1 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)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(zhǎng)，加之市容、市貌、道路、房屋等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)的泥渣等經(jīng)雨水沖刷，大多也進(jìn)入排水管道，下水道污泥沉積速度加快，清淤和污水運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁縿≡?。由于城市建設(shè)的發(fā)展，城區(qū)地域也以驚人的速度擴(kuò)大，城市生活小區(qū)越來(lái)越多，相距越來(lái)越遠(yuǎn)，相應(yīng)的排水管道的長(zhǎng)度快速增長(zhǎng)，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(xiǎn)任務(wù)。因此，市政部門的排水管道疏通、清淤和污泥運(yùn)輸工作非常繁重，任務(wù)十分艱巨。

2 國(guó)內(nèi)外比較

目前國(guó)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(yùn)至指定地點(diǎn)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(yuǎn)，其弊端也是顯而易見(jiàn)的。首先是市政工人的勞動(dòng)強(qiáng)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?yàn)檫\(yùn)輸過(guò)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(wú)處可倒，集中排放又而造成污染；再次是提高了運(yùn)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(yùn)輸次數(shù)和相應(yīng)費(fèi)用。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在城市規(guī)劃時(shí)，排水管道設(shè)計(jì)得較為寬大，人員和機(jī)械均可進(jìn)入地下管道作業(yè)，污泥可直接用泵輸送至污水處理廠進(jìn)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(lái)后運(yùn)走。該種車輛的優(yōu)點(diǎn)是將高壓沖穿和吸取泥水二項(xiàng)功能集于一身，其缺點(diǎn)是不具備泥水分離裝置，其運(yùn)輸物也主要以水份為主，因此運(yùn)輸效率較低。這種車輛在日本、美國(guó)、意大利和德國(guó)等國(guó)均有生產(chǎn)，我國(guó)也有少量進(jìn)口。但是，價(jià)格昂貴，使用費(fèi)用也較大，同時(shí)須帶大量清水，對(duì)于人均水資源不高的國(guó)家和地區(qū)是不適宜的，加上我國(guó)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(guó)城市排水管道清淤的實(shí)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(jī)械化程度，提高工作效率和運(yùn)輸效率，我公司開(kāi)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(bǔ)國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的空白。這樣一次污泥的運(yùn)輸量為十幾仍至幾十個(gè)窨井的污泥總量，該設(shè)備采用PLC控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多次工作循環(huán)，從抽污泥水到輸出污泥，可自動(dòng)一步完成，也可人工分步完成。

3 原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備主要有檢查井取泥裝置、污泥水快速自動(dòng)分離裝置、污泥輸送裝置、機(jī)組拖掛系統(tǒng)和自動(dòng)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(jì)

先將抽污軟管放入窨井中，啟動(dòng)車上發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)啟取力器，接通控制電源，真空馬達(dá)抽吸污泥水時(shí)，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(shí)將底部低端的污泥送往高端，再由真空馬達(dá)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(guò)一次排壓將污水排出水量的二分之一或三分之一，接下來(lái)將所有閥門關(guān)閉進(jìn)行抽真空，達(dá)到規(guī)定真空度后，大氣先由旁通閥進(jìn)入箱底管道，當(dāng)箱內(nèi)外氣壓相等時(shí)，真空馬達(dá)再反向操作進(jìn)行爆氣，大氣通過(guò)管道小孔從水底爆出，使氣泡帶著污泥漂浮起來(lái)，快速分離出其中的水份，使污泥達(dá)到一定的濃度，這時(shí)真空馬達(dá)進(jìn)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?jiǎng)幼?/p>

該設(shè)備進(jìn)出水、氣的閥門管道較粗，所以設(shè)計(jì)采用電、液和電、氣控制，各閥門及反饋元件的動(dòng)作見(jiàn)附表。

附表 液、氣、電閥動(dòng)作表

（1） 抽吸污泥水

通過(guò)真空馬達(dá)對(duì)污水箱進(jìn)行抽真空，當(dāng)箱內(nèi)達(dá)到一定真空度時(shí)，下水道中的污泥水通過(guò)管道開(kāi)始吸入箱內(nèi)；當(dāng)污水箱中的水位達(dá)到最高限位時(shí)，液位傳感器反饋信號(hào)停止該動(dòng)作。

（2） 排壓污水

當(dāng)污水與泥沙第一次分離后，由真空馬達(dá)反向操作對(duì)污水箱進(jìn)行充氣，當(dāng)氣壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，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(shí)，液位傳感器反饋信號(hào)停止該動(dòng)作；當(dāng)爆氣結(jié)束后，再進(jìn)行第二次排壓污水。

（3）　抽真空

對(duì)污水箱進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)箱內(nèi)氣壓達(dá)到規(guī)定真空度時(shí)，壓差傳感器反饋信號(hào)停止該動(dòng)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(duì)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(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止該動(dòng)作。

（5）　輸送污泥

由箱內(nèi)螺旋和箱外螺桿同時(shí)工作將污泥輸送出來(lái)。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1） 控制真空馬達(dá)的開(kāi)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(kāi)、右開(kāi)和斷電，完成真空馬達(dá)的正（抽氣）、反（充氣）轉(zhuǎn)換的操作；

（3） 控制舉升換向閥的左開(kāi)、右開(kāi)和斷電，驅(qū)動(dòng)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(kāi)、右開(kāi)和斷電，驅(qū)動(dòng)油缸完成筒蓋的開(kāi)、關(guān)工作；

（5）　控制螺旋換向閥的左開(kāi)、右開(kāi)和斷電，驅(qū)動(dòng)油馬達(dá)完成螺旋輸送器的正、反轉(zhuǎn)工作，達(dá)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(kāi)、右開(kāi)和斷電，驅(qū)動(dòng)油馬達(dá)完成螺桿輸送器進(jìn)入、退出污水箱及輸出污泥的工作；

（7）　控制旁通閥的開(kāi)啟，可提高爆氣的效率。污水箱在真空負(fù)壓狀態(tài)下轉(zhuǎn)入爆氣高壓狀態(tài)，需要大氣快速進(jìn)入箱內(nèi)，如果由真空馬達(dá)充入氣體，那么時(shí)間既長(zhǎng)、效果又不好，因?yàn)檎婵?strong>馬達(dá)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(jìn)入，在短時(shí)間內(nèi)就能消除負(fù)壓；

（8）　控制溢流閥和發(fā)動(dòng)機(jī)油門的開(kāi)啟，完成單個(gè)或數(shù)個(gè)液壓執(zhí)行元件動(dòng)作的工作。溢流閥和油門的開(kāi)關(guān)正好相反，當(dāng)單個(gè)液壓執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)，開(kāi)啟溢流閥，同時(shí)關(guān)閉油門；當(dāng)數(shù)個(gè)液壓執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)，關(guān)閉溢流閥，同時(shí)開(kāi)啟油門；

（9）　控制氣閥的開(kāi)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(jì)輸入總點(diǎn)數(shù)為22點(diǎn)，輸出總點(diǎn)數(shù)為22點(diǎn)，現(xiàn)用的可編程控制器輸入總點(diǎn)數(shù)為30點(diǎn)，輸出總點(diǎn)數(shù)為26點(diǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。反饋元件為選用正負(fù)壓差計(jì)、液位傳感器、磁性傳感器等。程序框圖見(jiàn)圖2、圖3所示。所編制的程序因篇幅太長(zhǎng)特省略。

圖2 程序框圖之一

圖3 程序框圖之二

5 難點(diǎn)與創(chuàng)新

5.1 難點(diǎn)

原來(lái)控制液位采用超聲波傳感器，現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)作，后來(lái)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(guò)程中，因?yàn)槭峭还艿肋M(jìn)出污水，所不同的是四通閥的動(dòng)作，左旋為抽氣，則抽進(jìn)污水；右旋為充氣，則排壓污水，所以當(dāng)四通閥在排污水時(shí)發(fā)生誤動(dòng)作，就會(huì)出現(xiàn)故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致事故，污水進(jìn)入真空泵而將其損壞，經(jīng)過(guò)改進(jìn)，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?yàn)殡娫礊檐囉眯铍姵兀室M量減少各閥的通電時(shí)間，同時(shí)為了使各電磁閥在工作中開(kāi)關(guān)可靠，在操作中均采用雙向電控，即關(guān)閉時(shí)也通電，然后通過(guò)程序延時(shí)再進(jìn)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(dòng)控制等方面已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平和接近國(guó)外近期先進(jìn)水平。

（1） 將排水管道檢查井取泥、泥水快速分離有機(jī)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(dòng)工作站，完全適應(yīng)了城市排水管道清淤面廣量大的特點(diǎn)，填補(bǔ)國(guó)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(qiáng)的特點(diǎn)，工作介質(zhì)范圍較寬，具有防堵塞能力，而且能自動(dòng)排渣、高效分離，水份回流至排水管道，不僅對(duì)井下污泥起到?jīng)_稀作用，而且防止了清淤和運(yùn)輸過(guò)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(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制，增加了過(guò)載保護(hù)、溫升保護(hù)、故障自我診斷等控制功能，做到人工啟動(dòng)，自動(dòng)作業(yè)，高效、安全。

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

6 結(jié)束語(yǔ)

PLC可編程控制器特別適用于小批量非標(biāo)設(shè)備的自動(dòng)控制，其可編程性對(duì)單位研究開(kāi)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(dòng)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(kāi)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(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率提供了價(jià)廉物美的產(chǎn)品，而PLC技術(shù)在市政機(jī)械上的成功應(yīng)用，使其具有了自動(dòng)化程度高，工作性能可靠等特點(diǎn)，完全可以用來(lái)替代國(guó)外同類產(chǎn)品，為進(jìn)一步提升國(guó)內(nèi)市政機(jī)械的檔次奠定了基礎(chǔ)。