變頻恆壓供水控制系統的改造設計

某生活小區原供水系統依靠閥門實現水量控制，水泵在額定狀態下運行，機械磨損較大，使用成本高。通過採用GE300和變頻器組合的控制系統改造，完成系統的軟硬體設計及參數設置，能自動控制水泵投入的臺數和電機轉速，達到恆壓供水目的。運行結果表明，該系統具有壓力恆定，機械損耗小，節能效果顯著等優點。

近幾年，隨著電力電子技術的迅速發展，變頻調速系統的性能優勢越來越明顯，成本也相應降低，傳統的供水控制系統正逐步被變頻系統取代。

以某高層的生活小區為例，小區內的用水量波動較大，原供水方式是把地下深井抽出的水輸送到專門的蓄水池，再通過水泵對小區高樓層進行加壓供水，水泵電機採用自耦降壓啟動，工頻運行，水泵的出口閥採用全開閥、半開閥及開停泵控制方法，長期處在工頻額定狀態下的水泵用電成本高，機械磨損和設備故障增加，壽命縮短，因此，有必要對供水控制系統進行升級改造。

綜合控制性能和成本的考慮，目前微機給水控制器（GE300）和變頻器構成的控制系統開始推廣應用，該系統能優化控制水泵的調速運行，自動調整水泵的運行臺數，實現供水壓力恆定功能。

本文介紹由GE300和變頻器構成的恆壓供水控制系統的改造設計方案，通過完成控制系統框圖、設備的選型、軟硬體設計及參數設置，最終完成供水控制系統的升級改造。

1 恆壓供水控制系統改造方案

小區內用水量的大小變化頻繁，為了保證管網內水壓恆定，將對兩臺水泵進行變頻調速控制，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數。變頻恆壓供水控制系統改造設計框圖如圖1所示，主要由微機給水控制器（GE300）、變頻器、控制櫃及遠傳壓力傳感器等部件組成恆壓供水控制系統，GE300和變頻器為恆壓供水控制系統的核心，控制方式由轉換開關進行切換，選擇手動或自動，水泵電機採取「先開先停」原則進行控制。

若選擇在自動控制方式下運行時，壓力傳感器實時檢測管道的壓力值，經過變換為標準4～20mA連續電流信號送到GE300，並與設定的壓力值進行比較運算，依據偏差情況進行模糊控制運算後，由GE300的輸出模塊輸出邏輯控制指令，控制水泵的運行臺數，同時根據指令變頻器控制每臺水泵進行軟啟動或變頻運行。

圖1 變頻恆壓供水控制系統方案框圖

2 主要硬體器件

2.1 GE300

GE300是控制系統的核心，主要功能是接收檢測數據信號進行自動運算並發出相應的控制指令。GE300外圍埠接線如圖2所示，數字輸出端子R1～R8能輸出3A/250V(AC)或5A/30V(DC)電信號,直接驅動工頻運行和變頻運行的接觸器線圈。

通過壓力傳感器實時檢測管道的壓力信號轉換為0～2.5V或4～20mA信號輸入到GE300的IN與GND端子，與設定的壓力值比較；CT1～CT4 與CM2是光耦高阻輸入端，嚴禁接入電源信號。當變頻器出現故障時，可選擇自動轉入工頻運行，同時保護及報警功能齊全，在變頻器故障、遠傳壓力表斷線、短路故障、欠壓超時及低水位時，具有報警指示功能。

圖2 GE300外圍埠接線

2.2 變頻器

根據負載的性質和水泵電機的功率大小，選擇正弦系列G、P合一型的SINE303-011G/015P變頻器，該變頻器屬於開環矢量控制型，採用TI公司最新款高性能32位電機控制專用數據處理器TMS320F2810，高速、準確完成複雜的控制算法，精度達到0.01Hz，頻率在0.5～600Hz範圍可調，能承受180%電機額定轉矩的衝擊負載。

當負載發生突變、快速加減速時，變頻器也不發生過流、短路等故障。同時具有靈活的輸入輸出接口和控制方式，能與GE300、PLC、DCS、工控機及儀表等各種外圍設備聯動操作，廣泛應用於風機、水泵、數控工具機等設備作業。

2.3 壓力傳感器

壓力傳感器選用YTZ-150電位器式遠傳壓力表，它主要由一個彈簧管壓力表和一個與被測壓力成一定函數關係的滑線電阻式發送器等組成，安裝在水泵的出水管上，既可直觀測出壓力值，輸出相應的電信號，輸出的電信號傳至遠端的GE300，以實現集中檢測和遠程控制。

遠傳壓力表的紅、黃、藍三根引出線對應接到GE300的GND、IN、+V，其中紅黃兩端的電阻在沒有壓力時為20Ω左右，隨水壓上升電阻值增大，最大為350Ω左右。

3 基於GE300變頻恆壓供水控制系統改造設計

3.1 硬體電路

基於GE300變頻恆壓供水控制系統主要由GE300和變頻器根據管道供水情況輸出信號自動控制接觸器、繼電器、信號燈等電器的動作，進而調整水泵的運行狀態，並輸出相應指示或報警。變頻恆壓供水控制系統電路如圖3所示，該控制系統設有轉換開關SA，當選擇手動狀態時，通過按鈕SB1～SB4分別控制兩臺水泵工頻運行及停止，這主要用於定期檢修或變頻器故障時臨時供水使用；

當選擇自動狀態且系統檢測處於正常時，則GE300的R1端輸出信號控制接觸器KM1動作，同時變頻器軟啟動1#水泵，此時安裝在管道上的傳感器將實測的壓力值經過變送器傳送至GE300，與預先在面板設定的壓力值進行比較，通過GE300內部運算和信號輸出，調節變頻器輸出的頻率，進而改變電機轉速；

當小區用水量較大時，變頻器輸出頻率接近工頻而管道壓力仍達不到設定的壓力值，則GE300的R1端沒有輸出信號，接觸器KM1線圈斷電，而R2和R3端分別輸出信號控制接觸器KM2和KM3動作，使1#水泵由變頻切換到工頻下運行，且2#水泵電機軟啟動處於變頻運行；當小區用水量大大減少時，則GE300的R2端沒有輸出信號，使接觸器KM2線圈斷電，1#水泵工頻運行停止，而2#水泵繼續變頻運行。

因此，系統能根據用水量大小自動改變水泵運行的臺數，以及水泵工頻與變頻之間的循環切換，使管道供水壓力始終保持為設定值。GE300控制兩臺水泵運行狀態表1。變頻恆壓供水控制系統操作面板和接線圖如圖4所示。

表1 兩臺水泵運行狀態

圖3 變頻恆壓供水控制系統電路

圖4-1系統操作面板

圖4-2系統接線圖

3.2 軟體設計

依據恆壓供水操作特點及要求，GE300根據外部信號輸入，判斷管道當前供水的狀況，決定是否要啟動水泵，同時傳送信號到變頻器，通過變頻器控制水泵的運行狀態。恆壓供水系統控制程序的主要流程如圖5所示，當供水控制系統選擇在自動狀態運行時，該系統先對水位、水壓和變頻器進行自動檢測，判斷參數是否超限或設備是否故障，並作出相應報警處理。

若該控制系統處於正常運行時，GE300輸出信號使1#水泵變頻軟啟動，同時檢測頻率和壓力值，與休眠頻率和設定壓力值比較，判斷變頻器是否進入休眠狀態。當變頻器輸出上限頻率時，實際水壓值還不能達到設定值，則GE300輸出信號將1#水泵切換為工頻運行，2#水泵變頻運行。

當變頻器輸出下限頻率時，實際水壓值超過設定值時，按「先開先停」原則，GE300輸出信號將當前1#工頻運行的水泵退出，2#水泵變頻運行。

圖5 恆壓供水系統控制程序的主要流程

3.3 變頻器功能參數設置

變頻器的主要功能參數設置如表2所示。

表2 變頻器的主要功能參數設置

4 應用效果

4.1變頻節能

供水系統的兩臺水泵採用11kW的電機，根據小區用水量的變化，穩定運行一段時間後測試的數據如表3所示。

表3 工頻與變頻運行測試數據

由變頻和工頻運行數據對比可知，使用變頻器後提高了電機的功率因數，減小了輸入電流，降低了運行頻率，節能效率約為30% 左右。若設備每年按360天，每天運行24小時，電費0.8元/kWh，採用變頻調速改造後，大約每年可節約電費2.3萬元。

4.2 控制優點

（1）具有手動和自動控制功能。當變頻器等設備故障檢修時，可以通過轉換開關從切換自動狀態到手動狀態，控制水泵的啟停，保障小區的供水。

（2）啟停和調速平穩。變頻器的軟啟動功能及平滑調速特點可實現了小區供水的壓力平穩，減少了對電網的衝擊和機械的損耗。

（3）供水壓力穩定。根據小區供水要求在GE300面板上設定供水壓力值，系統採用閉環控制，通過變頻器的加減速以及增減泵過程，供水壓力能快速穩定到設定值,實現小區恆壓供水的目的。

5 結論

基於GE300的變頻恆壓供水控制系統，通過自動調節水泵的轉速或循環切換水泵投入/ 退出運行，使管道供水壓力保持恆定，保證小區供水質量。運行結果表明，變頻調速系統節能效果明顯，水泵電機啟動時電網衝擊小，機械設備故障較少，系統的操作方便，工作可靠性高。因此，小區供水控制系統的改造設計對於節能和改善供水質量上有著重要的實際意義。

（編自《電氣技術》，原文標題為「基於GE300變頻恆壓供水控制系統改造設計」，作者為陳元招。）