關于排水管道智能排氣閥主控模塊的設計

王海波

摘要：傳統的排水管道排氣閥很容易出現故障，使污水由于沒有保護的措施而造成泄露。并且由于傳統的排水管道排氣閥沒有保護機制及報警的功能，即使出現泄露，也無法及時的讓施工技術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的迫切需求，研究并設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，實現對泄露的阻斷，因此可以有效的防止因泄露造成的環境污染問題。

關鍵詞：排水管道；智能排氣閥；環境污染；污水處理；主控模塊

引言：

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

一、智能排氣閥系統主要的組成結構

在城市的污水排放的過程中，污水內部都很容易留存大量的雜質，這些雜質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，如何及時的發現排氣閥故障，是科研人員重點研究的問題之一。傳統的人工巡檢，雖然也能在一定程度上對排氣閥故障進行預防，但由于設備出現問題都是隨機、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象，實現對排氣閥故障的及時發現及時處理，一種結合控制、報警、阻斷為一體的智能排氣閥就被廣泛的應用，該智能排氣閥主要是依據自動收集、自動處理、自動管控、自動報警的方式來實現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構進行簡單的介紹。

該智能排氣閥由主控模塊、供電模塊、執行機構及閥體構成，考慮到排氣閥安裝位置一般不容易得到市電，系統采用太陽能供電，并采用2組鉛酸蓄電池作為后備電源，可保證連續陰雨天氣工作15天左右。閥體由傳統復合式污水排氣閥、引導管、污水收集器組成。執行機構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安裝的浮球開關檢測排氣閥是否泄漏，如發生泄漏，指揮執行機構關閉電動閥，將排氣閥與排水主管隔離，從根本上杜絕排氣閥泄漏，同時發出故障短信。

二、智能排氣閥主控模塊硬件設計

該排氣閥的主控模塊是整個系統核心，蓄電池電源降壓后分別供給信號檢測及驅動電路、單片機系統及GPRS/GSM模塊使用。單片機檢測到泄漏信號，輸出開關量使電動蝶閥關閉，蝶閥產生的全關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。此外單片機系統還具備鐵電存儲器FRAM，方便進行參數修改及存儲，預留了開關量輸入輸出電路為系統功能擴展提供便利。

1.電源電路設計

系統電源主要有信號檢測及驅動電路，單片機系統構成。考慮到系統的可靠性及抗干擾的要求，信號檢測及驅動模塊與單片機系統需要電氣隔離，電源電路設計成相互隔離的2路。

2.檢測及驅動電路設計

檢測及驅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檢測，當排氣閥發生泄漏，污水會通過引導管流入污水收集器，浮子開關公共端接地，上浮導通（污水收集器滿）與下浮導通（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，浮子開關的上浮導通端將與公共端（接地）連通，光電耦合器導通，PD0端將產生由高到低的電平跳變，引發單片機負跳變中斷即可判斷排氣閥發生泄漏，當電動蝶閥處在全開或全閉狀態時，全開或全閉信號線將與公共端COM導通，光電耦合器來兩端將會導通。同樣將光電耦合器的另兩接口配置成外部中斷引腳，則單片機根據產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.主控模塊程序設計

智能排氣閥主控模塊程序主要由前后臺程序構成。系統開機復位后，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中讀取系統參數，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出故障短信等待排除故障。

系統在完成自檢后，根據狀態索引號不斷切換工作狀態，調用相應函數完成相應操作，這部分是后臺的主程序。中斷服務是前臺程序，系統主要需要處理4個中斷事件：排氣閥泄漏中斷、蝶閥全關中斷、按鍵中斷、接收短信中斷，其中排氣閥泄漏中斷為高優先級。根據系統工況，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，程序立即響應中斷，啟動電機關閉蝶閥，發出故障短信，短信內容包括設備號、故障時間等信息。同時故障信息將以適當形式在FRAM中記錄，以備數據查詢。閥門關閉過程中引發的蝶閥全關中斷服務程序將停止閥門動作。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，程序將根據鍵值或通信命令完成修改狀態、系統參數、閥門定期自檢等功能。

結語：

該排水管道智能排氣閥運用在實際的大孔徑污水管道中，在經過一年左右的實踐應用，經歷了各種自然現象，其中包括暴雨、臺風、高溫、冰凍、管網水力突然發生變化等等。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污水泄露問題。而在采用了智能排氣閥之后，在出現泄露的地方，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境污染。

參考文獻：

[1]王興苗.污水排氣閥智能保護裝置的研究與應用[J].卷宗，2016，6（3）；

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