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污泥水分离特种车辆的控制技术及其应用

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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,撤县建区,城市规模不断扩大,农村人口大量向城市集中和转移,城市人口迅猛增长。


11  由于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。         


12  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。


13  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


21   目前国内城市排水管道污泥的取出仍然靠人工作业为主,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。


22   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。


23  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,我们开发了这种集检查井取泥、泥水分离为一体的市政工程特种车辆(见照片),选用东风汽车公司排放优良的EQ3061TJ二类底盘,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,该特种车辆采用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  基本原理与主要动作


该特种车辆主要有检查井取泥装置、污泥水自动分离装置、污泥输送装置、机组拖挂系统和自动控制系统等部件组成,特种车辆的各水气阀门由气动电磁阀控制(详见图1)。


31 基本原理


启动发动机后,挂上取力器,接通控制电源,按下自动按钮即开始工作程序:气动电磁阀驱动阀5动作,阀芯位置如图1所示,此时真空马达进气口与污水箱相连,气体由箱内经阀2——阀5——真空马达——阀5抽出,当箱内气压达到一定负压时,在大气压力的作用下,下水道中的污泥水经阀6进入箱内;沉淀一段时间后,液压电磁阀驱动油缸将污水箱后端抬起,与水平面成X°夹角,同时将前端的泥沙送往后端,此时泥沙沉淀于箱体后端,污水则流过隔板进入箱体前端,再由气动电磁阀驱动阀5的阀芯旋转90°(与图1所示阀芯位置垂直),由于真空马达转向不变,此时其进气口与大气相通(称之为真空马达反向操作),气体经阀5——真空马达进气口——阀5——阀2充入污水箱,当箱内气压达到一定压力时,正压自动将污水经阀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,再将污水箱降至原位;然后进行抽真空(气路走向与抽水动作相同);当箱内气压达到规定真空度后,大气先由阀3进入箱底管道的小孔进行爆气;数秒钟后,真空马达再次反向操作,大气由阀2充入,通过管道小孔从水底爆出,使气泡带着有机物漂浮起来,达到泥沙与有机物分离的目的;保压、沉淀一段时间后,将污水箱后端再次抬起,同时将底部前端的泥沙再次送往后端,污水及漂浮物则流过隔板进入箱体前端;此后真空马达进行二次排压,将污水全部排至下水管道,如果泥沙含量太低,可循环作业数次,最后通过螺旋及螺杆输送器将泥沙送出箱外直接进入污物车。


32  主要动作如图2 所示。


321 抽吸污水: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,在负压的作用下,下水道中的污泥水通过管道开始吸入箱内;当污水水位达到最高限位时,液位传感器反馈信号停止该动


作。


322 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,当气压达到一定值时,高气压将分离后的污水从箱中排压出去,当污水水位减至一定高度时,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。


323 抽真空:对污水箱进行抽真空处理,当箱内负压达到规定真空度时,压力控制器反馈信号停止该动作,这是为了增加爆气的效果。


324 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,使气泡带着有机物漂浮至水面,当箱内高压达到规定压力时,压力控制器反馈信号停止该动作。


325 输出泥沙:由箱内螺旋和箱外螺杆输送器同时将污泥输送出来。


326 自动程序:详见图2的动作流程。每个动作在执行中,系统自动接通对应此动作的指示灯,使程序执行步骤一目了然。


4  特种车辆特点


41  将排水管道检查井取泥、泥水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。


42  在泥水分离方面,采用了浮选法的分离原理,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,泥水分离后的水份回流至下水管道,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。


43  采用可编程控制技术,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,自动作业,高效、安全。


44  集电控、气控、液控为一体,机电气液有机组合,具有一定的技术难度,已获得国家实用新型专利,并申报国家发明专利。


5  控制对象及任务


各阀门、液压执行件及反馈元件的动作见附表1


51  在电磁阀单向控制中,有时会出现电磁阀断电后,阀芯回不到关闭的位置,使程序难以继续下去而停机,所以在设计中充分考虑了这一因素,对液压电磁阀实行双向控制,以确保完成以下任务。


511 驱动真空马达的开和关,完成抽吸污水、排污水及抽真空、爆气的工作。


512 开启溢流阀和发动机油门,完成单个或数个液压执行件动作的工作。溢流阀和油门的开关正好相反,当单个液压执行件动作时,开启溢流阀,同时关闭油门;当数个液压执行件动作时,关闭溢流阀,同时开启油门,以避免液压系统冲击,保持执行件动作平稳。


513 驱动举升油缸完成污水箱后端的上升和下降工作。


514 驱动螺旋、螺杆马达完成输送污泥的工作。


52 原设计采用电、液控制,结果出现了问题,通过多次试验,发现用液压电磁阀驱动大口径阀门(我国下水道的污水成份复杂,小口径阀门极易发生堵塞现象)的效果不是很理想,极易出现慢动作甚至不动作,自动程序出现停顿或误动作,工作极不可靠,在不断克服其存在的缺陷后,最终用气动电磁阀加以取代,并实行双向控制,以保证完成以下任务。


521 驱动抽排气换向阀的换向和各水气阀门的开启和关闭,实现与真空马达相关动作的互动,完成特种车辆抽污气、排污水转换的工作。


522 开启旁通阀,以提高爆气的效率。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。


6 控制系统硬件及软件


61  控制元件选用SIEMENS CPU224EM223,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。


62  反馈元件选用D502/7D压力控制器(-0.10.25MPa)、FLBC2C2液位传感器(双液位控制)、H2B磁性传感器等。


63  PLC电气原理图见附图1,所编制的程序及框图因篇幅太长特省略。


7 主要问题及措施


71 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。


72 原设计采用电、液控制,结果出现了问题,通过多次试验,发现用液压电磁阀驱动大口径阀门(我国下水道的污水成份复杂,小口径阀门极易发生堵塞现象)的效果不是很理想,极易出现慢动作甚至不动作,自动程序出现停顿或误动作,工作极不可靠,在不断克服其存在的缺陷后,最终采用电气控制液压电磁阀驱动各液压执行件,采用电气控制气动电磁阀驱动各水气阀门,并且均实行双向控制。


73 抽排气换向阀和各水气阀门的动作配合很重要,因为在抽污水和排污水的过程中,都是同一台真空马达在工作,而且转向不变,所不同的是各阀门和抽排气换向阀的开关位置(左旋为抽气,则抽进污水;右旋为充气,则排压污水),当有其中一个执行件出现误动作时,轻者程序停滞,重者会因污水被抽吸进真空马达而带来麻烦,在试验过程中曾出现过多次真空马达进水的故障,经过改进设计,除了对气动电磁阀实行双向控制外,还在关键阀上加装了信号反馈装置,从而彻底杜绝此类事故的发生。


74 为了使各电磁阀在工作中开关可靠,在操作中采用的双向电控,即关闭时也通电,使电磁阀长期处于通电状态,其使用寿命受到影响,通过修改程序,实现了每个动作结束后稍加延时再进行断电。


75 采用传统的12V电池串联成控制电源,但在该特种车辆上还是感觉到电压太低,特别是当各阀门的电磁阀工作时,由于抽吸的污泥水中杂质较多,所以阻力较大,导致取用电流偏大,阀芯移动缓慢,降低了动作的准确性,由此看出,传统的12V电源运用于该特种车辆有其一定的局限性。


8 结束语


PLC可编程控制器对于非标设备的自动控制尤其适用,正在被各行各业广泛运用。正是这种程序的可编性,使技术人员在新产品的程序程序设计、调试、改进和试验中,根据出现的问题可以不断修改和完善程序,既很方便又不至于化太多的费用,在反复实践中积累了丰富的经验,使用起来更加得心应手。


城市下水道污泥水分离特种车辆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,价格只有国外同类产品的百分之十左右,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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