单元中的触摸屏上都有指示灯和操作旋钮，能够自行诊断，显示错误信息，并报警。

人机界面中控制单元Ｉ／Ｏ信号的显示颜色不同，以此进行区分。

如果某节点出现故障，系统会自动报警，人机界面会将故障点显示出来，以便于及时维修，从而提高工作效率。

（三）安全系统工业机器人在冲压自动化生产线中的应用具有很高的安全性，在系统中采用完善的安全保护系统和装置配置。

通过健全安全装置，采用Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线和ＰＬＣ系统进行通讯，并实时监控，反映安全区域的情况，以便于及时发出警报或直接停机。

安全系统中的辅助工具是声光警报单元，能够将各个监控点报警异常情况及时通知给工作人员进行处理，操作人员也能够及时启停设备，处理故障。

冲压自动化生产线的拆垛系统有升降门，两个剁料台和升降门开闭相互转换，其中一个剁料台无料时，另一个剁料台进入，升降门会打开，有料剁料台代替无料剁料台，升降门再自动落下。

操作人员对升降门进行控制和操作，在确保工作安全的基础上自动运行冲压线。

控制系统中工业机器人和压机之间的安全信号以及所有紧急停止报警信号，都是连锁在安全的ＰＬＣ系统中，并通过ＰＬＣ程序转换互锁控制的。

变频泵控马达调速系统遗传算法PID控制变频泵控马达调速系统遗传算法PI D 控制彭天好,徐　兵,杨华勇PID C ontrol of Pum p 2control 2m otor S peed G overning System withInverter Based on G enetic Alg orithmsPeng T ian 2hao ,Xu Bing ,Y ang Hua 2y ong(浙江⼤学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州　310027)摘　要:提出了基于遗传算法的变频泵控马达调速系统的PI D 参数寻优⽅法。

仿真结果证明了遗传算法寻优后的PI D 控制器较常规PI D 控制器具有更好的控制特性,对模型失配和负载扰动表现出更强的适应性和鲁棒性,很适合具有慢时变和存在负载扰动的变频泵控马达调速系统的控制。

也指出了⽤遗传算法寻优变频泵控马达调速系统PI D 参数的局限性。

关键词:变频泵控马达;调速系统;遗传算法;寻优;PI D 控制中图分类号:TP214　⽂献标识码:B ⽂章编号:100024858(2003)1120001203　收稿⽇期:2003204221　基⾦项⽬:国家⾃然科学基⾦资助项⽬(N o 159835160)　作者简介:彭天好(1964—),男,江西波阳⼈,副教授,博⼠⽣,主要研究⽅向为机电系统的控制和液压动⼒系统的节能等。

0　引⾔电机变频调速技术依靠改变供电电源的频率就可实现对执⾏机构的速度调节,将电机变频调速技术⽤于液压系统,可以克服液压系统的⼀些缺点,如简化液压回路,减少液压系统的能量损失,提⾼系统效率,降低噪声等。

其中最重要的是减少液压系统的能量损失(包括溢流损失和节流损失),提⾼整个系统的效率。

传统的PI D 调节器以其结构简单,对模型误差具有⼀定的鲁棒性及易于操作等优点,所以⽬前尽管有许多先进的控制⽅法,但PI D 调节器仍是最普遍采⽤的控制器。

在PI D 控制中,控制效果的好坏完全取决于PI D 参数的整定与优化。

变频调速节能技术在离心泵上的应用摘要本文介绍了变频调速技术的基本原理及节能计算方法，系统功率因数与变频调速节能的关系。

关键词离心泵变频调速节能计算功率因数一、引言我厂中转站站现有离心泵20余台，大部分是额定功率运行，离心泵流量的设计均为最大流量，压力、流量的调控方式只能通过控制阀门的大小、电机的启停等方法。

电气控制采用直接或Y/△启动，不能改变离心泵的转速，无法具有软启动的功能，机械冲击大，传动系统寿命短，震动及噪声大，功率因数较低等是其主要的难点。

二、变频调速的节能意义离心泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态。

采用变频器直接控制泵类负载是一种最科学的控制方法，利用变频器内置PID调节软件，直接调节电动机的转速保持恒定的压力、流量，从而满足系统要求的压力、流量。

当电机在额定转速的 80%运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的 (80%)3，即51.2%，去除机械损耗、电机铜、铁损等影响，节能效率也接近40%，同时也可以实现闭环恒压、恒流控制，使节能效率进一步提高。

由于变频器可实现大的电动机的软启、软停，避免了启动时的电压冲击，减少了电动机故障率，延长了使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。

为达到节能的目的推广使用变频器已成为各地节能工作部门以及各单位节能工作的重点。

因此，大力推广变频调速节能技术，不仅是当前企业节能降耗的重要技术手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。

三、离心泵变频调速节能原理当离心泵的转速从 n l变为 n2时，Q 、H 、P大致变化关系为：Q2 =Q1(n2/n1)H2 =H1(n2 /n1)2P2 =P1(n2/n1)3其中：Q -- 排量H -- 压力（扬程）P -- 轴功率由上式可知离心泵流量与转速的一次方成正比，压力（扬程）与转速的二次方成正比，而轴功率与转速的三次方成正比。

因而，理想情况下有如下关系：1 由上表可见：当需求流量下降时，调节转速可以节约大量能源。