基于PID控制的恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(wú)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(huì)效益。
1 某市水廠(chǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
某市自來(lái)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(mén)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(lái)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(lái)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(wèn)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(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(kù)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(lái)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(hù)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(mǎn)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(guò)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(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(fèi)的問(wèn)題。據(jù)此將水庫(kù)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(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(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
PID恒壓供水系統(tǒng)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(cè)得管網(wǎng)水壓的變化，同時(shí)結(jié)合用戶(hù)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(guò)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(kù)中的水位傳感器測(cè)得水庫(kù)水位的高低，將此信號(hào)傳至電氣控制柜，通過(guò)控制電路控制系統(tǒng)的工作水泵的投入和退出，使水庫(kù)水位保持在正常的范圍內(nèi)，并保證正常出水。當(dāng)水位過(guò)高、過(guò)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(kù)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(duì)水泵M5進(jìn)行無(wú)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(lái)檢測(cè)信號(hào)，用壓力信號(hào)來(lái)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(mǎn)足電動(dòng)機(jī)的額定電壓。通過(guò)比較選擇，最后確定型號(hào)為：CJ10 —600／10，其中電流選擇400 A。考慮到電機(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 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(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(mǎn)足電壓、電流和功率的匹配問(wèn)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(guò)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。
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(cè)控器來(lái)完成水庫(kù)水位的控制。該控制器對(duì)水位的顯示精度可以精確到0．01 m，并可以對(duì)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(hào)．輸送給DCB958型液位壓力測(cè)控器，然后將此信號(hào)轉(zhuǎn)換后接至水泵M1-M4的控制電路中，來(lái)改變水庫(kù)的進(jìn)水量和投入水泵的臺(tái)數(shù)，以控制水位。系統(tǒng)把水位的控制過(guò)程分為了幾個(gè)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(kù)中的水位波動(dòng)較大，水位傳感器在檢測(cè)的過(guò)程中，會(huì)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(huì)造成水泵的頻繁啟／停，從而對(duì)水泵甚至整個(gè)控制系統(tǒng)造成損壞。采取以下兩種方法進(jìn)行解決：一個(gè)是增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)，另外一個(gè)就是在控制回路中增加延時(shí)電路。鑒于實(shí)際線(xiàn)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(cè)到報(bào)警信號(hào)后，打開(kāi)延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到后，若報(bào)警信號(hào)仍然存在，表明此信號(hào)為正確信號(hào)，再根據(jù)此信號(hào)進(jìn)行控制。延時(shí)時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)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(hù)管網(wǎng)壓力的波動(dòng)很大，如果系統(tǒng)把這個(gè)信號(hào)傳送給變頻器，會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻繁調(diào)整，同時(shí)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(duì)系統(tǒng)的壓力波動(dòng)進(jìn)行范圍性調(diào)節(jié)、控制，能夠很好大的解決這個(gè)問(wèn)題。本系統(tǒng)選用E5AX-LA作為專(zhuān)用的PID調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)簡(jiǎn)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(hào)，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(dòng)／停止、變頻器的啟動(dòng)／停止、手動(dòng)／自動(dòng)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(mǎn)足用戶(hù)的要求。具有缺相、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、短路、過(guò)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(kù)水位的變化，進(jìn)行水位上、下限聲光報(bào)警；對(duì)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(guò)對(duì)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(guò)熱保護(hù)；當(dāng)變頻器工作環(huán)境溫度達(dá)到40 ℃以上時(shí)，變頻器將會(huì)造成損壞；當(dāng)電機(jī)線(xiàn)圈的溫度達(dá)到85℃時(shí)，電機(jī)線(xiàn)圈會(huì)造成損壞，并有可能燒毀，在電機(jī)線(xiàn)圈上增加溫度傳感器，檢測(cè)電機(jī)線(xiàn)圈溫度，當(dāng)電機(jī)線(xiàn)圈溫度過(guò)高時(shí)，變頻器自動(dòng)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(gè)電路的安全。每個(gè)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(shuō)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。
7 結(jié)束語(yǔ)
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(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)操作容易，節(jié)能效果十分明顯。
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