调研报告
一．国内、外发展现状
随着城市的发展，人们的居住环境越来越集中，加之生活个性化的发展，使得城市供水
系统的负荷变化很大。以前大多采用传统的水塔、高位水箱或者是气压增压设备，但都必须
有水泵以高出实际用水高度的压力来"提升"水量，增大了水泵的轴功率和功耗。 80年代末
期，晶体管型交流电机变频调速技术用于更新改造传统供水设备，使我国供水行业的技术装
备水平从 90年代初开始经历了一次飞跃。随着科学技术的进步以及大规模集成电路和微机技
术的突飞猛进，交流电机变频调速技术已日趋完善，变频调速器用于交流异步电动机调速， 其性能胜过以往任何一种交流调速方式，而且结构简单，因而成为交流电动机调速的最新潮 流。基于此种原因，本文设计了交流变频调速恒压供水系统，实现水泵电气无级调速，依据 用水的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用户用水要
求 [1]、 [4] 。
二． 供水系统的特点：
供水系统一般可以分为居民生活用水和一般工农业用水两部分，由于一般工农业用水量
变化不大，它可以由泵站直接控制流量，不属于本文考虑的范围。居民生活用水有以下几个
显着特点 :
(1)用水变化量大。居民区生活用水高峰期一般在早、中、晚三餐前后，低谷期一般在午夜以
后，两者差别很大，用水时不均系数一天内可达 10，考虑季节变化一年内可达 20[1]。
(2)对水压的要求比较高。供水系统希望根据流量的变化调节水压，它们之间的关系式如下：
式中 : H -----水泵扬程
Q -----水网用户要求的用水量
HZ ----水网中最不利供水点要求扬程
Sh ----管道水头损失
K2 -----流量系数，由管网本身决定
不同水网有不同的关系曲线，该曲线中 Sh 的曲率与管网的设计有关。若供水压力低于这条曲
线，将有些地方供不上水，高于它又将增加能耗。这些都不满足用户的要求。另外，即使在
用水量逐渐降至零时仍维持水压 K2 [1] 。
关系曲线
(3)流量基本上由用户控制。泵的出口阀门控制流量，而阀门又由用户控制，调速泵对流量的
调节只能随用水量的变化而变化 [1] 。
三．本课题的来源及意义：
在恒压供水技术出现以前， 出现过许多供水方式。 这些供水方式并不是在时间上由后向前逐渐互
相取代的，而是随着更先进的供水方式的出现，同时又有许多落后的供水方式并存的。下面就逐一分
析：
(1) 一台恒速直接供水系统：
这种供水方式是由水泵从蓄水池中抽水加压并直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从
城市公用水网中抽水，严重影响城市供用水网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的 可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重水压不稳，供
水质量极差。
可见水泵消耗的功率与流量无关，但效率只是在水泵额定流量附近区域才最高，流量较小时效率
极低 [3]。
(2)恒速泵加水塔的供水方式 :
这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是使水塔最低水位略高于
系统所需压力。水塔注满水后泵停开，水塔水位低于某一位只是在启动水泵。水泵处于断续工作状态 中。这种供水方式水泵工作在额定流量额定量程的条件下，水泵效率处于高效区。这种方式显然比以 前一种节点，其节点率与水塔容量、水泵额定流量、用水时不均匀稀疏、水泵的开停时间比、开停频 率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大。水压不可调， 不能兼顾近期与远期的需要。而且系统水压不能随流量的减小、系统所需水压下降而下降，故还存在 一些能量损失，而且如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，泵的开停将完全由人操作，就会出现
能量的严重浪费和供水质量的严重下降 [3]。
(3)恒速泵加气压罐供水方式：
这种方式是利用封闭的气压罐式提高为水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开停，罐的占地
面积于水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要得的多，而且气压罐是 密封的，所以大大减少水质因异物进入而被污染的可能性。因此很受欢迎，应有十分广泛。但气压罐
供水方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者进行比较 [3] 。
(4)变频调速恒压供水方式：
工作原理是： 控制器通过检测实际水压值， 比较设定水压值和实际水压值的差别， 按 PID
控制规律运算后，输出控制信号至变频器，变频器则根据控制器的输入信号调节水泵电机的
供电电压和频率 [2] 。
当用水量增加时，控制器控制变频器使电动机的电压和频率加大，水泵转速升高，出水
量增加；当用水量减少时，控制器控制变频器使电动机的电压和频率降低，水泵转速下降，
出水量减少。通过这种控制方式，就可以使自来水管道压力保持在设定值上 [2] 。
由于变频器的价格较高，变频调速恒压供水系统通常采用多台水泵并联运行，几台水泵
共用一台变频器。工作时，控制器根据用水量的大小，控制配电系统自动选择所需投入运行 的水泵数量，一般方法是保持其中一台水泵处于变频器控制下，其它水泵则根据供水量的变
化，在工频下全速运行或停机待命 .[2]
变频调速是在节能效果上明显优于气压罐式。气压罐式依靠压力罐中的压缩空气送水，
气压罐配套水泵在运行时，是在额定转速、额定流量的条件下。当系统所需水量下降时。供 水压力超出系统所需压力而造成能量的浪费。同时水泵是满频率启动，且启动频繁，又会造 成一定的能耗。而变频调速适当系统用水量下降时可无极调节水泵转速，是供水压力与系统 所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，气压罐式的耗钢量较大，这也是其一个较大的
缺点，气压罐使用钢材制造，一般情况下建筑面积
罐 2 个。这样如果在全国推广气压罐式供水系统，这对我国来说将是一项较大的投入。而变
频调速供水系统的变频器是以太由微机控制的电器设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时
4.0 万平方米需安装
1.5m， L2.5m 得气压
由于气罐体积大，一般数量多为 2-3 个，这样占地面积一般为几十平米。而变频调速式中的
调速装置站的面积仅为零点几平米。由此将带来土建投资的节省。在运行效果上，气压罐式
与调速时相比也存在着一定差距。气压罐式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于
气压罐的调节容积仅占其总容积的 1/3-1/6，因而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的
启动来保证供水，这样将产生较大的噪声。而且电视图像受到严重干扰，严重影响居民的生
活。 同时由于启动过于频繁， 压力不稳， 加之硬启动， 电气和机械冲击较大， 设备损坏很快，
管网和卫生设备也因压力过高增加了水量泄漏。调速式的运行十分稳定可靠。没有频繁的启
动现象， 加之启动方式为软启动设备运行十分平稳， 避免了电气、 机械冲击。 由于压力稳定，
小区管网和卫生设备的泄漏水量明显降低，噪音、振动下降，电视图像也不再受干扰，周围 居民也不再受影响。而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了气压罐中由于
气水接触、隔膜雨水接触而可能造成的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠 [3] 。
由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资，调节
能力大、运行稳定可靠的优势，具有明显的经济效益和社会效益。所以本课题具有较高的实
用价值 [3] 。
三．研究内容：
采用系列单片机实现对恒压供水系统的自动控制，供水系统采用三泵循环，变频器软启
动并自动调压，并具有显示系统状态的功能。
四．毕业设计的研究目标：
通过查阅资料，研究出以单片机为核心的实用控制电路，并进行调试。可以用显示电路
进行对水压和三泵工作状态的显示，而且要有完善的保护、互锁功能，运用三泵循环达到对
水压的连续控制。
五．研究手段和方法：
使用单片机开发系统和示波器对涉及电路进行硬件和软件的设计以及调试。
六． 可行性方案分析：
现在最常用的有三种方式。
（一） PLC 实现造价高、模拟量输入、输出需要单独设置、但其可靠性强。
（二）而用单片机实现造价低，而且模拟量输入、输出可用各种门电路连接得出，但单
片机实现的系统易受外界电磁干扰的影响，可是考虑到恒压供水系统结构较为简单，且其工 作环境的电磁干扰较少，因此单片机的可靠性也可以满足要求。故，本课题我较为倾向使用
单片机控制。
作为单片机，它具有如下特点：
(1) 可靠性好， 芯片本身是按工业测控环境要求设计的， 其抗工业噪声干扰优于一般通用 CPU：
程序指令及常数、表格固化在 ROM 中不易破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高
[3] 。
(2) 易扩展。 片内具有计算机正常运行所必需的部件。 芯片外部有许多供扩展用三总线并行、
串行输入输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 [3]
(3) 控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有机丰富的条件分支转
移指令、 I/O 口的逻辑操作以及为处理功能。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度
均高于同一档次的微处理器 [3] 。
(4) 价格便宜也是重要的。但需专门汇编语言开发，开发周期较长 [3] 。
（三）用门电路也可以搭出控制电路，这样做造价更低，但稳定性、可靠性最差。
我的初步设想分为四部分：
1） 输入通道的设计：将水压传感器的水压测量值送入 A/D 转换器，转化为数字量，并接收
此信号。
2） 输出通道的设计：讲经运算处理后的数字量送往 D/A 转换器，转换器的模拟量，作为变
频其的频率给定，来控制水泵电机的转速。
3） 开关量控制电路的设计： 是用来控制电机的起停的。 比如说， 在第一台电机工作在工频、
第二台由变频器控制，但此种工作状态的水压不够，这时需使一、二台电机都工作在工
频，将第三台由变频器控制。这时此部分电路就将第三台开启。
4） 显示部分设计：用来显示水压和三台电机的运行情况。实验条件：
七．实验条件：
89C51CPU 芯片、各种数字集成芯片、开发系统、示波器。
八． 进度计划：
在前三周完成对本课题相关资料的阅读，书写进度计划表和调研报告，完成一片不少于三千汉字
的外文翻译，第四周和第五周用来熟悉恒压供水系统的基本原理，第五周第六周熟悉单片机的原理， 第七周和第八周用来完成总体方案的硬件设计，第九周和第十周用来完成软件部分的设计，十一周和
十二周进行仿真试验，十三周和十四周整理材料，完成论文并准备答辩。
九．参考文献 :
[1] 赵宝永 .模糊控制技术在变频调速恒压供水系统中的应用研究 [J].辽宁工程技术大学硕
士学位论文， 2003-12-01： 1-5
[2] 匡和碧、 李美锋 .单片机在变频调速恒压供水系统中的应用 [J].现代电子技术 ,2006-02-28
[3] 楼然苗． 51 系列单片机设计实例．北京航空航天大学出版社． 2002 年
[4] 吴肖甫、 王小海、 祁才君。 恒压供水系统控制策略及其实现。 浙江大学学报 （理工版） ，
2002， 29（ 6）： 652~657
[5] 孙育才 .《 MCS-51 系列单片位型计算机及其应用》 [M]. 东南大学出版社；
[6] 刘凤君 . 正弦波逆变器 [M] . 科学出版社 . 2002
[7] 胡汉才．单片机原理及其接口技术、清华大学出版社， 1996
[8] 王兆安、黄俊 ??. 电力电子技术． 机械工业出版社． 2003 年
[9] 叶斌 .电力电子应用技术及装置．机械工业出版社． 1999 年
[10]克强．用 AT89C2051 单片机制作洗衣机控制电路．电子世界 |
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