基于神經模糊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模糊PID混合控制的變頻調速恒壓自動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。本系統應用于實踐后，節能效果十分明顯。
關鍵詞：恒壓供水；電機；變頻器；PID控制；控制電路

隨著工業的發展和科技的進步，變頻調速技術在供水領域得以運用，實現了水泵電機的無級調速，能夠極大地改善管網的供水環境。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，具有很好的經濟效益和社會效益。

1 某市水廠系統結構
某市自來水公司原有的供水系統由4臺工頻水泵給管網供水，泵房的出口流量以及水壓調節、水位控制都是靠工人手動調節閥門節流量進行控制的，同時系統由人工監測控制，費時、費力又不能及時對管網壓力進行調整，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控制系統進行控制帶來的控制不方便以及控制系統對供水管網中壓力和水位變化反應遲鈍的問題，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，以達到降低自來水公司的生產成本和提高生產管理水平的目的。
本次將要改造的水庫容積約為5000 m3，儲水量較大。本著資源不浪費的原則，確定改造方案為增加一臺使用變頻器實現軟啟動及轉速調節的大流量水泵，整個供水管網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，用來輔助調節整個管網的流量及壓力。變頻泵的轉速隨用戶用水量的變化動態調節，當變頻泵轉速達到額定轉速后，如水壓在所設定的時間內不能滿足恒壓值時，系統隨即自動投入一臺或若干臺工頻泵以補充用水需求。當用水高峰期過后，依次將工頻泵退出運行，大流量水泵重新進入變頻控制。這種閉環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的問題。據此將水庫水位分成5個控制區段，根據不同的水位和管網的壓力，自動調節水泵M1～M5的運行。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的結構框圖。

系統的控制過程為：
通過安裝在用戶管網端的壓力傳感器測得管網水壓的變化，同時結合用戶管網在不同時刻對水流量的需求，將測得的水壓信號傳至神經網絡模糊PID控制器，經過控制器運算后將信號輸入變頻器，由變頻器實現對水泵轉速的控制，最終達到調整管網水壓的目的。在測管網水壓的同時，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。當水位過高、過低時均設置聲光報警，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 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、風機等部分組成，采用變頻調速技術，對水泵M5進行無極平滑調速，實現變頻／工頻兩種控制，對M1～M4進行工頻控制，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現水泵電機的運行，保證供水管網壓力的恒定。同時用繼電器、接觸器實現其它的水泵的控制，并實現報警等操作。接觸器的額定電流要大于或者等于控制電路電流，電壓也要滿足電動機的額定電壓。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個電機用一般的工頻電源，M5由變頻器控制，以實現變頻調速。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足電壓、電流和功率的匹配問題，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程中的維修及調試方便，設置了手動調整功能。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為手動調頻電位器。A，U為電流、電壓表用于監測電網三相電壓、電流。

主控制回路，由接觸器、繼電器、電鈴、顯示燈、風機等部分組成，完成變頻器的啟／停，手動／自動轉換、故障報警等功能。