基于GE300变频恒压供水控制系统改造设计

陈元招

（闽西职业技术学院，福建 龙岩 364021）

近几年，随着电力电子技术的迅速发展，变频调速系统的性能优势越来越明显，成本也相应降低，传统的供水控制系统正逐步被变频系统取代[1]。以某高层的生活小区为例，小区内的用水量波动较大，原供水方式是把地下深井抽出的水输送到专门的蓄水池，再通过水泵对小区高楼层进行加压供水，水泵电机采用自耦降压起动，工频运行，水泵的出口阀采用全开阀、半开阀及开停泵控制方法，长期处在工频额定状态下的水泵用电成本高，机械磨损和设备故障增加，寿命缩短，因此，有必要对供水控制系统进行升级改造。综合控制性能和成本的考虑，目前微机给水控制器（GE300）和变频器构成的控制系统开始推广应用，该系统能优化控制水泵的调速运行，自动调整水泵的运行台数，实现供水压力恒定功能。

本文介绍由GE300和变频器构成的恒压供水控制系统的改造设计方案，通过完成控制系统框图、设备的选型、软硬件设计及参数设置，最终完成供水控制系统的升级改造。

1 恒压供水控制系统改造方案

小区内用水量的大小变化频繁，为了保证管网内水压恒定，将对两台水泵进行变频调速控制，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数。变频恒压供水控制系统改造设计框图如图1所示，主要由微机给水控制器（GE300）、变频器、控制柜及远传压力传感器等部件组成恒压供水控制系统[2]，GE300和变频器为恒压供水控制系统的核心，控制方式由转换开关进行切换，选择手动或自动，水泵电机采取“先开先停”原则进行控制。若选择在自动控制方式下运行时，压力传感器实时检测管道的压力值，经过变换为标准4～20mA连续电流信号送到GE300，并与设定的压力值进行比较运算，依据偏差情况进行模糊控制运算后，由GE300的输出模块输出逻辑控制指令，控制水泵的运行台数，同时根据指令变频器控制每台水泵进行软启动或变频运行。

图1 变频恒压供水控制系统方案框图

2 主要硬件器件

2.1 GE300

GE300 是控制系统的核心[3]，主要功能是接收检测数据信号进行自动运算并发出相应的控制指令。GE300 外围端口接线如图2所示，数字输出端子R1-R8 能输出3A/250V(AC)或5A/30V(DC)电信号，直接驱动工频运行和变频运行的接触器线圈。通过压力传感器实时检测管道的压力信号转换为0～2.5V 或4～20mA 信号输入到GE300 的ΙN 与GND 端子，与设定的压力值比较；CT1-CT4 与CM2 是光耦高阻输入端，严禁接入电源信号。当变频器出现故障时，可选择自动转入工频运行，同时保护及报警功能齐全，在变频器故障、远传压力表断线、短路故障、欠压超时及低水位时，具有报警指示功能。

图2 GE300 外围端口接线

2.2 变频器

根据负载的性质和水泵电机的功率大小，选择正弦系列G、P 合一型的SΙNE303-011G/015P 变频器[4]，该变频器属于开环矢量控制型，采用TΙ 公司最新款高性能32 位电机控制专用数据处理器TMS320F2810，高速、准确完成复杂的控制算法，精度达到0.01Hz，频率在0.5～600Hz 范围可调，能承受180%电机额定转矩的冲击负载。当负载发生突变、快速加减速时，变频器也不发生过流、短路等故障。同时具有灵活的输入输出接口和控制方式，能与GE300、PLC、DCS、工控机及仪表等各种外围设备联动操作，广泛应用于风机、水泵、数控机床等设备作业。

2.3 压力传感器

压力传感器选用YTZ-150 电位器式远传压力表，它主要由一个弹簧管压力表和一个与被测压力成一定函数关系的滑线电阻式发送器等组成，安装在水泵的出水管上，既可直观测出压力值，输出相应的电信号，输出的电信号传至远端的GE300，以实现集中检测和远程控制。远传压力表的红、黄、蓝三根引出线对应接到GE300 的GND、ΙN、+V，其中红黄两端的电阻在没有压力时为20Ω 左右，随水压上升电阻值增大，最大为350Ω 左右。

3 基于GE300 变频恒压供水控制系统改造设计

3.1 硬件电路

基于GE300变频恒压供水控制系统主要由GE300和变频器根据管道供水情况输出信号自动控制接触器、继电器、信号灯等电器的动作，进而调整水泵的运行状态，并输出相应指示或报警。变频恒压供水控制系统电路如图3所示，该控制系统设有转换开关SA，当选择手动状态时，通过按钮SB1-SB4分别控制两台水泵工频运行及停止，这主要用于定期检修或变频器故障时临时供水使用；当选择自动状态且系统检测处于正常时，则GE300的R1端输出信号控制接触器KM1动作，同时变频器软启动1#水泵，此时安装在管道上的传感器将实测的压力值经过变送器传送至GE300，与预先在面板设定的压力值进行比较，通过GE300内部运算和信号输出，调节变频器输出的频率，进而改变电机转速；当小区用水量较大时，变频器输出频率接近工频而管道压力仍达不到设定的压力值，则GE300的R1端没有输出信号，接触器KM1线圈断电，而R2和R3端分别输出信号控制接触器KM2和KM3动作，使1#水泵由变频切换到工频下运行，且2#水泵电机软启动处于变频运行；当小区用水量大大减少时，则GE300的R2端没有输出信号，使接触器KM2线圈断电，1#水泵工频运行停止，而2#水泵继续变频运行。因此，系统能根据用水量大小自动改变水泵运行的台数，以及水泵工频与变频之间的循环切换，使管道供水压力始终保持为设定值[5]。GE300控制两台水泵运行状态表1。变频恒压供水控制系统操作面板和接线图如图4所示。

3.2 软件设计

依据恒压供水操作特点及要求，GE300 根据外部信号输入，判断管道当前供水的状况，决定是否要启动水泵，同时传送信号到变频器，通过变频器控制水泵的运行状态。恒压供水系统控制程序的主要流程如图5所示，当供水控制系统选择在自动状态运行时，该系统先对水位、水压和变频器进行自动检测，判断参数是否超限或设备是否故障，并作出相应报警处理。若该控制系统处于正常运行时，GE300 输出信号使1#水泵变频软启动，同时检测频率和压力值，与休眠频率和设定压力值比较，判断变频器是否进入休眠状态。当变频器输出上限频率时，实际水压值还不能达到设定值，则GE300 输出信号将1#水泵切换为工频运行，2#水泵变频运行。当变频器输出下限频率时，实际水压值超过设定值时，按“先开先停”原则，GE300 输出信号将当前1#工频运行的水泵退出，2#水泵变频运行。

图5 恒压供水系统控制程序的主要流程

3.3 变频器功能参数设置

变频器的主要功能参数设置如表2所示。

4 应用效果

4.1 变频节能

供水系统的两台水泵采用11kW 的电机，根据小区用水量的变化，稳定运行一段时间后测试的数据如表3所示。

表1 两台水泵运行状态

表2 变频器的主要功能参数设置

表3 工频与变频运行测试数据

由变频和工频运行数据对比可知，使用变频器后提高了电机的功率因数，减小了输入电流，降低了运行频率，节能效率约为30%左右。若设备每年按360天，每天运行24h，电费0.8元/kW·h，采用变频调速改造后，大约每年可节约电费2.3万元。

4.2 控制优点

1）具有手动和自动控制功能。当变频器等设备故障检修时，可以通过转换开关从切换自动状态到手动状态，控制水泵的启停，保障小区的供水。

2）起停和调速平稳。变频器的软起动功能及平滑调速特点可实现了小区供水的压力平稳，减少了对电网的冲击和机械的损耗。

3）供水压力稳定。根据小区供水要求在GE300面板上设定供水压力值，系统采用闭环控制，通过变频器的加减速以及增减泵过程，供水压力能快速稳定到设定值，实现小区恒压供水的目的。

5 结论

基于GE300 的变频恒压供水控制系统，通过自动调节水泵的转速或循环切换水泵投入/ 退出运行，使管道供水压力保持恒定，保证小区供水质量。运行结果表明，变频调速系统节能效果明显，水泵电机启动时电网冲击小，机械设备故障较少，系统的操作方便，工作可靠性高。因此，小区供水控制系统的改造设计对于节能和改善供水质量上有着重要的实际意义。

[1] 林绍强.变频调速恒压供水的控制原理[J].电气时代,2011(7):66-68.

[2] 郑鹏飞.基于PLC 和变频器的恒压供水系统[J].变频器世界,2010(12):111-113.

[3] GE300 系列微机给水控制器使用说明书.

[4] SΙNE303 系列开环矢量控制变频器使用说明书.

[5] 胡雪梅,等.变频恒压供水系统的设计与应用[J].电机与控制应用,2011,38(8):63-67.