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

摘要：文中介紹了基于神經(jīng)模糊PID混合控制的變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)供水系統(tǒng)的硬件組成，包括主電路設(shè)計(jì)、控制電路的分析設(shè)計(jì)、硬件配置及組成。本系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)踐后，節(jié)能效果十分明顯。
關(guān)鍵詞：恒壓供水；電機(jī)；變頻器；PID控制；控制電路

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(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)水壓不足的問題又可以保證深夜用水低谷時(shí)水壓過高且資源浪費(fèi)的問題。據(jù)此將水庫水位分成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。

系統(tǒng)的控制過程為：
通過安裝在用戶管網(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)，由放置在水庫中的水位傳感器測(cè)得水庫水位的高低，將此信號(hào)傳至電氣控制柜，通過控制電路控制系統(tǒng)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(nèi)，并保證正常出水。當(dāng)水位過高、過低時(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，以保證水庫水位的正常。

2 系統(tǒng)硬件組成
本系統(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、水位傳感器來檢測(cè)信號(hào)，用壓力信號(hào)來控制變頻器實(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。