直连式加压供水机组以及加泵同频率运转控制方法技术领域
本发明涉及供水机组技术领域，特别涉及一种直连式加压供水机组以及加泵同频
率运转控制方法。
背景技术
随着高层楼房的不断增多，为了满足高层住户的生活供水需求，具有增压作用的
供水机组应运而生，这些设备串接在市政供水管网和用户管网之间。直连式加压供水机组
是其中的一种类型，该种设备具有占地面积小、安装简便、室外室内皆可使用的特点。目前
直连式供水机组以专利文献1(公开号CN104846893A)、专利文献2(公开号CN104846892A)和
专利文献3(公开号CN102116042A)主要涉及到直连式供水现有技术。专利文献1和专利文献
2中，用补偿罐(调节罐)配备负压消除机组，然后与普通水泵、管道阀件组成一套整体的供
水系统，控制系统为常见的管网叠压控制技术；专利文献3中，由立式稳流罐作为进水罐与
普通水泵、阀门管件组成，其中稳流罐取消了负压消除装置，通过进水端和出水端压力传感
器采集信号来防止负压产生。上述三个文献所涉及的控制柜和设备是分开布置，其中控制
柜由PLC、变频器、大量的接触器和继电器组成，空间体积大，系统控制元器件多，触点频繁
切换容易产生故障，不利于设备的稳定运行；设备由进水罐和普通泵组、阀件组成，节能效
果不明显，占地面积大，还需要专门建造泵房，安装繁琐，使用灵活性差。
发明内容
本发明提供一种直连式加压供水机组以及加泵同频率运转控制方法，目的在于直
连式加压供水机组将控制系统和供水系统通过分层方式组合成一个整体，通过单片机控制
模块进行控制，结构紧凑，集成化程度高，占地面积小；加泵同频率运转控制方法通过反馈
信号和自动检测控制投入运转的水泵进行变频运转，节省了成本，提高了供水机组的能源
利用率，让供水更加安全稳定，节能环保。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种直连式加压供水机组，所述直连式加压
供水机组为三层结构，分别为泵组层、管路附件层和控制层，所述泵组层包括若干水泵和用
于驱动所述水泵的电机，所述水泵和所述电机一一对应设置，所述管路附件层用于联通市
政管网和用户管网并用于提供供水管路，管路附件层包括用于检测用户管网一侧压力值的
出水侧压力传感器，所述控制层用于根据出水侧传感器的压力值控制若干水泵的变频运
转，所述控制层包括单片机控制模块和变频功率板模块，
单片机控制模块，耦接出水侧压力传感器和变频功率板模块，用于接收出水侧压
力传感器的压力值，并根据该反馈的压力值发出逻辑指令至变频功率板模块；
变频功率板模块，与所述水泵一一对应设置，每一所述变频功率模块的一端耦接
其中一个水泵，另一端耦接单片机控制模块，用于接收所述逻辑指令控制若干水泵的运转
状态。
作为一种实施方式，所述变频功率板模块包括逆变电路，所述逆变电路耦接所述
电机，所述逆变电路内设有功率管，用于通过对功率管的通断控制产生频率可调的交流信
号，所述交流信号驱动电机进行变频运转；
所述单片机控制模块包括通断逻辑电路，所述通断逻辑电路耦接逆变电路，用于
产生通断信号控制功率管的通断状态。
作为一种实施方式，所述通断逻辑电路包括：
单片机，用于提供给定频率的控制字；
PWM发生器，耦接所述单片机，接收所述的控制字，根据所述控制字输出给定频率
的高低电平信号；
功率管驱动电路，耦接所述PWM发生器和功率管，接收所述高低电平信号，根据所
述高低电平信号控制功率管的通断。
作为一种实施方式，所述水泵的台数小于或等于3台，当所述水泵启动大于等于2
台时，所述变频功率板模块将多个水泵调整为同频率运转。
作为一种实施方式，所述管路附件层包括泵组进水管路、水泵进水管路、水泵出水
管路以及泵组出水管路，其中水泵进水管路和水泵出水管路与水泵一一对应设置，若干水
泵进水管路的公共端与泵组进水管路连接，若干水泵出水管路与泵组出水管路连接，泵组
进水管路与市政管网连接，泵组出水管路与用户管网连接。
作为一种实施方式，市政管网到所述水泵进水管路依次设有进水侧压力传感器、
进水蝶阀、过滤器、倒流防止器，所述进水侧压力传感器耦接所述单片机控制模块。
作为一种实施方式，所述水泵出水管路到用户管网依次设有气压罐、出水侧压力
传感器、出水闸阀。
作为一种实施方式，所述水泵进水管路上设有水泵进口蝶阀，水泵出水管路上设
有水泵出口止回阀、水泵出口蝶阀。
作为一种实施方式，所述泵组进水管路和泵组出水管路之间设有旁通管道，所述
旁通管道上装有旁通止回阀。
作为一种实施方式，所述控制层还包括：
端子板模块，耦接单片机控制模块、变频功率板模块以及电机，用于对各种输入信
号、电流进行转接；
人机操作面板模块，耦接单片机控制模块，用于提供人机交互的通道。
本发明实施例还提供一种用于上述的直连式高压供水机组的加泵同频率运转控
制方法，包括以下步骤：
在启动所述直连式高压供水机组的水泵之前，检测出水侧压力传感器的压力值；
当所述压力值小于设定压力阈值时，启动第一台水泵，获取其运行频率；在所述第一台水泵
的运行频率达到设定的上限阈值时，检测所述第一台水泵启动后的出水侧压力传感器的压
力值；
当所述第一台水泵启动后的出水侧压力传感器的压力值小于所述设定压力阈值
时，启动下一台水泵，获取其运行频率；
当后一台水泵的运行频率未达到设定的上限阈值时，通过趋同频率搜索算法调整
已启动水泵的运行频率；
检测已启动水泵运行频率调整后的出水侧压力传感器的压力值；
当已启动水泵运行频率调整后的出水侧压力传感器的压力值等于设定压力阈值
时，检测两台已启动水泵的运行频率是否相等；
若两台已启动水泵的运行频率不相等，则返回至通过趋同频率搜索算法调整已启
动水泵的运行频率步骤进行循环，直至两台已启动水泵的运行频率相等。
作为一种实施方式，还包括以下步骤：
当后一台水泵的运行频率达到设定的上限阈值时，检测所述后一台水泵启动后的
出水侧压力传感器的压力值；
当后一台水泵启动后的出水侧压力传感器的压力值小于设定压力阈值时，再启动
一台水泵，获取其运行频率；
当该运行频率未达到设定的上限阈值时，通过趋同频率搜索算法调整已启动水泵
的运行频率；
检测已启动水泵运行频率调整后的出水侧压力传感器的压力值；
当已启动水泵运行频率调整后的出水侧压力传感器的压力值等于设定压力阈值
时，检测三台已启动水泵的运行频率是否相等；
若三台已启动水泵的运行频率不相等，则返回至通过趋同频率搜索算法调整已启
动水泵和的运行频率步骤进行循环，直至三台已启动水泵的运行频率相等。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：本发明的直连式高压供水机组的结构紧
凑，集成化程度高，占地面积小，通过对控制系统硬件和软件的创新设计，水泵和管路结构
的优化设计，控制系统与供水系统高度集成化设计，减少了设备整机的占地面积，节省了成
本，提高了供水机组的能源利用率，让供水更加安全稳定，节能环保。
附图说明
图1为本发明的直连式加压供水机组系统结构图；
图2为本发明的控制层主体电路结构图；
图3为本发明的加泵同频率运转控制方法的程序流程图；
图4为本发明的直连式加压供水机组采用的同频率运转节能原理图；
图5为现有供水机组采用的常规控制系统变频运转原理图；
图6为本发明的直连式加压供水机组采用的同频率运转节能实验数据图；
图7为现有供水机组采用的常规控制系统变频运转实验数据图。
附图说明：100、市政管网；200、管路附件层；201、进水侧压力传感器；202、进水蝶
阀；203、过滤器；204、倒流防止器；205、进水蝶阀；206、水泵进口蝶阀；207、旁通止回阀；
208、水泵出口止回阀；209、水泵出口蝶阀；210、气压罐；211、出水侧压力传感器；212、出水
闸阀；300、泵组层；400、控制层；401、电源模块；402、变频功率版模块；403、单片机控制模
块；404、人机操作面板模块；405、端子板模块；500、用户管网；600、整流电路；601、滤波电
路；602、制动电路；603、逆变电路；604、电流检测电路；605、温度检测电路；606、电压电流检
测电路；607、单片机；608、PWM发生器；609、功率管驱动电路。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
如图1所示，本发明的一种直连式加压供水机组，包括三层区域，分别为控制层、泵
组层、管路附件层。控制层由电源模块、变频功率板模块、单片机控制模块、人机操作面板模
块、端子板模块组成，其中，电源模块、变频功率板模块、端子板模块以及人机操作面板模块
均耦接单片机控制模块，变频功率板模块、端子板模块和人机操作面板模块均耦接电源模
块，变频功率板模块耦接端子板模块；泵组层由若干水泵和用于驱动水泵的电机组成，水泵
和电机一一对应设置；管路附件层由进水侧压力传感器、进水蝶阀、过滤器、倒流防止器、水
泵进口蝶阀、水泵出口止回阀、水泵出口蝶阀、旁通止回阀、出水闸阀、气压罐、出水侧压力
传感器组成。
电源模块将外部AC380V电源转换成控制层各模块工作所需的电源类型，并配置安
全保护功能；单片机控制模块是逻辑策略运算的核心，协调各模块的工作，且存储各个设定
值和状态值，通过端子板模块实时采集的进水侧压力传感器和出水侧压力传感器的反馈信
号，并根据反馈信号发出逻辑指令至变频功率板模块，从而调整供水机组(主要是指电机和
水泵)的运行状态；变频功率板模块是控制层的直接执行部件，用于驱动电机且实时监测和
及时反馈电机运行状况，变频功率板模块数量与水泵数量相同，在本实施中，水泵的数量为
3个，因此，变频功率板模块的数量也是3个，变频功率板模块与水泵形成一对一控制，并通
过端子板模块耦接电机；人机操作面板模块用于提供人机交互的通道，方便设置和查阅设
备的运行状态；端子板模块用于对各种输入信号、电流进行转接。
如图2所示，是本发明实施例采用的控制层主体电路结构图，是电源模块、变频功
率板模块、单片机控制模块、端子板模块内在的联系机制。变频功率板模块包括逆变电路，
逆变电路耦接电机，逆变电路内设有功率管，用于通过对功率管的通断控制产生频率可调
的交流信号，交流信号驱动电机进行变频运转；单片机控制模块包括通断逻辑电路，通断逻
辑电路耦接逆变电路，用于产生通断信号控制功率管的通断状态。工作时，AC380V经过整流
电路、滤波电路处理转换成直流电，直流电经过逆变电路内部功率管的通断转换成频率可
调节的交流电，驱动电机实现变频运转。逆变电路内部功率管的通断逻辑来自于通断逻辑
电路，通断逻辑电路包括单片机、PWM发生器和功率管驱动电路。工作原理如下：单片机向
PWM发生器输入给定频率的控制字，PWM发生器输出给定频率的高低电平信号，高低电平信
号经过功率管驱动电路放大后输入到逆变电路内部功率管，实现对功率管的通断控制。制
动电路、电流检测电路、温度检测电路、电压电流检测电路，实时监测电路电压电流的变化，
提高系统工作的安全性和稳定性。
如图1所示，在本实施例中，泵组层的水泵台数为3台(分别为PUMP1、PUMP2、
PUMP3)，电机台数也为3台(分别为MOTOR1、MOTOR2、MOTOR3)，水泵采用不锈钢轻型多级离心
泵，电机采用高效永磁同步电机。高效永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后，由永磁体来建
立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻
损耗，同时在高效永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使
电机功率因数几乎为1，由此可提高电机效率20％～30％。当水泵启动大于等于2台时，控制
层自动将水泵调整为同频率运转。泵壳为冲压成型件，且水泵进口位于泵壳轴向位置，水泵
出口位于泵壳径向位置。
如图1所示，管路附件层是设备的直接执行组件，采用空间最小化，结构最优化的
设计原则，通过定制的管件和连接件，将进水侧压力传感器、进水蝶阀、过滤器、倒流防止
器、水泵进口蝶阀、水泵出口止回阀、水泵出口蝶阀、旁通止回阀、出水闸阀、气压罐、出水侧
压力传感器组成一个有序的组件。管路附件层包括泵组进水管路、水泵进水管路、水泵出水
管路以及泵组出水管路，其中水泵进水管路和水泵出水管路与水泵一一对应设置，若干水
泵进水管路的公共端与泵组进水管路连接，若干水泵出水管路与泵组出水管路连接，泵组
进水管路与市政管网连接，泵组出水管路与用户管网连接。从市政管网到水泵进水管路依
次设有进水侧压力传感器、进水蝶阀、过滤器、倒流防止器和进水蝶阀，水泵进水管路上设
有水泵进口蝶阀，水泵出水管路上设有水泵出口止回阀、水泵出口蝶阀，从水泵出水管路到
用户管网依次设有气压罐、出水侧压力传感器、出水闸阀。在泵组进水管路和泵组出水管路
之间设有旁通管道并装有旁通止回阀。水泵出口止回阀为卡箍式止回阀，水泵进口蝶阀、水
泵出口蝶阀均为螺纹式蝶阀。
如图3所示，一种加泵同频率运转控制方法，在本实施中，以上述的包括3台水泵的
直连式高压供水机组为例进行阐述，包括以下步骤：
S700：在启动直连式高压供水机组的水泵之前，检测出水侧压力传感器的压力值，
判断出水侧压力传感器的压力值是否小于设定压力阈值；
S701：当压力值小于设定压力阈值时，启动第一台水泵(可以为PUMP1、PUMP2、
PUMP3中的任意一台)，给该启动水泵设定变频泵号；
S702：在运转过程中实时存储其运行频率，记为f1；
S703：判断运行频率f1是否达到上限阈值，若运行频率f1未达到上限阈值，则重新
获取新的运行频率f1；若运行频率f1达到设定的上限阈值时，检测第一台水泵启动后的出水
侧压力传感器的压力值；
S704：判断第一台水泵启动后的出水侧压力传感器的压力值是否小于设定压力阈
值，若第一台水泵启动后的出水侧压力传感器的压力值大于或等于设定压力阈值，则重新
获取新的运行频率f1；
S705：若第一台水泵后的出水侧压力传感器的压力值小于设定压力阈值时，启动
第二台水泵(可以为除去已启动的第一台水泵外的任意一台)，给该启动水泵设定变频泵
号；
S706：在运转过程中实时存储其运行频率，记为f2；
S707：判断运行频率f2是否达到上限阈值，若运行频率f2达到上限阈值，则检测第
一台水泵和第二台水泵启动后的出水侧压力传感器的压力值，执行步骤S712；
S708：若运行频率f2未达到上限阈值，通过趋同频率搜索算法调整已启动水泵(包
括第一台水泵和第二台水泵)的运行频率，趋同频率搜索算法如下：f1＝f1-α，f2＝f2+α，其
中，α代表为搜索步长；
S709：检测运行频率调整后的出水侧压力传感器的压力值，判断运行频率调整后
的出水侧压力传感器的压力值是否等于设定压力阈值，若运行频率调整后的出水侧压力传
感器的压力值不等于设定压力阈值，则重新通过趋同频率搜索算法调整运行频率f1和运行
频率f2；
S710：若多台水泵启动后的出水侧传感器的压力值等于设定压力阈值时，判断第
一台水泵的运行频率f1是否等于第二台水泵的运行频率f2，若第一台水泵的运行频率f1不
等于第二台水泵的运行频率f2，则重新通过趋同频率搜索算法调整运行频率f1和运行频率
f2；
S711：若第一台水泵的运行频率f1等于第二台水泵的运行频率f2，则判定第一台水
泵和第二台水泵为同频状态，此时，不会再启动第三台水泵；
S712：判断第一台水泵和第二台水泵启动后的出水侧压力传感器的压力值是否小
于设定压力阈值，若第一台水泵和第二台水泵启动后的出水侧压力传感器的压力值大于或
等于设定压力阈值，则重新获取新的运行频率f2；
S713：若第一台水泵和第二台水泵启动后的出水侧压力传感器的压力值小于设定
压力阈值时，启动第三台水泵(为PUMP1、PUMP2、PUMP3中剩余的一台)，给该启动水泵设定变
频泵号；
S714：在运转过程中实时存储其运行频率，记为f3；
S715：判断运行频率f3是否达到上限阈值；
S719：若运行频率f3达到上限阈值，则中断处理，此时，PUMP1、PUMP2、PUMP3中存在
异常或启动顺序错误，需排除故障后重新执行该加泵同频运转控制方法；
S716：若运行频率f3未达到上限阈值，通过趋同频率搜索算法调整已启动水泵(包
括第一台水泵、第二台水泵和第三台水泵)的运行频率，趋同频率搜索算法如下：f1＝f1-α，
f2＝f2-α，f3＝f3+α，其中，α代表为搜索步长；
S717：检测运行频率调整后的出水侧压力传感器的压力值，判断运行频率调整后
的出水侧压力传感器的压力值是否等于设定压力阈值，若运行频率调整后的出水侧压力传
感器的压力值不等于设定压力阈值，则重新通过趋同频率搜索算法调整运行频率f1、运行
频率f2和运转频率f3；
S718：若多台水泵启动后的出水侧传感器的压力值等于设定压力阈值时，检测第
一台水泵的运行频率f1是否等于第三台水泵的运行频率f3，若第一台水泵的运行频率f1不
等于第三台水泵的运行频率f3，则重新通过趋同频率搜索算法调整运行频率f1和运行频率
f3；
S720：若第一台水泵的运行频率f1等于第二台水泵的运行频率f3，则判定第一台水
泵和第三台水泵为同频状态，此时，三台水泵处于同频运转状态。
上述的加泵同频率运转控制方法仅针对三台水泵时的运行状态，但是本发明的一
种加泵同频率运转控制方法不局限于三台水泵时的情况，同样适用于包括四台或四台以上
水泵的供水机组的控制。若水泵为四台时，与三台水泵情况的不同之处，仅在于多一次出水
侧压力传感器的判断以及四台水泵同时启动后的运行频率调整过程，并且在运行频率f3达
到上限阈值时并不会中断处理，中断处理步骤将在运行频率f4达到上限阈值之后。五台及
五台以上水泵的加泵同频率运转控制方法原理同上。
如图4至5所示，在相同工况下，图中阴影柱状条A、B、C为在本控制系统下(变频+变
频+变频)三台水泵同速运转频率比值示意图，三台水泵在同频75％运转下都工作在高效
区，阴影柱状条a、b、c为在常规控制系统(全频+全频+变频)下三台水泵运转频率比值示意
图，其中阴影柱状条a和b为1号泵和2号泵工作在频率100％全频工况下处于高效区，但阴影
柱状条c为3号泵工作在非高效区，此时水泵处于能耗比较低区，节能效果差。
如图6至7所示，在流量Q＝36m3/h，H＝33.5m工况下，选取3台泵，单泵功率为3kW，
分别在本控制系统和常规控制系统下所做的节能实验数据对比图。阴影柱状条D、E、F为本
控制系统下实测的三台水泵的工作频率为37.5Hz和相应的功耗值1.368kW，总体功耗为
1.368kW×3＝4.104kW。阴影柱状条d、e、f为常规控制系统下实测的三台水泵的工作频率分
别为50Hz、50Hz、13.2Hz和相应的功耗值2.432kW、2.432kW、0.811kW，总体功耗为2.432kW+
2.432kW+0.811kW＝5.675kW。由此可见，可见本发明所述的水泵同频运转具有显著的节能
效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的
详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护
范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。