基于神经模糊PID混合控制的恒压供水系统硬件设计

摘要：文中介绍了基于神经模糊PID混合控制的变频调速恒压自动供水系统的硬件组成，包括主电路设计、控制电路的分析设计、硬件配置及组成。本系统应用于实践后，节能效果十分明显。
关键词：恒压供水；电机；变频器；PID控制；控制电路

随着工业的发展和科技的进步，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机的无级调速，能够极大地改善管网的供水环境。与传统的供水系统相比，变频调速供水系统提高了供水系统的稳定性和可靠性，节水、节能效果显著，具有很好的经济效益和社会效益。

1 某市水厂系统结构
某市自来水公司原有的供水系统由4台工频水泵给管网供水，泵房的出口流量以及水压调节、水位控制都是靠工人手动调节阀门节流量进行控制的，同时系统由人工监测控制，费时、费力又不能及时对管网压力进行调整，达不到平稳调节流量的性能。这种控制方式据统计至少浪费了30％的能源。由于水泵的启、停次数频繁，供水设备容易损坏。鉴于自来水公司供水系统的状况，笔者决定用变频器改造供水系统，以克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便以及控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水公司的生产成本和提高生产管理水平的目的。
本次将要改造的水库容积约为5000 m3，储水量较大。本着资源不浪费的原则，确定改造方案为增加一台使用变频器实现软启动及转速调节的大流量水泵，整个供水管网用水的需求基本上由此泵供给，其余的4台水泵仍由工频控制，用来辅助调节整个管网的流量及压力。变频泵的转速随用户用水量的变化动态调节，当变频泵转速达到额定转速后，如水压在所设定的时间内不能满足恒压值时，系统随即自动投入一台或若干台工频泵以补充用水需求。当用水高峰期过后，依次将工频泵退出运行，大流量水泵重新进入变频控制。这种闭环控制方法既可以解决供水高峰时水压不足的问题又可以保证深夜用水低谷时水压过高且资源浪费的问题。据此将水库水位分成5个控制区段，根据不同的水位和管网的压力，自动调节水泵M1～M5的运行。同时还要满足泵房污水排放、消防用水等许多方面的要求。图1展示了变频器恒压供水系统的结构框图。

系统的控制过程为：
通过安装在用户管网端的压力传感器测得管网水压的变化，同时结合用户管网在不同时刻对水流量的需求，将测得的水压信号传至神经网络模糊PID控制器，经过控制器运算后将信号输入变频器，由变频器实现对水泵转速的控制，最终达到调整管网水压的目的。在测管网水压的同时，由放置在水库中的水位传感器测得水库水位的高低，将此信号传至电气控制柜，通过控制电路控制系统的工作水泵的投入和退出，使水库水位保持在正常的范围内，并保证正常出水。当水位过高、过低时均设置声光报警，提示值班员注意，启动或停止注水水泵，以保证水库水位的正常。

2 系统硬件组成
本系统采用：变频器+继电器控制的控制系统，由变频器、PID调节器、压力变送器、水位控制器以及接触器、继电器、指示灯、风机等部分组成，采用变频调速技术，对水泵M5进行无极平滑调速，实现变频／工频两种控制，对M1～M4进行工频控制，利用压力、水位传感器来检测信号，用压力信号来控制变频器实现水泵电机的运行，保证供水管网压力的恒定。同时用继电器、接触器实现其它的水泵的控制，并实现报警等操作。接触器的额定电流要大于或者等于控制电路电流，电压也要满足电动机的额定电压。通过比较选择，最后确定型号为：CJ10 —600／10，其中电流选择400 A。考虑到电机对电流的冲击影响，熔断器选择型号为：RM10—600，熔体为600 A。由于主电路的额定电流为350．8 A，选择热继电器为JR系列，电流为400 A。

3 主电路设计
本系统包括5台水泵电动机，其中M1的功率为45 kW，M2为22 kW，M3为22 kW，M4为22 kW，M5为160 kW。M1～M4 4个电机用一般的工频电源，M5由变频器控制，以实现变频调速。由于文中设计的供水系统使用恒压控制策略，需要在型号选择上考虑满足电压、电流和功率的匹配问题，本系统采用富士变频器，其型号为FRN160PS-4JE。根据城市一年四季用水量和一天24小时用水量的变化规律，将供水压力分为：0.3 Mpa、0．35 Mpa、0．4Mpa、0．45 Mpa、0．5 Mpa 5档，在不同的时间断，系统采用不同的供水水压，以达到充分节能的目的。本系统为了工人师傅在运行过程中的维修及调试方便，设置了手动调整功能。系统的主回路图如图2所示。F为频率计，监视记录频率值。W为手动调频电位器。A，U为电流、电压表用于监测电网三相电压、电流。

主控制回路，由接触器、继电器、电铃、显示灯、风机等部分组成，完成变频器的启／停，手动／自动转换、故障报警等功能。