基于PID混合控制的恒壓給水裝置系統硬件設計

      基于神經(jīng)模糊PID混合控制的變頻調速恒壓給水裝置系統的硬件組成，包括主電路設計、控制電路的分析設計、硬件配置及組成。本系統應用于實(shí)踐后，節能效果十分明顯。

關(guān)鍵詞：恒壓供水；電機；變頻器；PID控制；控制電路

    隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，變頻調速技術(shù)在供水領(lǐng)域得以運用，實(shí)現了水泵電機的無(wú)級調速，能夠極大地改善管網(wǎng)的供水環(huán)境。與傳統的供水系統相比，變頻調速恒壓給水裝置系統提高了供水系統的穩定性和可靠性，節水、節能效果顯著(zhù)，具有很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

1 某市水廠(chǎng)系統結構

    某市自來(lái)水公司原有的供水系統由4臺工頻水泵給管網(wǎng)供水，泵房的出口流量以及水壓調節、水位控制都是靠工人手動(dòng)調節閥門(mén)節流量進(jìn)行控制的，同時(shí)系統由人工監測控制，費時(shí)、費力又不能及時(shí)對管網(wǎng)壓力進(jìn)行調整，達不到平穩調節流量的性能。這種控制方式據統計至少浪費了30％的能源。由于水泵的啟、停次數頻繁，供水設備容易損壞。鑒于自來(lái)水公司供水系統的狀況，筆者決定用變頻器改造恒壓給水裝置系統，以克服由于采用單純手動(dòng)控制系統進(jìn)行控制帶來(lái)的控制不方便以及控制系統對供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應遲鈍的問(wèn)題，降低能源消耗和資源浪費，提高設備的可維護性和運行的可靠性，以達到降低自來(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容積約為5000 m3，儲水量較大。本著(zhù)資源不浪費的原則，確定改造方案為增加一臺使用變頻器實(shí)現軟啟動(dòng)及轉速調節的大流量水泵，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臺水泵仍由工頻控制，用來(lái)輔助調節整個(gè)管網(wǎng)的流量及壓力。變頻泵的轉速隨用戶(hù)用水量的變化動(dòng)態(tài)調節，當變頻泵轉速達到額定轉速后，如水壓在所設定的時(shí)間內不能滿(mǎn)足恒壓值時(shí)，系統隨即自動(dòng)投入一臺或若干臺工頻泵以補充用水需求。當用水高峰期過(guò)后，依次將工頻泵退出運行，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)高且資源浪費的問(wèn)題。據此將水庫水位分成5個(gè)控制區段，根據不同的水位和管網(wǎng)的壓力，自動(dòng)調節水泵M1～M5的運行。同時(shí)還要滿(mǎn)足泵房污水排放、消防用水等許多方面的要求。

恒壓給水裝置系統的控制過(guò)程為：

    通過(guò)安裝在用戶(hù)管網(wǎng)端的壓力傳感器測得管網(wǎng)水壓的變化，同時(shí)結合用戶(hù)管網(wǎng)在不同時(shí)刻對水流量的需求，將測得的水壓信號傳至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模糊PID控制器，經(jīng)過(guò)控制器運算后將信號輸入變頻器，由變頻器實(shí)現對水泵轉速的控制，最終達到調整管網(wǎng)水壓的目的。在測管網(wǎng)水壓的同時(shí)，由放置在水庫中的水位傳感器測得水庫水位的高低，將此信號傳至電氣控制柜，通過(guò)控制電路控制系統的工作水泵的投入和退出，使水庫水位保持在正常的范圍內，并保證正常出水。當水位過(guò)高、過(guò)低時(shí)均設置聲光報警，提示值班員注意，啟動(dòng)或停止注水水泵，以保證水庫水位的正常。

2 恒壓給水裝置系統硬件組成

    本恒壓給水裝置采用：變頻器+繼電器控制的控制系統，由變頻器、PID調節器、壓力變送器、水位控制器以及接觸器、繼電器、指示燈、風(fēng)機等部分組成，采用變頻調速技術(shù)，對水泵M5進(jìn)行無(wú)極平滑調速，實(shí)現變頻／工頻兩種控制，對M1～M4進(jìn)行工頻控制，利用壓力、水位傳感器來(lái)檢測信號，用壓力信號來(lái)控制變頻器實(shí)現水泵電機的運行，保證供水管網(wǎng)壓力的恒定。同時(shí)用繼電器、接觸器實(shí)現其它的水泵的控制，并實(shí)現報警等操作。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(mǎn)足電動(dòng)機的額定電壓。通過(guò)比較選擇，最后確定型號為：CJ10 —600／10，其中電流選擇400 A?？紤]到電機對電流的沖擊影響，熔斷器選擇型號為：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 恒壓給水裝置主電路設計

    本恒壓給水裝置系統包括5臺水泵電動(dòng)機，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)電機用一般的工頻電源，M5由變頻器控制，以實(shí)現變頻調速。由于文中設計的供水系統使用恒壓控制策略，需要在型號選擇上考慮滿(mǎn)足電壓、電流和功率的匹配問(wèn)題，本系統采用富士變頻器，其型號為FRN160PS-4JE。根據城市一年四季用水量和一天24小時(shí)用水量的變化規律，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，系統采用不同的供水水壓，以達到充分節能的目的。本系統為了工人師傅在運行過(guò)程中的維修及調試方便，設置了手動(dòng)調整功能。系統的主回路圖如圖2所示。F為頻率計，監視記錄頻率值。W為手動(dòng)調頻電位器。A，U為電流、電壓表用于監測電網(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)機等部分組成，完成變頻器的啟／停，手動(dòng)／自動(dòng)轉換、故障報警等功能。

4 恒壓給水裝置水位控制電路

    本恒壓給水裝置系統采用DCB958型液位壓力測控器來(lái)完成水庫水位的控制。該控制器對水位的顯示精度可以精確到0．01 m，并可以對水位進(jìn)行上、下限報警。根據實(shí)際情況，將水位傳感器設置為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)際的水位的高低轉換為壓力，再轉換為標準的4～20 mA的電流信號．輸送給DCB958型液位壓力測控器，然后將此信號轉換后接至水泵M1-M4的控制電路中，來(lái)改變水庫的進(jìn)水量和投入水泵的臺數，以控制水位。系統把水位的控制過(guò)程分為了幾個(gè)檔，水位達到不同的標準，實(shí)現不同的操作。

    由于水庫中的水位波動(dòng)較大，水位傳感器在檢測的過(guò)程中，會(huì )出現一定的誤差，特別是在系統報警的臨界狀態(tài)，由此會(huì )造成水泵的頻繁啟／停，從而對水泵甚至整個(gè)控制系統造成損壞。采取以下兩種方法進(jìn)行解決：一個(gè)是增加監測點(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(xiàn)路的控制要求和成本，文中采用了第二種方法。當在系統中檢測到報警信號后，打開(kāi)延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到后，若報警信號仍然存在，表明此信號為正確信號，再根據此信號進(jìn)行控制。延時(shí)時(shí)間在現場(chǎng)根據具體情況進(jìn)行調試。

5 恒壓給水裝置壓力控制電路

    實(shí)際恒壓給水裝置供水系統中用戶(hù)管網(wǎng)壓力的波動(dòng)很大，如果系統把這個(gè)信號傳送給變頻器，會(huì )造成電機轉速的頻繁調整，同時(shí)電機與水泵的聯(lián)接造成很大的損壞。采用PID調節器對系統的壓力波動(dòng)進(jìn)行范圍性調節、控制，能夠很好大的解決這個(gè)問(wèn)題。本系統選用E5AX-LA作為專(zhuān)用的PID調節器，其調節簡(jiǎn)單，精度高，能夠顯示當前管網(wǎng)水壓，并且可設置兩檔報警信號，完全符合系統的控制要求；壓力傳感器選用E8AA-M05，如圖4所示。

6 恒壓給水裝置控制電路設計

    本恒壓給水裝置系統具有優(yōu)良的調速特性，可實(shí)現主回路啟動(dòng)／停止、變頻器的啟動(dòng)／停止、手動(dòng)／自動(dòng)切換、工頻／變頻轉換等功能。保證該系統在任何情況下均能滿(mǎn)足用戶(hù)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功能，并可進(jìn)行顯示報警；能夠迅速、準確地反映水庫水位的變化，進(jìn)行水位上、下限聲光報警；對供水管網(wǎng)的壓力、流量的變化進(jìn)行跟蹤．保證不間斷供水，并能使系統的供水壓力在0～0．5 Mpa范圍內任意可調。通過(guò)對供水壓力的跟蹤，實(shí)現變頻調速，達到節省電能的目的。在控制回路里設置變頻器的短路、斷路及過(guò)熱保護；當變頻器工作環(huán)境溫度達到40 ℃以上時(shí)，變頻器將會(huì )造成損壞；當電機線(xiàn)圈的溫度達到85℃時(shí)，電機線(xiàn)圈會(huì )造成損壞，并有可能燒毀，在電機線(xiàn)圈上增加溫度傳感器，檢測電機線(xiàn)圈溫度，當電機線(xiàn)圈溫度過(guò)高時(shí)，變頻器自動(dòng)停止運行，如圖5所示。

    本控制電路中有許多的保護，例如引用FUSE是為了保護整個(gè)電路的安全。每個(gè)單獨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。本控制電路的設計和主電路的設計相關(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)系統的控制核心。

7 結束語(yǔ)

    該恒壓給水裝置供水系統采用變頻調速恒壓技術(shù)供水后，故障率極低，延長(cháng)了設備的使用壽命，同時(shí)操作容易，節能效果十分明顯。