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智能排气阀主控模块硬件设计探讨

作者:原创银河国际线上网 时间:2018-03-06 16:58 加入收藏

  新时代的经济发展迅速,工业发展的进程加大,城市排水管道所承受的压力也逐渐增高,如果在管道中出现存气的现象,在遇到一些特殊情况时很容易出现爆管问题,这种现象的出现会严重污染环境并且对排水工程造成经济损失,因此针对这一问题,以往的解决点主要是从存气现象上进行,主要的解决方法为选择安全性能优异的排气阀,虽然在很大程度上抑制了这一现象的产生,但是随着时间的推移,排气阀还是会出现各种故障,从而造成泄露。而这种现象不容易被察觉,因此找到及时发现的办法至关重要。
  
  一、智能排气阀系统主要的组成结构
  
  在城市的污水排放的过程中,污水内部都很容易留存大量的杂质,这些杂质很容易造成排气阀的传动部位失灵,并且材料老化也容易引起故障,如何及时的发现排气阀故障,是科研人员重点研究的问题之一。传统的人工巡检,虽然也能在一定程度上对排气阀故障进行预防,但由于设备出现问题都是随机、随时、不定的,这就使巡检工作的有效性大大折扣,并且开销大、效果不好、人工问题较多。
  
  因此为了解决这种现象,实现对排气阀故障的及时发现及时处理,一种结合控制、报警、阻断为一体的智能排气阀就被广泛的应用,该智能排气阀主要是依据自动收集、自动处理、自动管控、自动报警的方式来实现对排气阀故障问题造成的污水泄露的处理。下面就来对这种排气阀的主要组成结构进行简单的介绍。
  
  该智能排气阀由主控模块、供电模块、执行机构及阀体构成,考虑到排气阀安装位置一般不容易得到市电,系统采用太阳能供电,并采用2组铅酸蓄电池作为后备电源,可保证连续阴雨天气工作15天左右。阀体由传统复合式污水排气阀、引导管、污水收集器组成。执行机构阀门采用直流的电动蝶阀,并支持手动开闭方式。主控模块通过污水收集器内安装的浮球开关检测排气阀是否泄漏,如发生泄漏,指挥执行机构关闭电动阀,将排气阀与排水主管隔离,从根本上杜绝排气阀泄漏,同时发出故障短信。
  
  二、智能排气阀主控模块硬件设计
  
  该排气阀的主控模块是整个系统核心,蓄电池电源降压后分别供给信号检测及驱动电路、单片机系统及GPRS/GSM模块使用。单片机检测到泄漏信号,输出开关量使电动蝶阀关闭,蝶阀产生的全关或全开信号通过阀门位置输入电路反馈给单片机。单片机可通过串行接口对GPRS/GSM模块编程,发送包括时间、地点、排气阀编号等信息的故障短信。此外单片机系统还具备铁电存储器FRAM,方便进行参数修改及存储,预留了开关量输入输出电路为系统功能扩展提供便利。
  
  1.电源电路设计
  
  系统电源主要有信号检测及驱动电路,单片机系统构成。考虑到系统的可靠性及抗干扰的要求,信号检测及驱动模块与单片机系统需要电气隔离,电源电路设计成相互隔离的2路。
  
  2.检测及驱动电路设计
  
  检测及驱动电路主要完成泄漏信号检测及输入、阀门开闭位置输入、阀门开关信号输出功能。泄漏信号由安装在污水收集器中的浮子开关检测,当排气阀发生泄漏,污水会通过引导管流入污水收集器,浮子开关公共端接地,上浮导通(污水收集器满)与下浮导通(污水收集器空)信号分别通过光电耦合器接单片机口线PD0、PD1,将PD0、PD1用程序配置成外部中断引脚。
  
  若污水收集器中水满,浮子开关的上浮导通端将与公共端(接地)连通,光电耦合器导通,PD0端将产生由高到低的电平跳变,引发单片机负跳变中断即可判断排气阀发生泄漏,当电动蝶阀处在全开或全闭状态时,全开或全闭信号线将与公共端COM导通,光电耦合器来两端将会导通。同样将光电耦合器的另两接口配置成外部中断引脚,则单片机根据产生的负跳变中断可判断出阀门的位置信息。
  
  当单片机检测到排气阀泄漏,将通过口线输出开关量,并通过光电耦合器隔离控制继电器,每组继电器触点分别接蓄电池的电源正负极,当光电耦合器的两接点输出低电平,光电耦合器导通,电动蝶阀电机两级获得电压,即可控制电动蝶阀工作。
  
  3.主控模块程序设计
  
  智能排气阀主控模块程序主要由前后台程序构成。系统开机复位后,首先完成主控模块的初始化及自检,自检包括无线信号RS232标准串行连接,单片机通过AT指令控制MC35i发送故障短信。当强度、电池电量、电动阀开闭是否正常等,自检顺利完成后将从FARM中读取系统参数,并以适当形式视必要性在LCD上显示出来。如自检不成功,将在LCD上显示故障代号并发出故障短信等待排除故障。
  
  系统在完成自检后,根据状态索引号不断切换工作状态,调用相应函数完成相应操作,这部分是后台的主程序。中断服务是前台程序,系统主要需要处理4个中断事件:排气阀泄漏中断、蝶阀全关中断、按键中断、接收短信中断,其中排气阀泄漏中断为高优先级。根据系统工况,污水收集器空、蝶阀全开两事件不需要中断处理。
  
  排气阀泄漏后,程序立即响应中断,启动电机关闭蝶阀,发出故障短信,短信内容包括设备号、故障时间等信息。同时故障信息将以适当形式在FRAM中记录,以备数据查询。阀门关闭过程中引发的蝶阀全关中断服务程序将停止阀门动作。按键中断及接收短信中断主要针对人工操作及短信操作两种模式,程序将根据键值或通信命令完成修改状态、系统参数、阀门定期自检等功能。
  
  结语:
  
  该排水管道智能排气阀运用在实际的大孔径污水管道中,在经过一年左右的实践应用,经历了各种自然现象,其中包括暴雨、台风、高温、冰冻、管网水力突然发生变化等等。都取得了很好的效果,安装了智能排气阀的管道未发生一起排气阀故障事件,而没有安装智能排气阀的地方多次出现污水泄露问题。而在采用了智能排气阀之后,在出现泄露的地方,智能排气阀都能够在第一时间进行报警工作,并自行切断故障阀门,这给维修人员在时间上提供了很大的帮助。因此大量的事实表明智能排气阀能够有效的防止因排气阀泄露而造成的水环境污染。

  参考文献:

  [1]王兴苗.污水排气阀智能保护装置的研究与应用[J].卷宗,2016,6(3);
  [2]卢方,徐剑,王小江,等.污水排气阀智能保护装置的研究与应用.给水排水,2014,40(1):89~90.

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