某生活小區(qū)原供水系統(tǒng)依靠閥門實現(xiàn)水量控制，水泵在額定狀態(tài)下運行，機械磨損較大，使用成本高。通過采用GE300和變頻器組合的控制系統(tǒng)改造，完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及參數(shù)設(shè)置，能自動控制水泵投入的臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，達到恒壓供水目的。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力恒定，機械損耗小，節(jié)能效果顯著等優(yōu)點。

近幾年，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能優(yōu)勢越來越明顯，成本也相應(yīng)降低，傳統(tǒng)的供水控制系統(tǒng)正逐步被變頻系統(tǒng)取代。

以某高層的生活小區(qū)為例，小區(qū)內(nèi)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(qū)高樓層進行加壓供水，水泵電機采用自耦降壓啟動，工頻運行，水泵的出口閥采用全開閥、半開閥及開停泵控制方法，長期處在工頻額定狀態(tài)下的水泵用電成本高，機械磨損和設(shè)備故障增加，壽命縮短，因此，有必要對供水控制系統(tǒng)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(gòu)成的控制系統(tǒng)開始推廣應(yīng)用，該系統(tǒng)能優(yōu)化控制水泵的調(diào)速運行，自動調(diào)整水泵的運行臺數(shù)，實現(xiàn)供水壓力恒定功能。

本文介紹由GE300和變頻器構(gòu)成的恒壓供水控制系統(tǒng)的改造設(shè)計方案，通過完成控制系統(tǒng)框圖、設(shè)備的選型、軟硬件設(shè)計及參數(shù)設(shè)置，最終完成供水控制系統(tǒng)的升級改造。

1 恒壓供水控制系統(tǒng)改造方案

小區(qū)內(nèi)用水量的大小變化頻繁，為了保證管網(wǎng)內(nèi)水壓恒定，將對兩臺水泵進行變頻調(diào)速控制，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)改造設(shè)計框圖如圖1所示，主要由微機給水控制器（GE300）、變頻器、控制柜及遠傳壓力傳感器等部件組成恒壓供水控制系統(tǒng)，GE300和變頻器為恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，控制方式由轉(zhuǎn)換開關(guān)進行切換，選擇手動或自動，水泵電機采取“先開先?！痹瓌t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(jīng)過變換為標(biāo)準4～20mA連續(xù)電流信號送到GE300，并與設(shè)定的壓力值進行比較運算，依據(jù)偏差情況進行模糊控制運算后，由GE300的輸出模塊輸出邏輯控制指令，控制水泵的運行臺數(shù)，同時根據(jù)指令變頻器控制每臺水泵進行軟啟動或變頻運行。

圖1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)方案框圖

2 主要硬件器件

2.1 GE300

GE300是控制系統(tǒng)的核心，主要功能是接收檢測數(shù)據(jù)信號進行自動運算并發(fā)出相應(yīng)的控制指令。GE300外圍端口接線如圖2所示，數(shù)字輸出端子R1～R8能輸出3A/250V(AC)或5A/30V(DC)電信號,直接驅(qū)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(zhuǎn)換為0～2.5V或4～20mA信號輸入到GE300的IN與GND端子，與設(shè)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(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，可選擇自動轉(zhuǎn)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。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖2 GE300外圍端口接線

2.2 變頻器

根據(jù)負載的性質(zhì)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，該變頻器屬于開環(huán)矢量控制型，采用TI公司最新款高性能32位電機控制專用數(shù)據(jù)處理器TMS320F2810，高速、準確完成復(fù)雜的控制算法，精度達到0.01Hz，頻率在0.5～600Hz范圍可調(diào)，能承受180%電機額定轉(zhuǎn)矩的沖擊負載。

當(dāng)負載發(fā)生突變、快速加減速時，變頻器也不發(fā)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(shè)備聯(lián)動操作，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機、水泵、數(shù)控機床等設(shè)備作業(yè)。

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(shù)關(guān)系的滑線電阻式發(fā)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(yīng)的電信號，輸出的電信號傳至遠端的GE300，以實現(xiàn)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(yīng)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 基于GE300變頻恒壓供水控制系統(tǒng)改造設(shè)計

3.1 硬件電路

基于GE300變頻恒壓供水控制系統(tǒng)主要由GE300和變頻器根據(jù)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(diào)整水泵的運行狀態(tài)，并輸出相應(yīng)指示或報警。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)電路如圖3所示，該控制系統(tǒng)設(shè)有轉(zhuǎn)換開關(guān)SA，當(dāng)選擇手動狀態(tài)時，通過按鈕SB1～SB4分別控制兩臺水泵工頻運行及停止，這主要用于定期檢修或變頻器故障時臨時供水使用；

當(dāng)選擇自動狀態(tài)且系統(tǒng)檢測處于正常時，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(jīng)過變送器傳送至GE300，與預(yù)先在面板設(shè)定的壓力值進行比較，通過GE300內(nèi)部運算和信號輸出，調(diào)節(jié)變頻器輸出的頻率，進而改變電機轉(zhuǎn)速；

當(dāng)小區(qū)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(shè)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#水泵電機軟啟動處于變頻運行；當(dāng)小區(qū)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(xù)變頻運行。

因此，系統(tǒng)能根據(jù)用水量大小自動改變水泵運行的臺數(shù)，以及水泵工頻與變頻之間的循環(huán)切換，使管道供水壓力始終保持為設(shè)定值。GE300控制兩臺水泵運行狀態(tài)表1。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)操作面板和接線圖如圖4所示。#p#分頁標(biāo)題#e#

表1 兩臺水泵運行狀態(tài)圖3 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)電路圖4-1系統(tǒng)操作面板圖4-2系統(tǒng)接線圖

3.2 軟件設(shè)計

依據(jù)恒壓供水操作特點及要求，GE300根據(jù)外部信號輸入，判斷管道當(dāng)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(tài)。恒壓供水系統(tǒng)控制程序的主要流程如圖5所示，當(dāng)供水控制系統(tǒng)選擇在自動狀態(tài)運行時，該系統(tǒng)先對水位、水壓和變頻器進行自動檢測，判斷參數(shù)是否超限或設(shè)備是否故障，并作出相應(yīng)報警處理。

若該控制系統(tǒng)處于正常運行時，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(shè)定壓力值比較，判斷變頻器是否進入休眠狀態(tài)。當(dāng)變頻器輸出上限頻率時，實際水壓值還不能達到設(shè)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(dāng)變頻器輸出下限頻率時，實際水壓值超過設(shè)定值時，按“先開先停”原則，GE300輸出信號將當(dāng)前1#工頻運行的水泵退出，2#水泵變頻運行。

圖5 恒壓供水系統(tǒng)控制程序的主要流程

3.3 變頻器功能參數(shù)設(shè)置

變頻器的主要功能參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 變頻器的主要功能參數(shù)設(shè)置

4 應(yīng)用效果

4.1變頻節(jié)能

供水系統(tǒng)的兩臺水泵采用11kW的電機，根據(jù)小區(qū)用水量的變化，穩(wěn)定運行一段時間后測試的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 工頻與變頻運行測試數(shù)據(jù)

由變頻和工頻運行數(shù)據(jù)對比可知，使用變頻器后提高了電機的功率因數(shù)，減小了輸入電流，降低了運行頻率，節(jié)能效率約為30% 左右。若設(shè)備每年按360天，每天運行24小時，電費0.8元/kWh，采用變頻調(diào)速改造后，大約每年可節(jié)約電費2.3萬元。

4.2 控制優(yōu)點

（1）具有手動和自動控制功能。當(dāng)變頻器等設(shè)備故障檢修時，可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)從切換自動狀態(tài)到手動狀態(tài)，控制水泵的啟停，保障小區(qū)的供水。

（2）啟停和調(diào)速平穩(wěn)。變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速特點可實現(xiàn)了小區(qū)供水的壓力平穩(wěn)，減少了對電網(wǎng)的沖擊和機械的損耗。

（3）供水壓力穩(wěn)定。根據(jù)小區(qū)供水要求在GE300面板上設(shè)定供水壓力值，系統(tǒng)采用閉環(huán)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(wěn)定到設(shè)定值,實現(xiàn)小區(qū)恒壓供水的目的。

5 結(jié)論

基于GE300的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，通過自動調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速或循環(huán)切換水泵投入/ 退出運行，使管道供水壓力保持恒定，保證小區(qū)供水質(zhì)量。運行結(jié)果表明，變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，水泵電機啟動時電網(wǎng)沖擊小，機械設(shè)備故障較少，系統(tǒng)的操作方便，工作可靠性高。因此，小區(qū)供水控制系統(tǒng)的改造設(shè)計對于節(jié)能和改善供水質(zhì)量上有著重要的實際意義。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于GE300變頻恒壓供水控制系統(tǒng)改造設(shè)計”，作者為陳元招。）#p#分頁標(biāo)題#e#