基于PLC的模糊PID變壓器變頻冷卻系統(tǒng)研究

曹石　曹麗蘋　安衛(wèi)超

摘要：溫度對(duì)變壓器的穩(wěn)定性和壽命有較大的影響，目前中大型變壓器的散熱一般使用風(fēng)冷強(qiáng)迫油循環(huán)的方式。冷卻器的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)變壓器的散熱性能起決定性作用。傳統(tǒng)的切換方式一般采用繼電器硬觸點(diǎn)接觸，精度較差，而常規(guī)PID控制方法參數(shù)一旦設(shè)定難以實(shí)時(shí)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)更新，難以滿足大慣性非線性系統(tǒng)的需求，因此本文設(shè)計(jì)了基于PLC的模糊PID控制法變頻調(diào)節(jié)冷卻器的運(yùn)行方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通過(guò)實(shí)時(shí)采集變壓器頂層油溫的溫度，使冷卻器扇葉轉(zhuǎn)速處于自適應(yīng)狀態(tài)，該系統(tǒng)相對(duì)常規(guī)PID控制法對(duì)于大慣性、長(zhǎng)時(shí)延的非線性控制系統(tǒng)具有較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：PLC;模糊 PID;變壓器冷卻

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.24.080

0引言

由于鐵損和銅損的存在，變壓器運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生熱量，使變壓器鐵芯、繞組和油的溫度升高。變壓器對(duì)溫度極為敏感，溫度升高會(huì)減少變壓器的壽命。根據(jù)變壓器銘牌使用壽命20年的標(biāo)定下，要求變壓器最熱點(diǎn)溫度要運(yùn)行在98°C以下方可滿足。當(dāng)變壓器的運(yùn)行溫度每升高6°C其真實(shí)使用壽命將會(huì)減少50%。因此控制變壓器合理的運(yùn)行溫度對(duì)于變壓器的運(yùn)行壽命節(jié)省有色金屬開銷來(lái)說(shuō)起到舉足輕重的作用，因此必須采用合理的冷卻方法。

目前，風(fēng)冷強(qiáng)迫油循環(huán)的冷卻方式廣泛地應(yīng)用于中大型變壓器的冷卻系統(tǒng)中，這種方式多依靠傳統(tǒng)繼電器的動(dòng)作或者使用溫度傳感器采集溫度信號(hào)后傳給PLC設(shè)置閾值發(fā)出動(dòng)作信號(hào)驅(qū)動(dòng)相關(guān)繼電器動(dòng)作來(lái)進(jìn)行冷卻器的投切，該方式目前以下幾點(diǎn)存在問(wèn)題：

（1）投切冷卻器主要依靠采集溫度信號(hào)進(jìn)行硬接點(diǎn)控制，容易使冷卻器頻繁投切。

（2）冷卻器的四種工作狀態(tài)（即工作、輔助、備用、停用）無(wú)法在線設(shè)定。

（3）傳統(tǒng)繼電器元件動(dòng)作不可靠，容易發(fā)生誤動(dòng)作及拒動(dòng)作，精度低。

（4）冷卻器運(yùn)行采用定頻方式，相比變頻節(jié)能性差。

（5）自動(dòng)化程度低，需要人為干涉，無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

因此筆者制定了基于PLC的變頻調(diào)節(jié)冷卻器的運(yùn)行方案，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器頂層油溫的溫度，根據(jù)模糊PID的控制原則，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，使冷卻系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用西門子公司的S7-200 224 PLC以及SINAMICS G120變頻器作為核心，利用 PT00熱電阻采集模擬溫度信號(hào)與智能數(shù)字式溫度測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)采集變壓器油頂部溫度。其中PT100為線性溫變電阻，以電阻值的變化為溫度值的輸出為模擬量，但EM235模塊作為模擬量輸入輸出轉(zhuǎn)換單元時(shí)，EM235無(wú)法直接使用電阻信號(hào)，此時(shí)應(yīng)將電阻信號(hào)通過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)換為4-20mA的電信號(hào)，方能被EM235模塊識(shí)別。智能數(shù)字式溫度傳感器使用DS18B20溫度傳感器，測(cè)量結(jié)果為數(shù)字量，可通過(guò)MODBUS總線進(jìn)行設(shè)備間信息通信。SINAMICS G120為西門子公司出品的緊湊型變頻器，操作簡(jiǎn)單方便快速調(diào)試。利用Fuzzy-PID算法動(dòng)態(tài)更新冷卻器最佳的運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)使用雙變頻器互為冗余備份，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2模糊PID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于變壓器冷卻控制具有系統(tǒng)慣性大、時(shí)延長(zhǎng)、非線性的特點(diǎn)，很難精確建立數(shù)學(xué)模型。常規(guī)PID控制法雖然應(yīng)用廣泛，控制精度高，但是針對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)控制效果比較差，因?yàn)橐坏㏄ID參數(shù)確定以后，就無(wú)法改變，無(wú)法滿足自適應(yīng)狀態(tài)。而使用模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，且易獲得專家知識(shí)，并具備較強(qiáng)的推理預(yù)測(cè)能力。而PID調(diào)節(jié)可將模糊控制中的穩(wěn)態(tài)誤差消除，所以將模糊控制與PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合能極大地提高該系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度及精度以及穩(wěn)定性。

在模糊PID控制系統(tǒng)中，設(shè)定值為r（t），輸出值為y（t）即變壓器頂層油溫測(cè)定值，r（t）與y（t）的偏差為e（t），ec（t）為偏差變化率。經(jīng)模糊處理即可得到修正比例系數(shù)ΔKp、積分系數(shù)ΔKi、微分系數(shù)ΔKd，將此三項(xiàng)參數(shù)送入至PID控制器即可得到u（t）的輸出，再將u（t）的值送入變頻器即可精確控制冷卻器扇葉的轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

2.1輸入輸出量模糊化

輸入量E和EC可經(jīng)溫度傳感器采集數(shù)據(jù)獲取，輸出量為ΔKp、ΔKi、ΔKd三個(gè)PID控制修正參數(shù)，選擇語(yǔ)言變量{NB負(fù)大、NM負(fù)中、NS負(fù)小、ZO零、PS正小、PM正中、PB正大}共7個(gè)描述輸入的模糊子集，控制量論域范圍{-3、-2、-1、0、1、2、3}。使用計(jì)算公式7（E+3）+（EC+3）可得ΔKp、ΔKi、ΔKd的參數(shù)。

2.2模糊知識(shí)庫(kù)及推理

模糊知識(shí)庫(kù)是對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員經(jīng)驗(yàn)及操作數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)前運(yùn)行情況總結(jié)出來(lái)的控制方案。

在本系統(tǒng)中，若輸入量偏差較小，則Kp、Ki應(yīng)取較大值，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，選取適當(dāng)?shù)腒d值提高系統(tǒng)的抗干擾性。

若偏差中等，Kp應(yīng)取較小值同時(shí)選取適當(dāng)?shù)腒i、Kd值可減小系統(tǒng)的超調(diào)量。

若偏差較大時(shí)應(yīng)選取較大的Kp值，Kd值應(yīng)取小這樣可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)應(yīng)該消除積分環(huán)節(jié)防止積分過(guò)飽和，因此Ki取0。

使用MATLAB7.0軟件輸入fuzzy命令，進(jìn)行輸入量輸出量的建立。輸入量為E與EC，輸出量為三個(gè)PID修正參數(shù)，圖3為控制變量在Matlab中的設(shè)置。

選中輸入輸出量可建立模糊控制規(guī)則，該系統(tǒng)模糊控制規(guī)則為：if e=NB and ec=NB then Kp=PB and Ki=NB and Kd=PS。

解模糊即利用最大隸屬度的方法來(lái)將模糊控制器輸出的模糊值轉(zhuǎn)化為實(shí)際輸出值。

3控制器設(shè)計(jì)

常規(guī)PID控制法簡(jiǎn)單易懂便于實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)已廣泛使用，但其參數(shù)需手動(dòng)調(diào)整設(shè)定，在非線性時(shí)變系統(tǒng)中容易產(chǎn)生較大的超調(diào)量，響應(yīng)速度差。因此本設(shè)計(jì)使用西門子S7-200系列PLC作為主控核心，該P(yáng)LC為西門子一種小型化可編程控制器，最多可支持8路PID控制回路，具備聯(lián)網(wǎng)功能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)施較復(fù)雜的控制方案。利用與之配套的STEP7軟件對(duì)模糊控制進(jìn)行編程處理，完成后即可調(diào)整PLC控制器的PID參數(shù)，在原有PID參數(shù)的基礎(chǔ)上加權(quán)由解模糊環(huán)節(jié)輸出的3個(gè)PID修正值即修正比例系數(shù)ΔKp、積分系數(shù)ΔKi、微分系數(shù)ΔKd，得到最終的PID值。結(jié)合D/A轉(zhuǎn)換及變頻器最終實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻器的投切及風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速的控制。PID控制器與輸出值u（t）的關(guān)系為：