王海波

摘要：傳統(tǒng)的排水管道排氣閥很容易出現(xiàn)故障，使污水由于沒有保護的措施而造成泄露。并且由于傳統(tǒng)的排水管道排氣閥沒有保護機制及報警的功能，即使出現(xiàn)泄露，也無法及時的讓施工技術(shù)人員了解并及時處理，延誤了處理的時間，很容易將損失擴大化。因此，基于這種情形以及目前排水企業(yè)的迫切需求，研究并設(shè)計出一種全新的智能排水管道排氣閥，這種智能排氣閥能在最大程度上對泄露情況做到及時報警，并且能進行及時的自我切斷，實現(xiàn)對泄露的阻斷，因此可以有效的防止因泄露造成的環(huán)境污染問題。

關(guān)鍵詞：排水管道；智能排氣閥；環(huán)境污染；污水處理；主控模塊

引言：

新時代的經(jīng)濟發(fā)展迅速，工業(yè)發(fā)展的進程加大，城市排水管道所承受的壓力也逐漸增高，如果在管道中出現(xiàn)存氣的現(xiàn)象，在遇到一些特殊情況時很容易出現(xiàn)爆管問題，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)會嚴重污染環(huán)境并且對排水工程造成經(jīng)濟損失，因此針對這一問題，以往的解決點主要是從存氣現(xiàn)象上進行，主要的解決方法為選擇安全性能優(yōu)異的排氣閥，雖然在很大程度上抑制了這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，但是隨著時間的推移，排氣閥還是會出現(xiàn)各種故障，從而造成泄露。而這種現(xiàn)象不容易被察覺，因此找到及時發(fā)現(xiàn)的辦法至關(guān)重要。

一、智能排氣閥系統(tǒng)主要的組成結(jié)構(gòu)

在城市的污水排放的過程中，污水內(nèi)部都很容易留存大量的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)很容易造成排氣閥的傳動部位失靈，并且材料老化也容易引起故障，如何及時的發(fā)現(xiàn)排氣閥故障，是科研人員重點研究的問題之一。傳統(tǒng)的人工巡檢，雖然也能在一定程度上對排氣閥故障進行預(yù)防，但由于設(shè)備出現(xiàn)問題都是隨機、隨時、不定的，這就使巡檢工作的有效性大大折扣，并且開銷大、效果不好、人工問題較多。

因此為了解決這種現(xiàn)象，實現(xiàn)對排氣閥故障的及時發(fā)現(xiàn)及時處理，一種結(jié)合控制、報警、阻斷為一體的智能排氣閥就被廣泛的應(yīng)用，該智能排氣閥主要是依據(jù)自動收集、自動處理、自動管控、自動報警的方式來實現(xiàn)對排氣閥故障問題造成的污水泄露的處理。下面就來對這種排氣閥的主要組成結(jié)構(gòu)進行簡單的介紹。

該智能排氣閥由主控模塊、供電模塊、執(zhí)行機構(gòu)及閥體構(gòu)成，考慮到排氣閥安裝位置一般不容易得到市電，系統(tǒng)采用太陽能供電，并采用2組鉛酸蓄電池作為后備電源，可保證連續(xù)陰雨天氣工作15天左右。閥體由傳統(tǒng)復(fù)合式污水排氣閥、引導(dǎo)管、污水收集器組成。執(zhí)行機構(gòu)閥門采用直流的電動蝶閥，并支持手動開閉方式。主控模塊通過污水收集器內(nèi)安裝的浮球開關(guān)檢測排氣閥是否泄漏，如發(fā)生泄漏，指揮執(zhí)行機構(gòu)關(guān)閉電動閥，將排氣閥與排水主管隔離，從根本上杜絕排氣閥泄漏，同時發(fā)出故障短信。

二、智能排氣閥主控模塊硬件設(shè)計

該排氣閥的主控模塊是整個系統(tǒng)核心，蓄電池電源降壓后分別供給信號檢測及驅(qū)動電路、單片機系統(tǒng)及GPRS/GSM模塊使用。單片機檢測到泄漏信號，輸出開關(guān)量使電動蝶閥關(guān)閉，蝶閥產(chǎn)生的全關(guān)或全開信號通過閥門位置輸入電路反饋給單片機。單片機可通過串行接口對GPRS/GSM模塊編程，發(fā)送包括時間、地點、排氣閥編號等信息的故障短信。此外單片機系統(tǒng)還具備鐵電存儲器FRAM，方便進行參數(shù)修改及存儲，預(yù)留了開關(guān)量輸入輸出電路為系統(tǒng)功能擴展提供便利。

1.電源電路設(shè)計

系統(tǒng)電源主要有信號檢測及驅(qū)動電路，單片機系統(tǒng)構(gòu)成?？紤]到系統(tǒng)的可靠性及抗干擾的要求，信號檢測及驅(qū)動模塊與單片機系統(tǒng)需要電氣隔離，電源電路設(shè)計成相互隔離的2路。

2.檢測及驅(qū)動電路設(shè)計

檢測及驅(qū)動電路主要完成泄漏信號檢測及輸入、閥門開閉位置輸入、閥門開關(guān)信號輸出功能。泄漏信號由安裝在污水收集器中的浮子開關(guān)檢測，當排氣閥發(fā)生泄漏，污水會通過引導(dǎo)管流入污水收集器，浮子開關(guān)公共端接地，上浮導(dǎo)通（污水收集器滿）與下浮導(dǎo)通（污水收集器空）信號分別通過光電耦合器接單片機口線PD0、PD1，將PD0、PD1用程序配置成外部中斷引腳。

若污水收集器中水滿，浮子開關(guān)的上浮導(dǎo)通端將與公共端（接地）連通，光電耦合器導(dǎo)通，PD0端將產(chǎn)生由高到低的電平跳變，引發(fā)單片機負跳變中斷即可判斷排氣閥發(fā)生泄漏，當電動蝶閥處在全開或全閉狀態(tài)時，全開或全閉信號線將與公共端COM導(dǎo)通，光電耦合器來兩端將會導(dǎo)通。同樣將光電耦合器的另兩接口配置成外部中斷引腳，則單片機根據(jù)產(chǎn)生的負跳變中斷可判斷出閥門的位置信息。

當單片機檢測到排氣閥泄漏，將通過口線輸出開關(guān)量，并通過光電耦合器隔離控制繼電器，每組繼電器觸點分別接蓄電池的電源正負極，當光電耦合器的兩接點輸出低電平，光電耦合器導(dǎo)通，電動蝶閥電機兩級獲得電壓，即可控制電動蝶閥工作。

3.主控模塊程序設(shè)計

智能排氣閥主控模塊程序主要由前后臺程序構(gòu)成。系統(tǒng)開機復(fù)位后，首先完成主控模塊的初始化及自檢，自檢包括無線信號RS232標準串行連接，單片機通過AT指令控制MC35i發(fā)送故障短信。當強度、電池電量、電動閥開閉是否正常等，自檢順利完成后將從FARM中讀取系統(tǒng)參數(shù)，并以適當形式視必要性在LCD上顯示出來。如自檢不成功，將在LCD上顯示故障代號并發(fā)出故障短信等待排除故障。

系統(tǒng)在完成自檢后，根據(jù)狀態(tài)索引號不斷切換工作狀態(tài)，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)完成相應(yīng)操作，這部分是后臺的主程序。中斷服務(wù)是前臺程序，系統(tǒng)主要需要處理4個中斷事件：排氣閥泄漏中斷、蝶閥全關(guān)中斷、按鍵中斷、接收短信中斷，其中排氣閥泄漏中斷為高優(yōu)先級。根據(jù)系統(tǒng)工況，污水收集器空、蝶閥全開兩事件不需要中斷處理。

排氣閥泄漏后，程序立即響應(yīng)中斷，啟動電機關(guān)閉蝶閥，發(fā)出故障短信，短信內(nèi)容包括設(shè)備號、故障時間等信息。同時故障信息將以適當形式在FRAM中記錄，以備數(shù)據(jù)查詢。閥門關(guān)閉過程中引發(fā)的蝶閥全關(guān)中斷服務(wù)程序?qū)⑼Ｖ归y門動作。按鍵中斷及接收短信中斷主要針對人工操作及短信操作兩種模式，程序?qū)⒏鶕?jù)鍵值或通信命令完成修改狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)、閥門定期自檢等功能。

結(jié)語：

該排水管道智能排氣閥運用在實際的大孔徑污水管道中，在經(jīng)過一年左右的實踐應(yīng)用，經(jīng)歷了各種自然現(xiàn)象，其中包括暴雨、臺風、高溫、冰凍、管網(wǎng)水力突然發(fā)生變化等等。都取得了很好的效果，安裝了智能排氣閥的管道未發(fā)生一起排氣閥故障事件，而沒有安裝智能排氣閥的地方多次出現(xiàn)污水泄露問題。而在采用了智能排氣閥之后，在出現(xiàn)泄露的地方，智能排氣閥都能夠在第一時間進行報警工作，并自行切斷故障閥門，這給維修人員在時間上提供了很大的幫助。因此大量的事實表明智能排氣閥能夠有效的防止因排氣閥泄露而造成的水環(huán)境污染。

參考文獻：

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[2]盧方，徐劍，王小江，等.污水排氣閥智能保護裝置的研究與應(yīng)用.給水排水，2014，40（1）：89～90.