XXX调研报告

(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，几台水泵共享一台变频器。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万平方米需安装，得气压罐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]。
(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: -----水泵扬程
-----水网用户要求的用水量
----水网中最不利供水点要求扬程
----管道水头损失
-----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 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 [1]。
[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
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：
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]。
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] 吴肖甫学学报（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
(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。
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。
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
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。
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。
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: