社区恒压供水系统AI人工智能工业调节器的应用———社区恒压供水

摘要：主要介绍由AI人工智能工业调节器、可编程序控制器（PLC）和变频器构成的恒压供水系统在社区供水中的应用。阐述恒压供水系统的设计方案和控制原理。
  Mainy introduce the application in constant pressure water supply system which contain AI- Process controller、Programmable logic controller（PLC） and frequency converter. Explain the design and control principle of constant pressure water supply system
  关键词：恒压供水；AI人工智能工业调节器；变频器；可编程序控制器（PLC）
  Key word: constant pressure water supply, Process controller, frequency converter, PLC, Programmable logic controller
  1、 引言：
  恒压供水系统具备结构简单、性能可靠、运行稳定、性能指标高等优点，已经广泛的应用在工业和居民用水的供水系统中。
  最初设计时考虑使用传统PID控制，但由于供水系统压力变化较大，具有不确定性，采用传统PID算法控制压力动态特性指标很难达到理想效果。经过几个现场的勘察，发现模糊控制算法较传统PID算法有明显的优势，效果更为理想。最终选择了采用模糊控制算法的AI-808人工智能工业调节器作为主控制器，结合可编程序控制器（PLC），变频器，实现了整个社区的居民供水。
  
  2、 社区供水系统的设计：
  社区的供水系统有别于工业供水系统，在设计上的考虑点也不一样。工业用水在水的使用上没有明显的时间特征，而居民用水则不然，白天和晚上，周末和平常上班时间都有明显的差异。所以在居民用水的设计上要充分考虑系统的时间特性。
  为保证恒压供水系统的节能和稳定性，在供水系统中设计三个供水泵，分别为小功率水压维持泵，常用大功率泵和备用泵。在用水高峰期时，启动大功率泵在公频状态下工作，再附加小功率泵维持水压；在正常使用情况下启动正常的供水泵就可以维持而且很好的保证水压；而用水量小的时候，只需使用小功率维持泵，即可让水压恒定。
  此外，还需考虑在深夜无人用水的情况：通过可编程序控制器（PLC）的时钟继电器，在某个时刻停止水泵，并且在设定时间内，只有出现下限报警的时候才能使水泵启动；或者，通过变频器设置一个平衡频率，当变频器的频率低于此平衡频率时，泵不动作，从而避免当压力和变频器达到一定的平衡时，水泵出现空转现象。
  在电气部分的设计上还需选用接触器控制启动、停止，空气开关、热继电器作为过流或超载保护。
  
  3、工作原理
  下图为恒压供水的原理框图（图1）：
  
  
  系统由调节器、可编程序控制器、变频器、供水泵、阀门和压力变送器构成。为了节约成本，选择一台变频器带三台供水泵的模式，在用水高峰期如果大功率供水泵无法满足要求，在可编程序控制器里设定将大功率供水泵切换为公频状态工作，由压力维持泵调节压力。在正常的工作情况下为了防止泵的堵塞，还要不定时的让供水泵切换运行下，这也可以通过可编程序控制器来实现。备用泵在大功率泵故障或检修的时候使用。
  管道的压力经压力变送器传送至调节器，经调节器调节运算后，将控制输出信号（一般为4-20MA）送到变频器控制输入端，通过调节供水泵的电机转速达到控制压力的目的。
  系统运行的时候，变频器只控制其中一台泵，若在50Hz的情况下仍不能满足要求，可编程序控制器将会把其中一台泵切换到公频状态工作。
  
  4、设备的选取
  1）调节器
  在经过大量的实地考察和实验测试，最终选择了厦门宇电自动化科技有限公司生产的AI-808型人工智能工业调节器作为主调节器。整体型号为：AI-808AI4X3L5L，主要技术特征：0.2级精度，带手/自动控制功能，模糊控制算法，多分度输入，多种控制输出（在此选择4-20mA输出）和多种报警输出。更重要的是厦门宇电自动化科技有限公司还提供5年的免费维修。
  2）可编程序控制器（PLC）
  选用欧姆龙公司CP1H系列可编程序控制器，输入，输出均为开关量信号，由于可编程序控制器只完成水泵的自动切换等逻辑功能，所以不选择模拟输入/输出模块，从而节省一部分成本，系统的压力由AI-808型人工智能工业调节器完成，其算法远优于可编程序控制器的PID算法，在控制过程中如果出现压力超低限或超高限报警可以利用可编程序控制器（PLC）的逻辑关系对水泵进行强制切换启动或强制停止。
  3）变频器
  变频器选择施耐德专门为控制泵和风机开发的ATV61系列节能型变频器；内置多泵可编程卡，适合一个变频器带多个水泵使用。可通过AI-808仪表调节输出信号或外置手动电位器（仪表本身含有手动功能，外加电位器只是防止仪表在故障状态下也能保证水压控制）对变频器的频率进行控制。
  4）控制盘面
  系统的控制盘面（控制台）设计需要兼顾手动/自动两种控制模式，当主控仪表AI-808故障或系统需要手动控制的时候，可以将控制盘面切换到手动控制模式，在手动控制模式下；每台水泵或阀门都可以独立开启或关闭，变频器也可以通过盘面的电位器手动调节频率的大小。在自动控制模式下；通过操作面板启动开关后，所有控制由AI-808仪表和可编程序控制器合作完成。另外，考虑到检修或水泵故障，盘面还有水泵启动选择开关。盘面布置除了可编程序控制器、AI-808调节器、液位监测仪表，网管压力监测仪表和频率显示仪表。
  
  5、主控参数设置和可编程序控制器的程序设置
  1） 主控仪表AI-808的参数设置
  在恒压供水系统中，除了水压的稳定控制之外，设置报警也是很重要的；因为系统出  
  故障后都是通过水压来反应出来的，其参数设置如下：
  HIAL：上限报警；当实际测量压力超过上限报警值以后，仪表输出开关量给可编程序控制器（PLC）。
  LOAL：下限报警；当实际测量压力低于下限报警值以后，仪表输出开关量给可编程序控制器（PLC）。
  dHAL：正偏差报警；系统可以根据此报警进行水泵的切换；
  dLAL：副偏差报警；系统可以根据此报警进行水泵的切换；
  DF：回差；用于避免因测量值波动而引起的继电器频繁动作，
  CTRL：控制方式，社区恒压供水经验参数：4
  M5：保持参数；社区恒压供水经验参数：5
  P：速率参数；社区恒压供水经验参数：4
  T：滞后时间；社区恒压供水经验参数：1
  CTL：输出周期，模拟量输出一般设置为：1
  Sn：输入规格，确定输入信号的种类，由于现场使用的是二线制压力变送器，设置Sn=15；
  DIP：小数点选择：在此系统中，反应压力以Mpa计算所以DIP=3；
  DIL：输入下限显示值；规定4-20mA输入信号4mA输入时对应的显示值；
  DIH：输入上限显示值；规定4-20mA输入信号20mA输入时对应的显示值；
  CF：系统功能选择，用于确定调节的正反作用等等，此处设置为0；
  2） 可编程序控制器（PLC）的程序设定
  在整个控制过程中，可编程序控制器（PLC）主要用于报警处理和定时对水泵的切换，所以程序的编写也很简单，主要是一些开关量的处理；编程的时候，当控制仪表输出报警信号的时候可编程序控制器输出继电器信号将变频器切换的固定频率输出，这个固定频率可以是现场的一个经验值，可以维持供水的频率；当可编程序控制器（PLC）接收偏差报警的信号，进行水泵之间的切换；当接收到电路中热继电器给出的信号，则发出警报信号提醒值班人员对水泵进行检测。
  6 结论
  采用厦门宇电自动化科技有限公司生产的AI-808型智能人工调节器结合欧姆龙公司的
  CP1H可编程序控制器构成的恒压供水系统，已经在多个社区使用，经过长时间的使用情况表明：
  1） 采用AI人工智能工业调节器的模糊控制结合可编程序控制器，达到了较好的动态和稳态指标，对系统压力的调节具有恢复时间快、超调小，系统稳定性高等优点，
  2） 采用单台变频器对多台水泵切换使用降低了系统造价；
  3） 变频器的使用由于具备了软启动等功能，对电网的冲击减小，增加了水泵的使用寿命，同时具备了良好的节能效果；
  参考文献
  （1），AI人工智能工业调节器使用说明书（V7.0）  厦门宇电自动化科技有限公司  周宇
  （2），可编程序控制器应用与实践      清华大学出版社    样公源      黄琦兰