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恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于神經(jīng)模糊PID混合控制

    隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,，變頻調(diào)速技術(shù)在供水領(lǐng)域得以運(yùn)用,，實(shí)現(xiàn)了水泵電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，能夠極大地改善管網(wǎng)的供水環(huán)境,。與傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)相比,，變頻調(diào)速供水系統(tǒng)提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，節(jié)水,、節(jié)能效果顯著,，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 某市水廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    某市自來(lái)水公司原有的供水系統(tǒng)由4臺(tái)工頻水泵給管網(wǎng)供水,，泵房的出口流量以及水壓調(diào)節(jié),、水位控制都是靠工人手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門節(jié)流量進(jìn)行控制的，同時(shí)系統(tǒng)由人工監(jiān)測(cè)控制,，費(fèi)時(shí),、費(fèi)力又不能及時(shí)對(duì)管網(wǎng)壓力進(jìn)行調(diào)整，達(dá)不到平穩(wěn)調(diào)節(jié)流量的性能,。這種控制方式據(jù)統(tǒng)計(jì)至少浪費(fèi)了30％的能源,。由于水泵的啟、停次數(shù)頻繁,，供水設(shè)備容易損壞,。鑒于自來(lái)水公司供水系統(tǒng)的狀況，筆者決定用變頻器改造供水系統(tǒng)，以克服由于采用單純手動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制帶來(lái)的控制不方便以及控制系統(tǒng)對(duì)供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應(yīng)遲鈍的問(wèn)題,，降低能源消耗和資源浪費(fèi),，提高設(shè)備的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，以達(dá)到降低自來(lái)水公司的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的,。

    本次將要改造的水庫(kù)容積約為5000 m3,，儲(chǔ)水量較大,。本著資源不浪費(fèi)的原則,，確定改造方案為增加一臺(tái)使用變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的大流量水泵，整個(gè)供水管網(wǎng)用水的需求基本上由此泵供給,，其余的4臺(tái)水泵仍由工頻控制,，用來(lái)輔助調(diào)節(jié)整個(gè)管網(wǎng)的流量及壓力。變頻泵的轉(zhuǎn)速隨用戶用水量的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),，當(dāng)變頻泵轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后,，如水壓在所設(shè)定的時(shí)間內(nèi)不能滿足恒壓值時(shí)，系統(tǒng)隨即自動(dòng)投入一臺(tái)或若干臺(tái)工頻泵以補(bǔ)充用水需求,。當(dāng)用水高峰期過(guò)后,，依次將工頻泵退出運(yùn)行，大流量水泵重新進(jìn)入變頻控制,。這種閉環(huán)控制方法既可以解決供水高峰時(shí)水壓不足的問(wèn)題又可以保證深夜用水低谷時(shí)水壓過(guò)高且資源浪費(fèi)的問(wèn)題,。據(jù)此將水庫(kù)水位分成5個(gè)控制區(qū)段，根據(jù)不同的水位和管網(wǎng)的壓力,，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵M1～M5的運(yùn)行,。同時(shí)還要滿足泵房污水排放、消防用水等許多方面的要求,。圖1展示了變頻器恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,。

恒壓供水系統(tǒng)的控制過(guò)程為：

    通過(guò)安裝在用戶管網(wǎng)端的壓力傳感器測(cè)得管網(wǎng)水壓的變化，同時(shí)結(jié)合用戶管網(wǎng)在不同時(shí)刻對(duì)水流量的需求,，將測(cè)得的水壓信號(hào)傳至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID控制器,，經(jīng)過(guò)控制器運(yùn)算后將信號(hào)輸入變頻器，由變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的控制,，最終達(dá)到調(diào)整管網(wǎng)水壓的目的,。在測(cè)管網(wǎng)水壓的同時(shí)，由放置在水庫(kù)中的水位傳感器測(cè)得水庫(kù)水位的高低,，將此信號(hào)傳至電氣控制柜,，通過(guò)控制電路控制系統(tǒng)的工作水泵的投入和退出，使水庫(kù)水位保持在正常的范圍內(nèi),，并保證正常出水,。當(dāng)水位過(guò)高、過(guò)低時(shí)均設(shè)置聲光報(bào)警，提示值班員注意,，啟動(dòng)或停止注水水泵,，以保證水庫(kù)水位的正常。

2 恒壓供水系統(tǒng)系統(tǒng)硬件組成

    本恒壓供水系統(tǒng)采用：變頻器+繼電器控制的控制系統(tǒng),，由變頻器,、PID調(diào)節(jié)器、壓力變送器,、水位控制器以及接觸器,、繼電器、指示燈,、風(fēng)機(jī)等部分組成,，采用變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)水泵M5進(jìn)行無(wú)極平滑調(diào)速,，實(shí)現(xiàn)變頻／工頻兩種控制,，對(duì)M1～M4進(jìn)行工頻控制，利用壓力,、水位傳感器來(lái)檢測(cè)信號(hào),，用壓力信號(hào)來(lái)控制變頻器實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的運(yùn)行，保證供水管網(wǎng)壓力的恒定,。同時(shí)用繼電器,、接觸器實(shí)現(xiàn)其它的水泵的控制，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警等操作,。接觸器的額定電流要大于或者等于控制電路電流,，電壓也要滿足電動(dòng)機(jī)的額定電壓。通過(guò)比較選擇,，最后確定型號(hào)為：CJ10 —600／10,，其中電流選擇400 A?？紤]到電機(jī)對(duì)電流的沖擊影響,，熔斷器選擇型號(hào)為：RM10—600，熔體為600 A,。由于主電路的額定電流為350．8 A,，選擇熱繼電器為JR系列，電流為400 A,。

3 主電路設(shè)計(jì)

    本恒壓供水系統(tǒng)包括5臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī),，其中M1的功率為45 kW，M2為22 kW,，M3為22 kW,，M4為22 kW,，M5為160 kW。M1～M4 4個(gè)電機(jī)用一般的工頻電源,，M5由變頻器控制,，以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。由于文中設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)使用恒壓控制策略,，需要在型號(hào)選擇上考慮滿足電壓,、電流和功率的匹配問(wèn)題，本系統(tǒng)采用富士變頻器,，其型號(hào)為FRN160PS-4JE,。根據(jù)城市一年四季用水量和一天24小時(shí)用水量的變化規(guī)律，將供水壓力分為：0.3 Mpa,、0．35 Mpa,、0．4Mpa,、0．45 Mpa,、0．5 Mpa 5檔，在不同的時(shí)間斷,，系統(tǒng)采用不同的供水水壓,，以達(dá)到充分節(jié)能的目的。本系統(tǒng)為了工人師傅在運(yùn)行過(guò)程中的維修及調(diào)試方便,，設(shè)置了手動(dòng)調(diào)整功能,。系統(tǒng)的主回路圖如圖2所示。F為頻率計(jì),，監(jiān)視記錄頻率值,。W為手動(dòng)調(diào)頻電位器。A,，U為電流,、電壓表用于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)三相電壓、電流,。

    主控制回路,，由接觸器、繼電器,、電鈴,、顯示燈、風(fēng)機(jī)等部分組成,，完成變頻器的啟／停,，手動(dòng)／自動(dòng)轉(zhuǎn)換、故障報(bào)警等功能,。

4 水位控制電路

    本恒壓供水系統(tǒng)采用DCB958型液位壓力測(cè)控器來(lái)完成水庫(kù)水位的控制,。該控制器對(duì)水位的顯示精度可以精確到0．01 m,，并可以對(duì)水位進(jìn)行上、下限報(bào)警,。根據(jù)實(shí)際情況,，將水位傳感器設(shè)置為5點(diǎn)：上上限、上限,、中間位置,、下限、下下限,。它的外形管腳如圖3所示,。其中，P／I是壓力變送器,，把實(shí)際的水位的高低轉(zhuǎn)換為壓力,，再轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA的電流信號(hào)．輸送給DCB958型液位壓力測(cè)控器，然后將此信號(hào)轉(zhuǎn)換后接至水泵M1-M4的控制電路中,，來(lái)改變水庫(kù)的進(jìn)水量和投入水泵的臺(tái)數(shù),，以控制水位。系統(tǒng)把水位的控制過(guò)程分為了幾個(gè)檔,，水位達(dá)到不同的標(biāo)準(zhǔn),，實(shí)現(xiàn)不同的操作。

    由于水庫(kù)中的水位波動(dòng)較大,，水位傳感器在檢測(cè)的過(guò)程中,，會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，特別是在系統(tǒng)報(bào)警的臨界狀態(tài),，由此會(huì)造成水泵的頻繁啟／停,，從而對(duì)水泵甚至整個(gè)控制系統(tǒng)造成損壞。采取以下兩種方法進(jìn)行解決：一個(gè)是增加監(jiān)測(cè)點(diǎn),，另外一個(gè)就是在控制回路中增加延時(shí)電路,。鑒于實(shí)際線路的控制要求和成本，文中采用了第二種方法,。當(dāng)在系統(tǒng)中檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)后,，打開延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到后,，若報(bào)警信號(hào)仍然存在,，表明此信號(hào)為正確信號(hào)，再根據(jù)此信號(hào)進(jìn)行控制,。延時(shí)時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)試,。

5 壓力控制電路

    實(shí)際供水系統(tǒng)中用戶管網(wǎng)壓力的波動(dòng)很大，如果系統(tǒng)把這個(gè)信號(hào)傳送給變頻器,，會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻繁調(diào)整,，同時(shí)電機(jī)與水泵的聯(lián)接造成很大的損壞,。采用PID調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)的壓力波動(dòng)進(jìn)行范圍性調(diào)節(jié)、控制,，能夠很好大的解決這個(gè)問(wèn)題,。本恒壓供水系統(tǒng)選用E5AX-LA作為專用的PID調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單,，精度高,，能夠顯示當(dāng)前管網(wǎng)水壓，并且可設(shè)置兩檔報(bào)警信號(hào),，完全符合系統(tǒng)的控制要求,；壓力傳感器選用E8AA-M05，如圖4所示,。

6 控制電路設(shè)計(jì)

    本恒壓供水系統(tǒng)具有優(yōu)良的調(diào)速特性,，可實(shí)現(xiàn)主回路啟動(dòng)／停止、變頻器的啟動(dòng)／停止,、手動(dòng)／自動(dòng)切換,、工頻／變頻轉(zhuǎn)換等功能。保證該系統(tǒng)在任何情況下均能滿足用戶的要求,。具有缺相,、欠壓,、過(guò)流,、過(guò)載、短路,、過(guò)熱,、失速和誤操作等自我保護(hù)功能，并可進(jìn)行顯示報(bào)警,；能夠迅速,、準(zhǔn)確地反映水庫(kù)水位的變化，進(jìn)行水位上,、下限聲光報(bào)警,；對(duì)供水管網(wǎng)的壓力、流量的變化進(jìn)行跟蹤．保證不間斷供水,，并能使系統(tǒng)的供水壓力在0～0．5 Mpa范圍內(nèi)任意可調(diào),。通過(guò)對(duì)供水壓力的跟蹤，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速,，達(dá)到節(jié)省電能的目的,。在控制回路里設(shè)置變頻器的短路、斷路及過(guò)熱保護(hù),；當(dāng)變頻器工作環(huán)境溫度達(dá)到40 ℃以上時(shí),，變頻器將會(huì)造成損壞,；當(dāng)電機(jī)線圈的溫度達(dá)到85℃時(shí)，電機(jī)線圈會(huì)造成損壞,，并有可能燒毀,，在電機(jī)線圈上增加溫度傳感器，檢測(cè)電機(jī)線圈溫度,，當(dāng)電機(jī)線圈溫度過(guò)高時(shí),，變頻器自動(dòng)停止運(yùn)行，如圖5所示,。

    本恒壓供水系統(tǒng)控制電路中有許多的保護(hù),，例如引用FUSE是為了保護(hù)整個(gè)電路的安全。每個(gè)單獨(dú)的電路回路中都并聯(lián)有電阻R和電容C串聯(lián)組成的放電電路,，以保證繼電器的安全,。本控制電路的設(shè)計(jì)和主電路的設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)，很多繼電器都和水位,，水壓的控制電路有很密切的關(guān)系,，可以說(shuō)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。

7 結(jié)束語(yǔ)

    該恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓技術(shù)供水后,，故障率極低,，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)操作容易,，節(jié)能效果十分明顯,。