西門子S7-200CN PLC在污泥水分離設備中的應用
1 引言
近年來，隨著社會經濟的高速發展，城市化進程持續加快，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、房屋等基礎設施建設帶來的泥渣等經雨水沖刷，大多也進入排水管道，下水道污泥沉積速度加快，清淤和污水運輸的工作量劇增。由于城市建設的發展，城區地域也以驚人的速度擴大，城市生活小區越來越多，相距越來越遠，相應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，還要承擔由于突發原因造成的排水管道堵塞的疏通搶險任務。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，任務十分艱巨。
2 國內外比較
目前國內城市排水管道污泥的取出仍然靠人工作業，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。這種傳統型的下水道清淤工作，與建設現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境的二次污染，因為運輸過程中不可避免的拋撒滴漏現象，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和相應費用。
國外發達國家在城市規劃時，排水管道設計得較為寬大，人員和機械均可進入地下管道作業，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，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是不適宜的，加上我國城市排水管道中介質復雜，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，我公司開發了這種集檢查井取泥、泥水分離為一體的市政工程專用設備，并安裝在特種車輛上，填補國內這一領域的空白。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，該設備采用PLC控制技術，可實現多次工作循環，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 原理與系統設計
設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、機組拖掛系統和自動控制系統等部件組成。
設備的閥門控制示意如圖1所示。
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圖1 設備的閥門控制示意圖
3.1 原理設計
先將抽污軟管放入窨井中，啟動車上發動機，開啟取力器，接通控制電源，真空馬達抽吸污泥水時，箱內氣體經閥2抽出，污泥水經閥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，氣體經閥2充入，污水經閥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閉進行抽真空，達到規定真空度后，大氣先由旁通閥進入箱底管道，當箱內外氣壓相等時，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，可循環作業數次，最后將污泥輸送出箱。
3.2 主要動作
該設備進出水、氣的閥門管道較粗，所以設計采用電、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
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(1) 抽吸污泥水
通過真空馬達對污水箱進行抽真空，當箱內達到一定真空度時，下水道中的污泥水通過管道開始吸入箱內;當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，當氣壓達到規定值時，氣壓將分離后的污水從污水箱中排壓出去，當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;當爆氣結束后，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，當箱內氣壓達到規定真空度時，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，對箱內水底充氣，產生爆氣效果，使氣泡帶著淤泥漂浮至水面，當箱內氣壓達到規定的標準時停止該動作。
(5) 輸送污泥
由箱內螺旋和箱外螺桿同時工作將污泥輸送出來。
3.3 系統設計
(1) 控制真空馬達的開和關，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)轉換的操作;
(3) 控制舉升換向閥的左開、右開和斷電，驅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，驅動油缸完成筒蓋的開、關工作;
(5) 控制螺旋換向閥的左開、右開和斷電，驅動油馬達完成螺旋輸送器的正、反轉工作，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下轉入爆氣高壓狀態，需要大氣快速進入箱內，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，在短時間內就能消除負壓;
(8) 控制溢流閥和發動機油門的開啟，完成單個或數個液壓執行元件動作的工作。溢流閥和油門的開關正好相反，當單個液壓執行元件動作時，開啟溢流閥，同時關閉油門;當數個液壓執行元件動作時，關閉溢流閥，同時開啟油門;
(9) 控制氣閥的開關組合，完成抽吸污泥水、排壓污水和抽真空、爆氣的工作。
4 控制系統硬件及軟件
控制元件選用SIEMENS CPU224和EM223，設計輸入總點數為22點，輸出總點數為22點，現用的可編程控制器輸入總點數為30點，輸出總點數為26點，能夠滿足設計要求。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。
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圖2 程序框圖之一
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圖3 程序框圖之二
5 難點與創新
5.1 難點
原來控制液位采用超聲波傳感器，現場調試發現超聲波在真空及高壓狀態下工作不穩定，容易出現誤動作，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，所以當四通閥在排污水時發生誤動作，就會出現故障，嚴重時會導致事故，污水進入真空泵而將其損壞，經過改進，在四通閥上加裝了傳感器后，避免了這一現象的發生。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可靠，在操作中均采用雙向電控，即關閉時也通電，然后通過程序延時再進行斷電，這樣使程序較為復雜。
5.2 創新
該設備在快速污泥水分離、防堵塞、自動控制等方面已達到國內領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，完全適應了城市排水管道清淤面廣量大的特點，填補國內空白，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，適應了城市排水管道泥水成分復雜、易堵塞、腐蝕性強的特點，工作介質范圍較寬，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沖稀作用，而且防止了清淤和運輸過程中路面的二次污染，符合環保的要求。
(3) 采用PLC技術，實現了全自動控制，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，高效、安全。
(4) 集液控、氣控、電控為一體，機電液氣有機組合，具有一定的技術難度，已獲得國家實用新型專利和國家發明專利。
6 結束語
PLC可編程控制器特別適用于小批量非標設備的自動控制，其可編程性對單位研究開發新產品尤為有用，目前在各行各業中其用途之廣泛，發展之迅猛，且應用的人員眾多，以至于在自動控制方面占據半壁江山，甚至可以與電子控制、數字控制相媲美，這可能是開發其軟硬件的技術人員所始料未及的。
城市下水道污泥水分離設備在市政部門具有廣闊的發展前景，為減輕工人勞動強度，提高工作效率提供了價廉物美的產品，而PLC技術在市政機械上的成功應用，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品，為進一步提升國內市政機械的檔次奠定了基礎。
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