下水管自动排堵系统设计

廖智舟

（柳州铁道职业技术学院，广西柳州，545000）

0 引言

下水管是现代楼房排水系统的主要部分，其入口上部连接的是洗手池、厕所大小便盆、地面排水口等直接排污口。发生堵塞时这些直接排污口可以直接使用工具通堵，但是当堵塞处在下水管入口以下部位时直接通堵变得困难，特别是堵塞处在下水管拐弯之后。本设计的下水管自动排堵系统可以自动对下水管进行排堵。整个系统使用PLC 控制，无需人操作，能对下水管是否堵塞进行判断，堵塞时控制水泵启动冲水排堵，并且设计有自动蓄水的水箱为水泵提供足够的水。为了防止冲水时水向上冒出，安装有下水管入口电动门。为了避免下水管上部积水流入水泵和水箱，安装有水泵出口电动门。这两个电动门能被按合理的程序打开、关闭。整个排堵过程在PLC 的控制下顺利的完成。

1 系统总体设计

为实现下水管自动排堵功能，需要实现下水管冲水排堵功能，以及提供足够量的水，同时使用合适的自动控制装置。本设计使用PLC 模块作为控制器，通过控制全部的检测装置和执行器，对整个排堵过程进行控制。用水箱系统实现自动蓄水功能，为排堵供水。该系统能检测水箱水位高度，并在此基础上控制注水量。用自动排堵系统实现下水管冲水排堵功能。该系统使用水泵抽水实现冲水排堵功能，同时能避免冲水时水沿下水管上冒，以及排堵后下水管上部积水流入水泵和水箱这些问题产生。这些功能的实现既需要正确设计设备安装位置，又需要对整个控制过程进行PLC 软件程序设计。

2 系统硬件

本设计硬件部分由PLC 模块、水箱系统和自动排堵系统组成。

■2.1 PLC 模块

该模块使用的主要器件S7-200 PLC 是本设计的控制核心。这种PLC 具有多种模块可供选择，系统集成方便，广泛应用于与自动检测、自动控制有关的工业及民用领域。S7-200 PLC 模块是将一个中央处理器（CPU）、一个集成电源和数字量I/O 点集成在一个紧凑的封装中，从而形成一个功能强大的微型PLC。本设计使用CPU222 型CPU 模块。该模块集成24V 电源，具有180mA 电流输出，可以直接连接到传感器、变送器和执行器，作为负载电源[1]。该模块的程序存储器由ROM 组成，大小为4096B，其程序是选用CPU 的指令系统编写的，能完成设计要求的各项任务，由于其为只读存储器，用户不能更改其内容，其数字存储区用于存放各种数据，包括用户程序执行时的某些可变参数值、模数转换得到的数字量和数学运算的结果等，大小为2048B，可以达到程序设计、运行要求。该模块的I/O 接口是PLC 与外围设备传递信息的窗口。其中输入接口电路将各种主令电器、检测元件输出的开关量或模拟量通过滤波、光电隔离、电平转换等处理转换成CPU 能接受和处理的信号。输出接口电路将CPU 送出的弱电控制信号通过光电隔离、功率放大等处理转换成现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备[2]。输出接口电路分为继电器、晶闸管和晶体管输出型接口电路三种。由于本设计需要接通与断开水泵、电磁阀等低速、大功率交流负载，所以选择继电器输出型接口[3]。该CPU 模块数字量输入/输出点为：8 个输入点和6 个输出点，可以满足设计需要。本设计中，水箱液位变送器、测堵压力变送器分别将液位、压力检测信号由输入接口送入PLC，PLC 采集、处理信号后，根据程序运行结果，通过输出接口将控制信号传输到水箱加水电磁阀、水泵、下水管入口电动门和水泵出口电动门，从而实现系统的控制。具体接线如图1 所示，其中接触器线圈KM1 控制水泵，KM2、KM3 分别控制下水管入口电动门开、关，KM4、KM5 分别控制水泵出口电动门开、关。

图1 PLC 接线图

■2.2 水箱系统

水箱系统起到为水泵冲水排堵时提供足够水量的作用。该系统主体为容积为120L 的长方体铝质水箱。为避免杂物落入，水箱顶部带盖，在盖上留有自来水管加水口和液位变送器探头安装口。水箱由自来水管从盖上预留口向内注水，自来水开关为电磁阀，由PLC 控制。在盖上液位变送器探头安装口上安装西门子超声波液位变送器，用于实时测量水箱液位并将液位高度信号转换为数字信号通过PLC 输入接口传送给PLC。为减小干扰，准确测量，液位变送器在使用前需根据实际工况设置好参数。这些参数包括探头距水箱底部距离、探头安装位置、注水水花飞溅程度、发射超声波强度等[4]。在水箱底部开有出水口，并用管道连通水泵入水口，将水箱里的水输往水泵。该系统能在水泵启动之前，在PLC 控制下自动注水到指定高度，为冲水过程作好准备。

■2.3 自动排堵系统

自动排堵系统是本设计的主体部分，起到对下水管冲水，排堵的作用。该系统设备安装位置由图2 所示。在下水管入口处用不锈钢导压管引出水压测点，安装压力变送器。如果下水管通畅，该测点处水压会很小；如果下水管堵塞，下水管内积水会高于该测点一段高度，该处会产生一定水压。压力变送器能实时测量该处水压，并通过PLC 输入接口将信号传递给PLC。PLC 能通过压力的不同判断下水管是否堵塞。在水压测点以下的附近安装一个下水管入口电动门。在该电动门之下附近是水泵出水管连接下水管的地方。水泵出水管接近下水管处安装一个水泵出水电动门。电动门采用380V 电源，其开、关信号线分别与PLC 输出接口连接。水泵使用380V 电源，其启动信号线与PLC 输出接口连接。该泵为3 米扬程轴流泵，能够达到冲水排堵需要的水压。在判断下水管堵塞后，PLC 控制电动门开、关，水泵启、停，完成排堵。

图2 系统原理图

3 系统软件设计

软件使用PLC 梯形图语言编写，具体程序流程如图3所示。首先不断检测测堵压力，如果测堵压力值高于正常值且时间超过8 分钟，则认为下水管堵塞。这时控制自来水管的电磁阀打开，向水箱注水，水箱系统开始蓄水。同时根据液位变送器实时测量的水箱液位，当水箱液位达到预定满水高度时，控制自来水管电磁阀关闭，蓄水完毕。然后控制下水管入口电动门关闭，水泵出口电动门打开，同时启动水泵开始冲水排堵。这样可以避免冲水时，水由排水管向上冒出。随着水泵不断抽水，当水箱液位下降为0 时停泵，关闭水泵出口电动门，然后再打开下水管入口电动门。这样避免了水泵无水抽空过热损坏，还避免了打开下水管入口电动门后其上部积水倒灌入水泵和水箱内。如果这时测堵压力恢复正常值范围内，认为排堵成功，结束排堵；如果测堵压力不恢复正常范围内且持续8 分钟，认为仍然堵塞，将像开始那样再一次蓄水、排堵。

图3 程序流程图

4 结束语

本设计使用的控制器为西门子S7-200 PLC，选择CUP222 型CPU 模块，在接口数量上能满足需要，没有浪费。在其他性能指标上也能达到要求，非常适合控制这种设备数量规模的情况，体现较好的经济性。并且由于需要控制水泵、电磁阀和电动门这些强电设备，使用这种PLC 控制非常方便且可以达到很高的可靠性，非常适合本设计这种控制流程比较复杂，对控制可靠性要求比较高的场合。