基于神经模糊PID混合控制的恒压供水系统硬件设计

谢 静，杜红艳，赵瑞林，范力旻

（1.陕西工业职业技术学院 电气工程学院，陕西 咸阳712000；2.常州工学院 电子信息与电气工程学院，江苏 常州213001）

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]。

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[2]。

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[3]。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[4]。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[5]。

图1 变频器恒压供水系统框图Fig.1 Block diagram of constant pressure water supply system

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[6]，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、0.4 Mpa、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。

图2 系统主回路图Fig.2 Diagram of the main circuit

4 水位控制电路

本系统采用DCB958型液位压力测控器来完成水库水位的控制。该控制器对水位的显示精度可以精确到0.01 m，并可以对水位进行上、下限报警。根据实际情况，将水位传感器设置为5点：上上限、上限、中间位置、下限、下下限。它的外形管脚如图3所示。其中，P/I是压力变送器，把实际的水位的高低转换为压力，再转换为标准的4～20 mA的电流信号，输送给DCB958型液位压力测控器，然后将此信号转换后接至水泵M1－M4的控制电路中，来改变水库的进水量和投入水泵的台数，以控制水位。系统把水位的控制过程分为了几个档，水位达到不同的标准，实现不同的操作。

由于水库中的水位波动较大，水位传感器在检测的过程中，会出现一定的误差，特别是在系统报警的临界状态，由此会造成水泵的频繁启/停，从而对水泵甚至整个控制系统造成损坏[7]。采取以下两种方法进行解决：一个是增加监测点，另外一个就是在控制回路中增加延时电路。鉴于实际线路的控制要求和成本，文中采用了第二种方法。当在系统中检测到报警信号后，打开延时，延时时间到后，若报警信号仍然存在，表明此信号为正确信号，再根据此信号进行控制。延时时间在现场根据具体情况进行调试。

5 压力控制电路

图3 水位控制电路Fig.3 The diagram of water level control circuit

实际供水系统中用户管网压力的波动很大，如果系统把这个信号传送给变频器，会造成电机转速的频繁调整，同时电机与水泵的联接造成很大的损坏[8]。采用PID调节器对系统的压力波动进行范围性调节、控制，能够很好大的解决这个问题。本系统选用E5AX－LA作为专用的PID调节器，其调节简单，精度高，能够显示当前管网水压，并且可设置两档报警信号，完全符合系统的控制要求；压力传感器选用E8AAM05，如图 4所示。

图4 水压控制电路Fig.4 Diagram of Hydraulic pressure control circuit

6 控制电路设计

本系统具有优良的调速特性，可实现主回路启动/停止、变频器的启动/停止、手动/自动切换、工频/变频转换等功能。保证该系统在任何情况下均能满足用户的要求。具有缺相、欠压、过流、过载、短路、过热、失速和误操作等自我保护功能，并可进行显示报警；能够迅速、准确地反映水库水位的变化，进行水位上、下限声光报警；对供水管网的压力、流量的变化进行跟踪，保证不间断供水，并能使系统的供水压力在0～0.5 Mpa范围内任意可调。通过对供水压力的跟踪，实现变频调速，达到节省电能的目的。在控制回路里设置变频器的短路、断路及过热保护；当变频器工作环境温度达到40℃以上时，变频器将会造成损坏；当电机线圈的温度达到85℃时，电机线圈会造成损坏，并有可能烧毁，在电机线圈上增加温度传感器，检测电机线圈温度，当电机线圈温度过高时，变频器自动停止运行[9]，如图5所示。

本控制电路中有许多的保护，例如引用FUSE是为了保护整个电路的安全。每个单独的电路回路中都并联有电阻R和电容C串联组成的放电电路，以保证继电器的安全。本控制电路的设计和主电路的设计相关联，很多继电器都和水位，水压的控制电路有很密切的关系，可以说是整个系统的控制核心。

7 结束语

图5 控制电路Fig.5 Control circuit

该供水系统采用变频调速恒压技术供水后，故障率极低，延长了设备的使用寿命，同时操作容易，节能效果十分明显。

[1]吴白凯，余承烈，陈学功.水泵变频调速应用的注意事项[J].工业用水与废水，2002，33（5）:45－47.WU Bai-kai，YU Cheng-lie，CHEN Xue-gong.Note of the pump frequency control applications[J].Industrial Water and Wastewater，2002，33（5）:45－47.

[2]宋序彤.我国城市供水发展有关问题分析[J].城镇供水，2001（2）:22－27.SONG Xu-tong.Analysis of issues related china’s wrban water supply development[J].City and Town Water Supply，2001（2）:22－27.

[3]崔玉川，傅涛.我国城市给水发展现状与特点[J].中国给水排水，1999，15（2）:52－54.CUI Yu-chuan，FU Tao.Status and characteristics of China’s urbanwatersupplydevelopment[J].China Water&Wastewater，1999，15（2）:52－54.

[4]乔维德.基于模糊控制的恒压供水研究[J].水科学与工程技术，2007（4）：28－30.QIAO Wei-de.Constant pressure water supply based on fuzzy control[J].Water Science and Engineering Technology，2007（4）:28－30.

[5]张泽伟，曲鸿章，谢兴华.变频器在恒压供水系统中的应用[J].自动化技术与应用，2002，21（4）:27-29.ZHANG Ze-wei，QU Hong-zhang，XIE Xing-hua.Inverter in the water supply system[J].Automation Technology and Application，2002，21（4）:27-29.

[6]Eker，Lyas.Operation and control of a water supply system[J].ISA Transactions，2003，2（3）：461-473.

[7]宁耀斌，明正峰，钟彦儒.变频调速恒压供水系统的原理与实现[J].西安理工大学学报，2001，17（3）:305-309.NING Yao-bin，MING Zheng-feng，ZHONG Yan-ru.The principle of the frequency control water supply system[J].Xi’an University of Technology，2001，17（3）:305-309.

[8]周漠仁.流体力学泵与风机[M].北京:中国建筑工业出版社，1994.

[9]张燕宾，变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2003.