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基於PID控製的恒壓供水係統硬件設計
時間:2018-09-03 10:39 來源:AG8亚游供水 作者:AG8亚游供水 點擊:

基於PID控製的恒壓供水係統硬件設計
 
      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,能夠較大地改善管網的供水環境。與傳統的供水係統相比,變頻調速PID恒壓供水係統提高了供水係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 某市水廠係統結構
      某市自來水公司原有的供水係統由4台工頻水泵給管網供水,泵房的出口流量以及水壓調節、水位控製都是靠工人手動調節閥門節流量進行控製的,同時係統由人工監測控製,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。這種控製方式據統計至少浪費了30%的能源。由於水泵的啟、停次數頻繁,供水設備容易損壞。鑒於自來水公司供水係統的狀況,筆者決定用變頻器改造供水係統,以克服由於采用單純手動控製係統進行控製帶來的控製不方便以及控製係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台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,其餘的4台水泵仍由工頻控製,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後,如水壓在所設定的時間內不能滿足恒壓值時,係統隨即自動投入一台或若幹台工頻泵以補充用水需求。當用水高峰期過後,依次將工頻泵退出運行,大流量水泵重新進入變頻控製。這種閉環控製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穀時水壓過高且資源浪費的問題。據此將水庫水位分成5個控製區段,根據不同的水位和管網的壓力,自動調節水泵M1~M5的運行。同時還要滿足泵房汙水排放、消防用水等許多方麵的要求。圖1展示了變頻器恒壓供水係統的結構框圖。
PID恒壓供水係統的控製過程為:
      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控製器,經過控製器運算後將信號輸入變頻器,由變頻器實現對水泵轉速的控製,較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製櫃,通過控製電路控製係統的工作水泵的投入和退出,使水庫水位保持在正常的範圍內,並保證正常出水。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恒壓供水係統硬件組成
      本PID恒壓供水係統采用:變頻器+繼電器控製的控製係統,由變頻器、PID調節器、壓力變送器、水位控製器以及接觸器、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/工頻兩種控製,對M1~M4進行工頻控製,利用壓力、水位傳感器來檢測信號,用壓力信號來控製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製,並實現報警等操作。接觸器的額定電流要大於或者等於控製電路電流,電壓也要滿足電動機的額定電壓。通過比較選擇,較後確定型號為:CJ10 —600/10,其中電流選擇400 A。考慮到電機對電流的衝擊影響,熔斷器選擇型號為:RM10—600,熔體為600 A。由於主電路的額定電流為350.8 A,選擇熱繼電器為JR係列,電流為400 A。
 
3 PID恒壓供水係統主電路設計
      本PID恒壓供水係統包括5台水泵電動機,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由變頻器控製,以實現變頻調速。由於文中設計的供水係統使用恒壓控製策略,需要在型號選擇上考慮滿足電壓、電流和功率的匹配問題,本係統采用富士變頻器,其型號為FRN160PS-4JE。根據城市一年四季用水量和 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,係統采用不同的供水水壓,以達到充分節能的目的。本係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。係統的主回路圖如圖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、電壓表用於監測電網三相電壓、電流。
      主控製回路,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恒壓供水係統水位控製電路
      本PID恒壓供水係統采用DCB958型液位壓力測控器來完成水庫水位的控製。該控製器對水位的顯示精度可以準確到0.01 m,並可以對水位進行上、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,然後將此信號轉換後接至水泵M1-M4的控製電路中,來改變水庫的進水量和投入水泵的台數,以控製水位。係統把水位的控製過程分為了幾個檔,水位達到不同的標準,實現不同的操作。
      由於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 的誤差,特別是在係統報警的臨界狀態,由此會造成水泵的頻繁啟/停,從而對水泵甚至整個控製係統造成損壞。采取以下兩種方法進行解決:一個是增加監測點,另外一個就是在控製回路中增加延長時間電路。鑒於實際線路的控製要求和成本,文中采用了地二種方法。當在係統中檢測到報警信號後,打開延長時間,延長時間時間到後,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製。延長時間時間在現場根據具體情況進行調試。
 
5 PID恒壓供水係統壓力控製電路
      實際供水係統中用戶管網壓力的波動很大,如果係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調節器對係統的壓力波動進行範圍性調節、控製,能夠很好大的解決這個問題。本係統選用E5安X-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,並且可設置兩檔報警信號, 符合係統的控製要求;壓力傳感器選用E8AA-M05,如圖4所示。
 
6 PID恒壓供水係統控製電路設計
      本PID恒壓供水係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。保證該係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,並可進行顯示報警;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,並能使係統的供水壓力在0~0.5 Mpa範圍內任意可調。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。在控製回路裏設置變頻器的短路、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,並有可能燒毀,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。
      本控製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並聯有電阻R和電容C串聯組成的放電電路,以保證繼電器的安,全。本控製電路的設計和主電路的設計相關聯,很多繼電器都和水位,水壓的控製電路有很密切的關係,可以說是整個係統的控製核心。
 
7 結束語
      該供水係統采用變頻調速PID恒壓供水係統供水後,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。

 

基於PID控製的恒壓供水係統硬件設計

 

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