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浅谈基于AI控制器的校园恒压供水系统

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  摘 要:本文介绍了一种利用AI智能控制器及变频器为核心的变频恒压分程供水系统,系统主要由四个部分构成,供水管道压力传感器、离心泵、变频器及AI智能控制器。通过检测管道供水压力利用AI智能控制器驱动变频器控制主副水泵转速实现供水管道恒压控制,提高了供水压力的稳定性,避免了二次水箱供水水质污染问题,并且实现了节约电能和节水的目的。
  关键词:变频器;分程控制;恒压供水
  随着高校招生规模不断扩大,在校学生人数逐年升高在很多高校已接近饱和,特别是一些办学历史较长的学校,由于来不及扩建更新硬件设备导致校园供水系统陈旧供水设备老化,特别是供水集中的宿舍区域,仍然采用老式的楼顶水箱二次供水系统,而现实问题是宿舍顶楼二次水箱的清洗、维修和水质监管,缺乏有效的管理,这就埋下了饮水安全隐患,出现二次污染现象。经调查采用二次水箱供水的高校宿舍水质逐年恶化,通过提取水箱供水样品发现部分出现浊度、细菌总数、PH等指标不合格现象。同时,采用传统二次水箱供水,当学生宿舍用水量发生变化时供水水压也会随之波动,特别是楼层高的宿舍压力波动更加明显。这些将直接影响到学生宿舍的供水质量,甚至可能会影响学生身体健康。为了有效减少楼顶水箱供水的二次污染,提高供水水压稳定性,可以通过引入变频器恒压供水系统的方法来解决。本文提出的恒压供水系统主要由AI智能控制器、供水管道压力传感器、变频器及水泵组成,在用水量不超过主泵出水量时由变频器控制主泵供水保压,当用水量超过出水量时,通过压力传感器感知管内流体压力下降时,经分析运算后,智能控制器同时输出信号给变频器控制两台水泵工作,提高供水压力。由变频器控制水泵运行并根据用水量调节水泵台数,从而大幅度地提高供水稳定性,节约电能和节水,同时由于改造后的供水系统是全封闭的,这样也可以解决传统二次水箱供水的污染问题。
  1.控制方案设计
  变频恒压供水系统将管网出口压力传感器检测的水压信号反馈回AI智能控制器,通过与控制器内置的压力给定值比较,经过PID运算输出控制信号到变频器外部控制端子,再由变频器控制水泵电机转速保证供水需求。因此,通过控制水泵电机转速就可以调节管道出口压力的大小从而满足用户的用水需求,实现恒压控制。
  通过安装在管网出口位置的管道压力传感器,将压力信号转换成4-20mA的标准电信号,经过反馈输入到AI智能控制器中与内置的给定值比较进行PID运算,输出标准电信号4-20mA并经转换装置转换为1-5V电压信号到主副变频器,控制器输出的电压信号按照0-50%和50%-100%分成两段,其中主泵变频器内部设置接收1-3V电压信号对应变频器输出0-50Hz,副泵变频器内部设置接收3-5V电压信号对应输出0-50Hz。这种将一个控制器的输出分成若干段,由各个信号段去控制相应执行器的系统成为分程控制系统。在用户相对较少的情况下,控制器驱动主泵变频器控制主泵电机工作,当用户增加主泵满负荷工作仍不能稳定压力时副泵变频器启动控制副泵电机工作,从而增大管网出口压力。
  2.设备选型
  变频恒压供水系统主要由四个部分构成,AI智能控制器、流体输送设备、供水管道压力传感器及变频器。
  2.1 AI智能控制器
  本系统控制装置采用宇电AI智能控制器,型号为AI-818A。AI智能控制器是厦门宇电公司设计的人工智能控制器,该仪表采用先进的模块化结构提供多种输出规格,由于仪表采用了数字化输入校正系统,其测量精度高达0.2级,使其广泛适合温度、压力、流量、液位等变量的精准控制。在通讯方面,仪表装有自带隔离电源的光电隔离型RS485通讯接口,这使得该仪表可以和其他智能设备以及上位机进行通讯。
  2.2 流体输送设备
  由于离心泵具有体积小、流量大、维修简便、效率高等优点,故此恒压供水系统中多选择离心泵作为流体输送设备。离心泵主要由泵体及叶轮构成。叶轮安装在电动机所带动的转轴上。通过电动机传动轴带动叶片旋转,在进口处形成负压,流体吸入并在离心力的作用下排除泵外。离心泵的功率可根据国家《建筑给水排水设计规范》选择,其中定义了水泵功率=流量×扬程×密度×重力加速度,此外还要考虑到水泵的工作效率在70%左右,以及电机安全系数设置等问题。
  2.3 压力传感器
  恒压供水系统管道压力检测选用扩散硅压力传感器,其核心是扩散硅敏感元件,管道压力作用于传感器时使扩散硅制成的惠斯登电桥失去平衡,从而产生了一个与压力成正比的输出电压,在经过变送器转换成标准的4-20mA直流信号。
  2.4 变频器
  变频器是一种通过改变供电频率从而调节交流电机转速的装置,主要应用在三相异步电动机调速。由于变频调速可以降低电机启动电流,实现无极调速,因此具有变频节能的作用,被广泛使用在风机、水泵调速系统中。
  3. 运行与调试
  根据供水工艺要求及变频恒压供水系统结构框图完成供水管网的铺设及电气控制设备的安装,再结合包括宿舍区供水流量、楼层高度、水泵功率、压力变送器量程等工艺参数,合理设置AI智能控制器及变频器参数。本系统采用分程控制方案,主副变频器作为执行部分分别接收来自AI智能控制器输出的分段控制信号,根据信号大小改变输出频率。AI智能控制器PID参数采用工程整定方法确定,其中,P为速率参数类似PID调节器的比例系数,数值越大,比例、微分作用成正比增强,反之减弱;M5为保持参数与参数PID调节的积分时间相同;T为滞后时间,与PID调节中微分时间作用相同。恒压供水系统要实现无静差控制,因此控制规律选择PI控制,P选择30~70%,M5选择24~180s。
  结论
  基于AI智能控制器的变频恒压供水系统可以有效改善传统二次水箱供水存在的二次污染及供水压力波动等问题,由于采用变频器控制水泵电机,实现了无级调速,降低了启动电流,从而大幅度地提高供水稳定性,节约电能和节水。
  参考文献:
  [1] 厉玉鸣,化工仪表及自动化,化学工业出版社
  [2] AI人工智能工业调节器中文说明书(V7.0),厦门宇电
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