基于神經(jīng)模糊PID混合控制的恒壓供水系統硬件設計

摘要：文中介紹了基于神經(jīng)模糊PID混合控制的變頻調速恒壓自動(dòng)供水系統的硬件組成，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，變頻調速供水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供水系統，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。圖1展示了變頻器恒壓供水系統的結構框圖。

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 系統硬件組成
本系統采用：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 主電路設計
本系統包括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。