下水管自動排堵系統設計

廖智舟

（柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州，545000）

0 引言

下水管是現代樓房排水系統的主要部分，其入口上部連接的是洗手池、廁所大小便盆、地面排水口等直接排污口。發生堵塞時這些直接排污口可以直接使用工具通堵，但是當堵塞處在下水管入口以下部位時直接通堵變得困難，特別是堵塞處在下水管拐彎之后。本設計的下水管自動排堵系統可以自動對下水管進行排堵。整個系統使用PLC 控制，無需人操作，能對下水管是否堵塞進行判斷，堵塞時控制水泵啟動沖水排堵，并且設計有自動蓄水的水箱為水泵提供足夠的水。為了防止沖水時水向上冒出，安裝有下水管入口電動門。為了避免下水管上部積水流入水泵和水箱，安裝有水泵出口電動門。這兩個電動門能被按合理的程序打開、關閉。整個排堵過程在PLC 的控制下順利的完成。

1 系統總體設計

為實現下水管自動排堵功能，需要實現下水管沖水排堵功能，以及提供足夠量的水，同時使用合適的自動控制裝置。本設計使用PLC 模塊作為控制器，通過控制全部的檢測裝置和執行器，對整個排堵過程進行控制。用水箱系統實現自動蓄水功能，為排堵供水。該系統能檢測水箱水位高度，并在此基礎上控制注水量。用自動排堵系統實現下水管沖水排堵功能。該系統使用水泵抽水實現沖水排堵功能，同時能避免沖水時水沿下水管上冒，以及排堵后下水管上部積水流入水泵和水箱這些問題產生。這些功能的實現既需要正確設計設備安裝位置，又需要對整個控制過程進行PLC 軟件程序設計。

2 系統硬件

本設計硬件部分由PLC 模塊、水箱系統和自動排堵系統組成。

■2.1 PLC 模塊

該模塊使用的主要器件S7-200 PLC 是本設計的控制核心。這種PLC 具有多種模塊可供選擇，系統集成方便，廣泛應用于與自動檢測、自動控制有關的工業及民用領域。S7-200 PLC 模塊是將一個中央處理器（CPU）、一個集成電源和數字量I/O 點集成在一個緊湊的封裝中，從而形成一個功能強大的微型PLC。本設計使用CPU222 型CPU 模塊。該模塊集成24V 電源，具有180mA 電流輸出，可以直接連接到傳感器、變送器和執行器，作為負載電源[1]。該模塊的程序存儲器由ROM 組成，大小為4096B，其程序是選用CPU 的指令系統編寫的，能完成設計要求的各項任務，由于其為只讀存儲器，用戶不能更改其內容，其數字存儲區用于存放各種數據，包括用戶程序執行時的某些可變參數值、模數轉換得到的數字量和數學運算的結果等，大小為2048B，可以達到程序設計、運行要求。該模塊的I/O 接口是PLC 與外圍設備傳遞信息的窗口。其中輸入接口電路將各種主令電器、檢測元件輸出的開關量或模擬量通過濾波、光電隔離、電平轉換等處理轉換成CPU 能接受和處理的信號。輸出接口電路將CPU 送出的弱電控制信號通過光電隔離、功率放大等處理轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動被控設備[2]。輸出接口電路分為繼電器、晶閘管和晶體管輸出型接口電路三種。由于本設計需要接通與斷開水泵、電磁閥等低速、大功率交流負載，所以選擇繼電器輸出型接口[3]。該CPU 模塊數字量輸入/輸出點為：8 個輸入點和6 個輸出點，可以滿足設計需要。本設計中，水箱液位變送器、測堵壓力變送器分別將液位、壓力檢測信號由輸入接口送入PLC，PLC 采集、處理信號后，根據程序運行結果，通過輸出接口將控制信號傳輸到水箱加水電磁閥、水泵、下水管入口電動門和水泵出口電動門，從而實現系統的控制。具體接線如圖1 所示，其中接觸器線圈KM1 控制水泵，KM2、KM3 分別控制下水管入口電動門開、關，KM4、KM5 分別控制水泵出口電動門開、關。

圖1 PLC 接線圖

■2.2 水箱系統

水箱系統起到為水泵沖水排堵時提供足夠水量的作用。該系統主體為容積為120L 的長方體鋁質水箱。為避免雜物落入，水箱頂部帶蓋，在蓋上留有自來水管加水口和液位變送器探頭安裝口。水箱由自來水管從蓋上預留口向內注水，自來水開關為電磁閥，由PLC 控制。在蓋上液位變送器探頭安裝口上安裝西門子超聲波液位變送器，用于實時測量水箱液位并將液位高度信號轉換為數字信號通過PLC 輸入接口傳送給PLC。為減小干擾，準確測量，液位變送器在使用前需根據實際工況設置好參數。這些參數包括探頭距水箱底部距離、探頭安裝位置、注水水花飛濺程度、發射超聲波強度等[4]。在水箱底部開有出水口，并用管道連通水泵入水口，將水箱里的水輸往水泵。該系統能在水泵啟動之前，在PLC 控制下自動注水到指定高度，為沖水過程作好準備。

■2.3 自動排堵系統

自動排堵系統是本設計的主體部分，起到對下水管沖水，排堵的作用。該系統設備安裝位置由圖2 所示。在下水管入口處用不銹鋼導壓管引出水壓測點，安裝壓力變送器。如果下水管通暢，該測點處水壓會很小；如果下水管堵塞，下水管內積水會高于該測點一段高度，該處會產生一定水壓。壓力變送器能實時測量該處水壓，并通過PLC 輸入接口將信號傳遞給PLC。PLC 能通過壓力的不同判斷下水管是否堵塞。在水壓測點以下的附近安裝一個下水管入口電動門。在該電動門之下附近是水泵出水管連接下水管的地方。水泵出水管接近下水管處安裝一個水泵出水電動門。電動門采用380V 電源，其開、關信號線分別與PLC 輸出接口連接。水泵使用380V 電源，其啟動信號線與PLC 輸出接口連接。該泵為3 米揚程軸流泵，能夠達到沖水排堵需要的水壓。在判斷下水管堵塞后，PLC 控制電動門開、關，水泵啟、停，完成排堵。

圖2 系統原理圖

3 系統軟件設計

軟件使用PLC 梯形圖語言編寫，具體程序流程如圖3所示。首先不斷檢測測堵壓力，如果測堵壓力值高于正常值且時間超過8 分鐘，則認為下水管堵塞。這時控制自來水管的電磁閥打開，向水箱注水，水箱系統開始蓄水。同時根據液位變送器實時測量的水箱液位，當水箱液位達到預定滿水高度時，控制自來水管電磁閥關閉，蓄水完畢。然后控制下水管入口電動門關閉，水泵出口電動門打開，同時啟動水泵開始沖水排堵。這樣可以避免沖水時，水由排水管向上冒出。隨著水泵不斷抽水，當水箱液位下降為0 時停泵，關閉水泵出口電動門，然后再打開下水管入口電動門。這樣避免了水泵無水抽空過熱損壞，還避免了打開下水管入口電動門后其上部積水倒灌入水泵和水箱內。如果這時測堵壓力恢復正常值范圍內，認為排堵成功，結束排堵；如果測堵壓力不恢復正常范圍內且持續8 分鐘，認為仍然堵塞，將像開始那樣再一次蓄水、排堵。

圖3 程序流程圖

4 結束語

本設計使用的控制器為西門子S7-200 PLC，選擇CUP222 型CPU 模塊，在接口數量上能滿足需要，沒有浪費。在其他性能指標上也能達到要求，非常適合控制這種設備數量規模的情況，體現較好的經濟性。并且由于需要控制水泵、電磁閥和電動門這些強電設備，使用這種PLC 控制非常方便且可以達到很高的可靠性，非常適合本設計這種控制流程比較復雜，對控制可靠性要求比較高的場合。