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基于PID控制的恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

      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PID恒壓供水系統(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調(diào)節(jié)閥門節(jié)流量進(jìn)行控制的，同時系統(tǒng)由人工監(jiān)測控制，費(fèi)時、費(fèi)力又不能及時對管網(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使用變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的大流量水泵，整個供水管網(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，用來輔助調(diào)節(jié)整個管網(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)定的時間內(nèi)不能滿足恒壓值時，系統(tǒng)隨即自動投入一臺或若干臺工頻泵以補(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水壓不足的問題又可以保證深夜用水低谷時水壓過高且資源浪費(fèi)的問題。據(jù)此將水庫水位分成5個控制區(qū)段，根據(jù)不同的水位和管網(wǎng)的壓力，自動調(diào)節(jié)水泵M1～M5的運(yùn)行。同時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。

PID恒壓供水系統(tǒng)的控制過程為：

      通過安裝在用戶管網(wǎng)端的壓力傳感器測得管網(wǎng)水壓的變化，同時結(jié)合用戶管網(wǎng)在不同時刻對水流量的需求，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)過控制器運(yùn)算后將信號輸入變頻器，由變頻器實(shí)現(xiàn)對水泵轉(zhuǎn)速的控制，最終達(dá)到調(diào)整管網(wǎng)水壓的目的。在測管網(wǎng)水壓的同時，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、過低時均設(shè)置聲光報(bào)警，提示值班員注意，啟動或停止注水水泵，以保證水庫水位的正常。

2 PID恒壓供水系統(tǒng)硬件組成

      本PID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M1～M4進(jìn)行工頻控制，利用壓力、水位傳感器來檢測信號，用壓力信號來控制變頻器實(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，電壓也要滿足電動機(jī)的額定電壓。通過比較選擇，最后確定型號為：CJ10 —600／10，其中電流選擇400 A。考慮到電機(jī)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 PID恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

      本PID恒壓供水系統(tǒng)包括5臺水泵電動機(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，其型號為FRN160PS-4JE。根據(jù)城市一年四季用水量和一天24小時用水量的變化規(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為手動調(diào)頻電位器。A，U為電流、電壓表用于監(jiān)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(jī)等部分組成，完成變頻器的啟／停，手動／自動轉(zhuǎn)換、故障報(bào)警等功能。 

4 PID恒壓供水系統(tǒng)水位控制電路

      本PID恒壓供水系統(tǒng)采用DCB958型液位壓力測控器來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(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．輸送給DCB958型液位壓力測控器，然后將此信號轉(zhuǎn)換后接至水泵M1-M4的控制電路中，來改變水庫的進(jìn)水量和投入水泵的臺數(shù)，以控制水位。系統(tǒng)把水位的控制過程分為了幾個檔，水位達(dá)到不同的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同的操作。

      由于水庫中的水位波動較大，水位傳感器在檢測的過程中，會出現(xiàn)一定的誤差，特別是在系統(tǒng)報(bào)警的臨界狀態(tài)，由此會造成水泵的頻繁啟／停，從而對水泵甚至整個控制系統(tǒng)造成損壞。采取以下兩種方法進(jìn)行解決：一個是增加監(jiān)測點(diǎn)，另外一個就是在控制回路中增加延時電路。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)中檢測到報(bào)警信號后，打開延時，延時時間到后，若報(bào)警信號仍然存在，表明此信號為正確信號，再根據(jù)此信號進(jìn)行控制。延時時間在現(xiàn)場根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)試。

5 PID恒壓供水系統(tǒng)壓力控制電路

      實(shí)際供水系統(tǒng)中用戶管網(wǎng)壓力的波動很大，如果系統(tǒng)把這個信號傳送給變頻器，會造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻繁調(diào)整，同時電機(jī)與水泵的聯(lián)接造成很大的損壞。采用PID調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)的壓力波動進(jìn)行范圍性調(diào)節(jié)、控制，能夠很好大的解決這個問題。本系統(tǒng)選用E5AX-LA作為專用的PID調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)簡單，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，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 PID恒壓供水系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

      本PID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／停止、變頻器的啟動／停止、手動／自動切換、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、過流、過載、短路、過熱、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)確地反映水庫水位的變化，進(jìn)行水位上、下限聲光報(bào)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(tǒng)的供水壓力在0～0．5 Mpa范圍內(nèi)任意可調(diào)。通過對供水壓力的跟蹤，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、斷路及過熱保護(hù)；當(dāng)變頻器工作環(huán)境溫度達(dá)到40 ℃以上時，變頻器將會造成損壞；當(dāng)電機(jī)線圈的溫度達(dá)到85℃時，電機(jī)線圈會造成損壞，并有可能燒毀，在電機(jī)線圈上增加溫度傳感器，檢測電機(jī)線圈溫度，當(dāng)電機(jī)線圈溫度過高時，變頻器自動停止運(yùn)行，如圖5所示。

      本控制電路中有許多的保護(hù)，例如引用FUSE是為了保護(hù)整個電路的安全。每個單獨(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，可以說是整個系統(tǒng)的控制核心。

7 結(jié)束語

      該供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速PID恒壓供水系統(tǒng)供水后，故障率極低，延長了設(shè)備的使用壽命，同時操作容易，節(jié)能效果十分明顯。