西门子S7-200CN PLC在污泥水分离设备中的应用
1 引言
近年来，随着社会经济的高速发展，城市化进程持续加快，生活条件的改善和生活水平的提高，市民人均污泥水排放量也不断增长，加之市容、市貌、道路、房屋等基础设施建设带来的泥渣等经雨水冲刷，大多也进入排水管道，下水道污泥沉积速度加快，清淤和污水运输的工作量剧增。由于城市建设的发展，城区地域也以惊人的速度扩大，城市生活小区越来越多，相距越来越远，相应的排水管道的长度快速增长，排水管道疏通、清淤的工作量也成倍提高。市政排水部门除了定期疏通和清淤排水管道外，还要承担由于突发原因造成的排水管道堵塞的疏通抢险任务。因此，市政部门的排水管道疏通、清淤和污泥运输工作非常繁重，任务十分艰巨。
2 国内外比较
目前国内城市排水管道污泥的取出仍然靠人工作业，采用最原始的拉、刮横道污泥至检查井，再人工一匙一匙地将其挖出，然后连泥带水一起运至指定地点集中处理。这种传统型的下水道清淤工作，与建设现代化文明大都市的要求相距甚远，其弊端也是显而易见的。首先是市政工人的劳动强度大，工作条件差，工作效率低;其次是造成了路面和环境的二次污染，因为运输过程中不可避免的抛撒滴漏现象，特别是在盛夏，污泥水更是臭气熏天，而且大量污水无处可倒，集中排放又而造成污染;再次是提高了运输成本，由于抽取的大部分是污水，只有少量污泥，所以增加了污水的运输次数和相应费用。
国外发达国家在城市规划时，排水管道设计得较为宽大，人员和机械均可进入地下管道作业，污泥可直接用泵输送至污水处理厂进行集中处理。而较小管道的清淤，基本使用专用车辆，采用高压水冲穿清淤，然后再用泵将泥水吸上来后运走。该种车辆的优点是将高压冲穿和吸取泥水二项功能集于一身，其缺点是不具备泥水分离装置，其运输物也主要以水份为主，因此运输效率较低。这种车辆在日本、美国、意大利和德国等国均有生产，我国也有少量进口。但是，价格昂贵，使用费用也较大，同时须带大量清水，对于人均水资源不高的国家和地区是不适宜的，加上我国城市排水管道中介质复杂，常常含有塑料袋、木块、较大砖块等杂物，因此，该车并不适合我国城市排水管道清淤的实际情况，使用效果不够理想。
鉴于以上情况，为提高城市排水管道清淤工作的机械化程度，提高工作效率和运输效率，我公司开发了这种集检查井取泥、泥水分离为一体的市政工程专用设备，并安装在特种车辆上，填补国内这一领域的空白。这样一次污泥的运输量为十几仍至几十个窨井的污泥总量，该设备采用PLC控制技术，可实现多次工作循环，从抽污泥水到输出污泥，可自动一步完成，也可人工分步完成。
3 原理与系统设计
设备主要有检查井取泥装置、污泥水快速自动分离装置、污泥输送装置、机组拖挂系统和自动控制系统等部件组成。
设备的阀门控制示意如图1所示。
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图1 设备的阀门控制示意图
3.1 原理设计
先将抽污软管放入窨井中，启动车上发动机，开启取力器，接通控制电源，真空马达抽吸污泥水时，箱内气体经阀2抽出，污泥水经阀1吸入，然后将污水箱后端抬起，同时将底部低端的污泥送往高端，再由真空马达反向操作排压污水，气体经阀2充入，污水经阀1排出，通过一次排压将污水排出水量的二分之一或三分之一，接下来将所有阀门关闭进行抽真空，达到规定真空度后，大气先由旁通阀进入箱底管道，当箱内外气压相等时，真空马达再反向操作进行爆气，大气通过管道小孔从水底爆出，使气泡带着污泥漂浮起来，快速分离出其中的水份，使污泥达到一定的浓度，这时真空马达进行二次排压，将污水全部排至下水管道，如果污泥含量太低，可循环作业数次，最后将污泥输送出箱。
3.2 主要动作
该设备进出水、气的阀门管道较粗，所以设计采用电、液和电、气控制，各阀门及反馈元件的动作见附表。
附表 液、气、电阀动作表
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(1) 抽吸污泥水
通过真空马达对污水箱进行抽真空，当箱内达到一定真空度时，下水道中的污泥水通过管道开始吸入箱内;当污水箱中的水位达到最高限位时，液位传感器反馈信号停止该动作。
(2) 排压污水
当污水与泥沙第一次分离后，由真空马达反向操作对污水箱进行充气，当气压达到规定值时，气压将分离后的污水从污水箱中排压出去，当污水占箱中水量二分之一或三分之一时，液位传感器反馈信号停止该动作;当爆气结束后，再进行第二次排压污水。
(3) 抽真空
对污水箱进行抽真空处理，当箱内气压达到规定真空度时，压差传感器反馈信号停止该动作，这是为了增加爆气的效果。
(4) 爆气
在污水箱真空的情况下，对箱内水底充气，产生爆气效果，使气泡带着淤泥漂浮至水面，当箱内气压达到规定的标准时停止该动作。
(5) 输送污泥
由箱内螺旋和箱外螺杆同时工作将污泥输送出来。
3.3 系统设计
(1) 控制真空马达的开和关，完成抽吸污泥水、排压污水及抽真空、爆气的工作;
(2) 控制四通电液阀的左开、右开和断电，完成真空马达的正(抽气)、反(充气)转换的操作;
(3) 控制举升换向阀的左开、右开和断电，驱动油缸完成污水箱后端的上升和下降工作;
(4) 控制筒盖换向阀的左开、右开和断电，驱动油缸完成筒盖的开、关工作;
(5) 控制螺旋换向阀的左开、右开和断电，驱动油马达完成螺旋输送器的正、反转工作，达到污泥的前后输送或搅拌之目的;
(6) 控制螺杆换向阀的左开、右开和断电，驱动油马达完成螺杆输送器进入、退出污水箱及输出污泥的工作;
(7) 控制旁通阀的开启，可提高爆气的效率。污水箱在真空负压状态下转入爆气高压状态，需要大气快速进入箱内，如果由真空马达充入气体，那么时间既长、效果又不好，因为真空马达的转速是一定的，所以充气量就受到了限制，大气由旁通阀进入，在短时间内就能消除负压;
(8) 控制溢流阀和发动机油门的开启，完成单个或数个液压执行元件动作的工作。溢流阀和油门的开关正好相反，当单个液压执行元件动作时，开启溢流阀，同时关闭油门;当数个液压执行元件动作时，关闭溢流阀，同时开启油门;
(9) 控制气阀的开关组合，完成抽吸污泥水、排压污水和抽真空、爆气的工作。
4 控制系统硬件及软件
控制元件选用SIEMENS CPU224和EM223，设计输入总点数为22点，输出总点数为22点，现用的可编程控制器输入总点数为30点，输出总点数为26点，能够满足设计要求。反馈元件为选用正负压差计、液位传感器、磁性传感器等。程序框图见图2、图3所示。所编制的程序因篇幅太长特省略。
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图2 程序框图之一
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图3 程序框图之二
5 难点与创新
5.1 难点
原来控制液位采用超声波传感器，现场调试发现超声波在真空及高压状态下工作不稳定，容易出现误动作，后来改用浮球液位传感器，使用效果良好。在抽吸污水、抽真空和排出污水、爆气的过程中，因为是同一管道进出污水，所不同的是四通阀的动作，左旋为抽气，则抽进污水;右旋为充气，则排压污水，所以当四通阀在排污水时发生误动作，就会出现故障，严重时会导致事故，污水进入真空泵而将其损坏，经过改进，在四通阀上加装了传感器后，避免了这一现象的发生。因为电源为车用蓄电池，故要尽量减少各阀的通电时间，同时为了使各电磁阀在工作中开关可靠，在操作中均采用双向电控，即关闭时也通电，然后通过程序延时再进行断电，这样使程序较为复杂。
5.2 创新
该设备在快速污泥水分离、防堵塞、自动控制等方面已达到国内领先水平和接近国外近期先进水平。
(1) 将排水管道检查井取泥、泥水快速分离有机地组合在一起，形成体积较小、效率较高的排水管道清淤流动工作站，完全适应了城市排水管道清淤面广量大的特点，填补国内空白，必将受到市政排水部门的欢迎。
(2) 在泥水分离方面，采用高速离心分离技术，适应了城市排水管道泥水成分复杂、易堵塞、腐蚀性强的特点，工作介质范围较宽，具有防堵塞能力，而且能自动排渣、高效分离，水份回流至排水管道，不仅对井下污泥起到冲稀作用，而且防止了清淤和运输过程中路面的二次污染，符合环保的要求。
(3) 采用PLC技术，实现了全自动控制，增加了过载保护、温升保护、故障自我诊断等控制功能，做到人工启动，自动作业，高效、安全。
(4) 集液控、气控、电控为一体，机电液气有机组合，具有一定的技术难度，已获得国家实用新型专利和国家发明专利。
6 结束语
PLC可编程控制器特别适用于小批量非标设备的自动控制，其可编程性对单位研究开发新产品尤为有用，目前在各行各业中其用途之广泛，发展之迅猛，且应用的人员众多，以至于在自动控制方面占据半壁江山，甚至可以与电子控制、数字控制相媲美，这可能是开发其软硬件的技术人员所始料未及的。
城市下水道污泥水分离设备在市政部门具有广阔的发展前景，为减轻工人劳动强度，提高工作效率提供了价廉物美的产品，而PLC技术在市政机械上的成功应用，使其具有了自动化程度高，工作性能可靠等特点，完全可以用来替代国外同类产品，为进一步提升国内市政机械的档次奠定了基础。
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