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)測控制,費(fèi)時(shí)、費(fèi)力又不能及時(shí)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(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(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(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(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(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,最后確定型號為:CJ10 —600/10,其中電流選擇400 A??紤]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 主電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)包括5臺水泵電動(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(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。
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