基于GE300變頻恒壓供水控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

陳元招

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021）

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[1]。以某高層的生活小區(qū)為例，小區(qū)內(nèi)的用水量波動(dòng)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(duì)小區(qū)高樓層進(jìn)行加壓供水，水泵電機(jī)采用自耦降壓起動(dòng)，工頻運(yùn)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(jī)械磨損和設(shè)備故障增加，壽命縮短，因此，有必要對(duì)供水控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。綜合控制性能和成本的考慮，目前微機(jī)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(yùn)行，自動(dòng)調(diào)整水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)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(jì)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(jì)及參數(shù)設(shè)置，最終完成供水控制系統(tǒng)的升級(jí)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(duì)兩臺(tái)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速控制，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要由微機(jī)給水控制器（GE300）、變頻器、控制柜及遠(yuǎn)傳壓力傳感器等部件組成恒壓供水控制系統(tǒng)[2]，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(jìn)行切換，選擇手動(dòng)或自動(dòng)，水泵電機(jī)采取“先開先?！痹瓌t進(jìn)行控制。若選擇在自動(dòng)控制方式下運(yùn)行時(shí)，壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測管道的壓力值，經(jīng)過變換為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA連續(xù)電流信號(hào)送到GE300，并與設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較運(yùn)算，依據(jù)偏差情況進(jìn)行模糊控制運(yùn)算后，由GE300的輸出模塊輸出邏輯控制指令，控制水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，同時(shí)根據(jù)指令變頻器控制每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)或變頻運(yùn)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[3]，主要功能是接收檢測數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)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(hào)，直接驅(qū)動(dòng)工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行的接觸器線圈。通過壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測管道的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～2.5V 或4～20mA 信號(hào)輸入到GE300 的ΙN 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(yán)禁接入電源信號(hào)。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可選擇自動(dòng)轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行，同時(shí)保護(hù)及報(bào)警功能齊全，在變頻器故障、遠(yuǎn)傳壓力表斷線、短路故障、欠壓超時(shí)及低水位時(shí)，具有報(bào)警指示功能。

圖2 GE300 外圍端口接線

2.2 變頻器

根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)和水泵電機(jī)的功率大小，選擇正弦系列G、P 合一型的SΙNE303-011G/015P 變頻器[4]，該變頻器屬于開環(huán)矢量控制型，采用TΙ 公司最新款高性能32 位電機(jī)控制專用數(shù)據(jù)處理器TMS320F2810，高速、準(zhǔn)確完成復(fù)雜的控制算法，精度達(dá)到0.01Hz，頻率在0.5～600Hz 范圍可調(diào)，能承受180%電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的沖擊負(fù)載。當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變、快速加減速時(shí)，變頻器也不發(fā)生過流、短路等故障。同時(shí)具有靈活的輸入輸出接口和控制方式，能與GE300、PLC、DCS、工控機(jī)及儀表等各種外圍設(shè)備聯(lián)動(dòng)操作，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵、數(shù)控機(jī)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(yuǎn)傳壓力表，它主要由一個(gè)彈簧管壓力表和一個(gè)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(hào)，輸出的電信號(hào)傳至遠(yuǎn)端的GE300，以實(shí)現(xiàn)集中檢測和遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)傳壓力表的紅、黃、藍(lán)三根引出線對(duì)應(yīng)接到GE300 的GND、ΙN、+V，其中紅黃兩端的電阻在沒有壓力時(shí)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(jì)

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(hào)自動(dòng)控制接觸器、繼電器、信號(hào)燈等電器的動(dòng)作，進(jìn)而調(diào)整水泵的運(yùn)行狀態(tài)，并輸出相應(yīng)指示或報(bào)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(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過按鈕SB1-SB4分別控制兩臺(tái)水泵工頻運(yùn)行及停止，這主要用于定期檢修或變頻器故障時(shí)臨時(shí)供水使用；當(dāng)選擇自動(dòng)狀態(tài)且系統(tǒng)檢測處于正常時(shí)，則GE300的R1端輸出信號(hào)控制接觸器KM1動(dòng)作，同時(shí)變頻器軟啟動(dòng)1#水泵，此時(shí)安裝在管道上的傳感器將實(shí)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(jìn)行比較，通過GE300內(nèi)部運(yùn)算和信號(hào)輸出，調(diào)節(jié)變頻器輸出的頻率，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)小區(qū)用水量較大時(shí)，變頻器輸出頻率接近工頻而管道壓力仍達(dá)不到設(shè)定的壓力值，則GE300的R1端沒有輸出信號(hào)，接觸器KM1線圈斷電，而R2和R3端分別輸出信號(hào)控制接觸器KM2和KM3動(dòng)作，使1#水泵由變頻切換到工頻下運(yùn)行，且2#水泵電機(jī)軟啟動(dòng)處于變頻運(yùn)行；當(dāng)小區(qū)用水量大大減少時(shí)，則GE300的R2端沒有輸出信號(hào)，使接觸器KM2線圈斷電，1#水泵工頻運(yùn)行停止，而2#水泵繼續(xù)變頻運(yùn)行。因此，系統(tǒng)能根據(jù)用水量大小自動(dòng)改變水泵運(yùn)行的臺(tái)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[5]。GE300控制兩臺(tái)水泵運(yùn)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。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)恒壓供水操作特點(diǎn)及要求，GE300 根據(jù)外部信號(hào)輸入，判斷管道當(dāng)前供水的狀況，決定是否要啟動(dòng)水泵，同時(shí)傳送信號(hào)到變頻器，通過變頻器控制水泵的運(yùn)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(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)先對(duì)水位、水壓和變頻器進(jìn)行自動(dòng)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(bào)警處理。若該控制系統(tǒng)處于正常運(yùn)行時(shí)，GE300 輸出信號(hào)使1#水泵變頻軟啟動(dòng)，同時(shí)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(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)變頻器輸出上限頻率時(shí)，實(shí)際水壓值還不能達(dá)到設(shè)定值，則GE300 輸出信號(hào)將1#水泵切換為工頻運(yùn)行，2#水泵變頻運(yùn)行。當(dāng)變頻器輸出下限頻率時(shí)，實(shí)際水壓值超過設(shè)定值時(shí)，按“先開先?！痹瓌t，GE300 輸出信號(hào)將當(dāng)前1#工頻運(yùn)行的水泵退出，2#水泵變頻運(yùn)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。

4 應(yīng)用效果

4.1 變頻節(jié)能

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

表1 兩臺(tái)水泵運(yùn)行狀態(tài)

表2 變頻器的主要功能參數(shù)設(shè)置

表3 工頻與變頻運(yùn)行測試數(shù)據(jù)

由變頻和工頻運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比可知，使用變頻器后提高了電機(jī)的功率因數(shù)，減小了輸入電流，降低了運(yùn)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(yùn)行24h，電費(fèi)0.8元/kW·h，采用變頻調(diào)速改造后，大約每年可節(jié)約電費(fèi)2.3萬元。

4.2 控制優(yōu)點(diǎn)

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

2）起停和調(diào)速平穩(wěn)。變頻器的軟起動(dòng)功能及平滑調(diào)速特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)了小區(qū)供水的壓力平穩(wěn)，減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和機(jī)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(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速或循環(huán)切換水泵投入/ 退出運(yùn)行，使管道供水壓力保持恒定，保證小區(qū)供水質(zhì)量。運(yùn)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(jī)啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)沖擊小，機(jī)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(jì)對(duì)于節(jié)能和改善供水質(zhì)量上有著重要的實(shí)際意義。

[1] 林紹強(qiáng).變頻調(diào)速恒壓供水的控制原理[J].電氣時(shí)代,2011(7):66-68.

[2] 鄭鵬飛.基于PLC 和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)[J].變頻器世界,2010(12):111-113.

[3] GE300 系列微機(jī)給水控制器使用說明書.

[4] SΙNE303 系列開環(huán)矢量控制變頻器使用說明書.

[5] 胡雪梅,等.變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2011,38(8):63-67.