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基于PID控制的恒壓供水系統硬件設計

      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PID恒壓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。

PID恒壓供水系統的控制過程為：

      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 PID恒壓供水系統硬件組成

      本PID恒壓供水系統采用：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 PID恒壓供水系統主電路設計

      本PID恒壓供水系統包括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。 

4 PID恒壓供水系統水位控制電路

      本PID恒壓供水系統采用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，并可以對水位進行上、下限報警。根據實際情況，將水位傳感器設置為5點：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，把實際的水位的高低轉換為壓力，再轉換為標準的4～20 mA的電流信號．輸送給DCB958型液位壓力測控器，然后將此信號轉換后接至水泵M1-M4的控制電路中，來改變水庫的進水量和投入水泵的臺數，以控制水位。系統把水位的控制過程分為了幾個檔，水位達到不同的標準，實現不同的操作。

      由于水庫中的水位波動較大，水位傳感器在檢測的過程中，會出現一定的誤差，特別是在系統報警的臨界狀態，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造成損壞。采取以下兩種方法進行解決：一個是增加監測點，另外一個就是在控制回路中增加延時電路。鑒于實際線路的控制要求和成本，文中采用了第二種方法。當在系統中檢測到報警信號后，打開延時，延時時間到后，若報警信號仍然存在，表明此信號為正確信號，再根據此信號進行控制。延時時間在現場根據具體情況進行調試。

5 PID恒壓供水系統壓力控制電路

      實際供水系統中用戶管網壓力的波動很大，如果系統把這個信號傳送給變頻器，會造成電機轉速的頻繁調整，同時電機與水泵的聯接造成很大的損壞。采用PID調節器對系統的壓力波動進行范圍性調節、控制，能夠很好大的解決這個問題。本系統選用E5AX-LA作為專用的PID調節器，其調節簡單，精度高，能夠顯示當前管網水壓，并且可設置兩檔報警信號，完全符合系統的控制要求；壓力傳感器選用E8AA-M05，如圖4所示。

6 PID恒壓供水系統控制電路設計

      本PID恒壓供水系統具有優良的調速特性，可實現主回路啟動／停止、變頻器的啟動／停止、手動／自動切換、工頻／變頻轉換等功能。保證該系統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功能，并可進行顯示報警；能夠迅速、準確地反映水庫水位的變化，進行水位上、下限聲光報警；對供水管網的壓力、流量的變化進行跟蹤．保證不間斷供水，并能使系統的供水壓力在0～0．5 Mpa范圍內任意可調。通過對供水壓力的跟蹤，實現變頻調速，達到節省電能的目的。在控制回路里設置變頻器的短路、斷路及過熱保護；當變頻器工作環境溫度達到40 ℃以上時，變頻器將會造成損壞；當電機線圈的溫度達到85℃時，電機線圈會造成損壞，并有可能燒毀，在電機線圈上增加溫度傳感器，檢測電機線圈溫度，當電機線圈溫度過高時，變頻器自動停止運行，如圖5所示。

      本控制電路中有許多的保護，例如引用FUSE是為了保護整個電路的安全。每個單獨的電路回路中都并聯有電阻R和電容C串聯組成的放電電路，以保證繼電器的安全。本控制電路的設計和主電路的設計相關聯，很多繼電器都和水位，水壓的控制電路有很密切的關系，可以說是整個系統的控制核心。

7 結束語

      該供水系統采用變頻調速PID恒壓供水系統供水后，故障率極低，延長了設備的使用壽命，同時操作容易，節能效果十分明顯。