S7-200CN PLC在污泥水分離設(shè)備中的應(yīng)用

1 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程持續(xù)加快，生活條件的改善和生活水平的提高，市民人均污泥水排放量也不斷增長，加之市容、市貌、道路、房屋等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來的泥渣等經(jīng)雨水沖刷，大多也進入排水管道，下水道污泥沉積速度加快，清淤和污水運輸?shù)墓ぷ髁縿≡觥Ｓ捎诔鞘薪ㄔO(shè)的發(fā)展，城區(qū)地域也以驚人的速度擴大，城市生活小區(qū)越來越多，相距越來越遠，相應(yīng)的排水管道的長度快速增長，排水管道疏通、清淤的工作量也成倍提高。市政排水部門除了定期疏通和清淤排水管道外，還要承擔(dān)由于突發(fā)原因造成的排水管道堵塞的疏通搶險任務(wù)。因此，市政部門的排水管道疏通、清淤和污泥運輸工作非常繁重，任務(wù)十分艱巨。

2 國內(nèi)外比較

目前國內(nèi)城市排水管道污泥的取出仍然靠人工作業(yè)，采用最原始的拉、刮橫道污泥至檢查井，再人工一匙一匙地將其挖出，然后連泥帶水一起運至指定地點集中處理。這種傳統(tǒng)型的下水道清淤工作，與建設(shè)現(xiàn)代化文明大都市的要求相距甚遠，其弊端也是顯而易見的。首先是市政工人的勞動強度大，工作條件差，工作效率低；其次是造成了路面和環(huán)境的二次污染，因為運輸過程中不可避免的拋撒滴漏現(xiàn)象，特別是在盛夏，污泥水更是臭氣熏天，而且大量污水無處可倒，集中排放又而造成污染；再次是提高了運輸成本，由于抽取的大部分是污水，只有少量污泥，所以增加了污水的運輸次數(shù)和相應(yīng)費用。

國外發(fā)達國家在城市規(guī)劃時，排水管道設(shè)計得較為寬大，人員和機械均可進入地下管道作業(yè)，污泥可直接用泵輸送至污水處理廠進行集中處理。而較小管道的清淤，基本使用專用車輛，采用高壓水沖穿清淤，然后再用泵將泥水吸上來后運走。該種車輛的優(yōu)點是將高壓沖穿和吸取泥水二項功能集于一身，其缺點是不具備泥水分離裝置，其運輸物也主要以水份為主，因此運輸效率較低。這種車輛在日本、美國、意大利和德國等國均有生產(chǎn)，我國也有少量進口。但是，價格昂貴，使用費用也較大，同時須帶大量清水，對于人均水資源不高的國家和地區(qū)是不適宜的，加上我國城市排水管道中介質(zhì)復(fù)雜，常常含有塑料袋、木塊、較大磚塊等雜物，因此，該車并不適合我國城市排水管道清淤的實際情況，使用效果不夠理想。

鑒于以上情況，為提高城市排水管道清淤工作的機械化程度，提高工作效率和運輸效率，我公司開發(fā)了這種集檢查井取泥、泥水分離為一體的市政工程專用設(shè)備，并安裝在特種車輛上，填補國內(nèi)這一領(lǐng)域的空白。這樣一次污泥的運輸量為十幾仍至幾十個窨井的污泥總量，該設(shè)備采用PLC控制技術(shù)，可實現(xiàn)多次工作循環(huán)，從抽污泥水到輸出污泥，可自動一步完成，也可人工分步完成。

3 原理與系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)備主要有檢查井取泥裝置、污泥水快速自動分離裝置、污泥輸送裝置、機組拖掛系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等部件組成。

設(shè)備的閥門控制示意如圖1所示。

3.1 原理設(shè)計

先將抽污軟管放入窨井中，啟動車上發(fā)動機，開啟取力器，接通控制電源，真空馬達抽吸污泥水時，箱內(nèi)氣體經(jīng)閥2抽出，污泥水經(jīng)閥1吸入，然后將污水箱后端抬起，同時將底部低端的污泥送往高端，再由真空馬達反向操作排壓污水，氣體經(jīng)閥2充入，污水經(jīng)閥1排出，通過一次排壓將污水排出水量的二分之一或三分之一，接下來將所有閥門關(guān)閉進行抽真空，達到規(guī)定真空度后，大氣先由旁通閥進入箱底管道，當(dāng)箱內(nèi)外氣壓相等時，真空馬達再反向操作進行爆氣，大氣通過管道小孔從水底爆出，使氣泡帶著污泥漂浮起來，快速分離出其中的水份，使污泥達到一定的濃度，這時真空馬達進行二次排壓，將污水全部排至下水管道，如果污泥含量太低，可循環(huán)作業(yè)數(shù)次，最后將污泥輸送出箱。

3.2 主要動作

該設(shè)備進出水、氣的閥門管道較粗，所以設(shè)計采用電、液和電、氣控制，各閥門及反饋元件的動作見附表。

附表 液、氣、電閥動作表

（1） 抽吸污泥水

通過真空馬達對污水箱進行抽真空，當(dāng)箱內(nèi)達到一定真空度時，下水道中的污泥水通過管道開始吸入箱內(nèi)；當(dāng)污水箱中的水位達到最高限位時，液位傳感器反饋信號停止該動作。

（2） 排壓污水

當(dāng)污水與泥沙第一次分離后，由真空馬達反向操作對污水箱進行充氣，當(dāng)氣壓達到規(guī)定值時，氣壓將分離后的污水從污水箱中排壓出去，當(dāng)污水占箱中水量二分之一或三分之一時，液位傳感器反饋信號停止該動作；當(dāng)爆氣結(jié)束后，再進行第二次排壓污水。

（3）　抽真空

對污水箱進行抽真空處理，當(dāng)箱內(nèi)氣壓達到規(guī)定真空度時，壓差傳感器反饋信號停止該動作，這是為了增加爆氣的效果。

（4）　爆氣

在污水箱真空的情況下，對箱內(nèi)水底充氣，產(chǎn)生爆氣效果，使氣泡帶著淤泥漂浮至水面，當(dāng)箱內(nèi)氣壓達到規(guī)定的標準時停止該動作。

（5）　輸送污泥

由箱內(nèi)螺旋和箱外螺桿同時工作將污泥輸送出來。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計

（1） 控制真空馬達的開和關(guān)，完成抽吸污泥水、排壓污水及抽真空、爆氣的工作；

（2）　控制四通電液閥的左開、右開和斷電，完成真空馬達的正（抽氣）、反（充氣）轉(zhuǎn)換的操作；

（3） 控制舉升換向閥的左開、右開和斷電，驅(qū)動油缸完成污水箱后端的上升和下降工作；

（4） 控制筒蓋換向閥的左開、右開和斷電，驅(qū)動油缸完成筒蓋的開、關(guān)工作；

（5）　控制螺旋換向閥的左開、右開和斷電，驅(qū)動油馬達完成螺旋輸送器的正、反轉(zhuǎn)工作，達到污泥的前后輸送或攪拌之目的；

（6） 控制螺桿換向閥的左開、右開和斷電，驅(qū)動油馬達完成螺桿輸送器進入、退出污水箱及輸出污泥的工作；

（7）　控制旁通閥的開啟，可提高爆氣的效率。污水箱在真空負壓狀態(tài)下轉(zhuǎn)入爆氣高壓狀態(tài)，需要大氣快速進入箱內(nèi)，如果由真空馬達充入氣體，那么時間既長、效果又不好，因為真空馬達的轉(zhuǎn)速是一定的，所以充氣量就受到了限制，大氣由旁通閥進入，在短時間內(nèi)就能消除負壓；

（8）　控制溢流閥和發(fā)動機油門的開啟，完成單個或數(shù)個液壓執(zhí)行元件動作的工作。溢流閥和油門的開關(guān)正好相反，當(dāng)單個液壓執(zhí)行元件動作時，開啟溢流閥，同時關(guān)閉油門；當(dāng)數(shù)個液壓執(zhí)行元件動作時，關(guān)閉溢流閥，同時開啟油門；

（9）　控制氣閥的開關(guān)組合，完成抽吸污泥水、排壓污水和抽真空、爆氣的工作。

4 控制系統(tǒng)硬件及軟件

控制元件選用SIEMENS　CPU224和EM223，設(shè)計輸入總點數(shù)為22點，輸出總點數(shù)為22點，現(xiàn)用的可編程控制器輸入總點數(shù)為30點，輸出總點數(shù)為26點，能夠滿足設(shè)計要求。反饋元件為選用正負壓差計、液位傳感器、磁性傳感器等。程序框圖見圖2、圖3所示。所編制的程序因篇幅太長特省略。

圖2 程序框圖之一

圖3 程序框圖之二

5 難點與創(chuàng)新

5.1 難點

原來控制液位采用超聲波傳感器，現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)超聲波在真空及高壓狀態(tài)下工作不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)誤動作，后來改用浮球液位傳感器，使用效果良好。在抽吸污水、抽真空和排出污水、爆氣的過程中，因為是同一管道進出污水，所不同的是四通閥的動作，左旋為抽氣，則抽進污水；右旋為充氣，則排壓污水，所以當(dāng)四通閥在排污水時發(fā)生誤動作，就會出現(xiàn)故障，嚴重時會導(dǎo)致事故，污水進入真空泵而將其損壞，經(jīng)過改進，在四通閥上加裝了傳感器后，避免了這一現(xiàn)象的發(fā)生。因為電源為車用蓄電池，故要盡量減少各閥的通電時間，同時為了使各電磁閥在工作中開關(guān)可靠，在操作中均采用雙向電控，即關(guān)閉時也通電，然后通過程序延時再進行斷電，這樣使程序較為復(fù)雜。

5.2 創(chuàng)新

該設(shè)備在快速污泥水分離、防堵塞、自動控制等方面已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平和接近國外近期先進水平。

（1） 將排水管道檢查井取泥、泥水快速分離有機地組合在一起，形成體積較小、效率較高的排水管道清淤流動工作站，完全適應(yīng)了城市排水管道清淤面廣量大的特點，填補國內(nèi)空白，必將受到市政排水部門的歡迎。

（2） 在泥水分離方面，采用高速離心分離技術(shù)，適應(yīng)了城市排水管道泥水成分復(fù)雜、易堵塞、腐蝕性強的特點，工作介質(zhì)范圍較寬，具有防堵塞能力，而且能自動排渣、高效分離，水份回流至排水管道，不僅對井下污泥起到?jīng)_稀作用，而且防止了清淤和運輸過程中路面的二次污染，符合環(huán)保的要求。

（3） 采用PLC技術(shù)，實現(xiàn)了全自動控制，增加了過載保護、溫升保護、故障自我診斷等控制功能，做到人工啟動，自動作業(yè)，高效、安全。

（4） 集液控、氣控、電控為一體，機電液氣有機組合，具有一定的技術(shù)難度，已獲得國家實用新型專利和國家發(fā)明專利。

6 結(jié)束語

PLC可編程控制器特別適用于小批量非標設(shè)備的自動控制，其可編程性對單位研究開發(fā)新產(chǎn)品尤為有用，目前在各行各業(yè)中其用途之廣泛，發(fā)展之迅猛，且應(yīng)用的人員眾多，以至于在自動控制方面占據(jù)半壁江山，甚至可以與電子控制、數(shù)字控制相媲美，這可能是開發(fā)其軟硬件的技術(shù)人員所始料未及的。

城市下水道污泥水分離設(shè)備在市政部門具有廣闊的發(fā)展前景，為減輕工人勞動強度，提高工作效率提供了價廉物美的產(chǎn)品，而PLC技術(shù)在市政機械上的成功應(yīng)用，使其具有了自動化程度高，工作性能可靠等特點，完全可以用來替代國外同類產(chǎn)品，為進一步提升國內(nèi)市政機械的檔次奠定了基礎(chǔ)。