CN100515842C - 真空储罐式高速列车粪便排放系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空储罐式高速列车粪便排放系统。它包括集便器机械部件总成、控制执行阀组件、污物箱和控制器。集便器机械部件总成由便池、冲洗环、小水箱和真空发生器组成；控制执行阀组件由一个二位四通电磁阀、一个二位三通电磁阀、二个二位二通电磁阀、一个气动排泄阀、二个电磁阀、三个球阀以及一个污物箱防冻电热毯电源开关组成；污物箱外敷保温层、内装防波板、箱夹层中设防冻电热毯；两套控制器互为冷备份由输入、输出、MCU模块组成，是整个系统的控制中枢。真空储罐式高速列车粪便排放系统消除了列车直排式厕所对铁路沿线的环境污染，解决了污物对车辆行走部件的锈蚀，污物危害旅客和铁路维修人员身心健康的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速列车粪便排放系统，特别是指一种真空储罐式高速列车粪便排放系统。
背景技术
铁路客车速度的不断提高，直排式厕所的弊端日益凸现：污染铁路沿线环境，腐蚀列车行车部件，危害旅客和铁路维护人员的健康。为此，铁道部科技司开展了直排式厕所对列车污染的专项研究：列车车速100Km/h时，直排式厕所列车车厢大肠菌检出率达60％以上，而密闭式厕所列车车厢检出率仅为1.6％；进一步研究表明，密闭式厕所列车车厢的大肠源于直排式厕所污物的二次污染。
国外发达国家的高速列车广泛采用密闭式厕所，目前研究和使用的密闭式厕所大致可分为真空保持式、真空推拉式两种，我国铁路客车引进的密闭式厕所以真空保持式居多。国内针对直排式厕所的缺陷，从86年开始就不断提出各种设想和专利，如列车厕所粪便自动处理装置(ZL86208858)，一种旅客列车集便装置(ZL200320114376.2)，列车厕所专用便器(200410079340.4)以及列车厕所污水处理方法(200610026034.3)等，遗憾的是未见上述专利得到实际应用的报道，而且国内相关专利与国际主流技术大相径庭。
高速列车厕所粪便排放系统(ZL03151270.4)采用高压将少量的水呈半雾化形式冲洗便池，污物暂存腔抽成真空，在水冲结束的瞬间打开排污阀将污物吸入暂存腔，然后关闭排污阀并加压使污物喷向路基。该系统针对国外集便器排泄阀的不足，在机械结构、材质、运动形式和密封技术等方面进行了创新设计，提出了专用排泄阀(ZL03151271.2)。浙江省质量技术监督部门提供的高速列车厕所粪便排放系统检测报告表明设计达到预期目标。高速列车厕所粪便排放系统解决了排放直排式厕所对列车行走部件的腐蚀，对旅客和列车维护人员健康的影响，但污染铁路沿线环境的问题仍然存在。2001年高速列车厕所粪便排放系统项目启动，铁路部门倾向首先解决厕所污物对列车行走部件、对旅客和列车维护人员健康的影响，因为消除铁路沿线的污染涉及建设庞大的用于列车污物的地面处理系统。地面处理系统不仅需要巨额的一次性投资，而且需要支付不菲的日常运行费用。作为企业的铁路运行部门，对于不会带来任何经济效益的地面污物处理系统，持消极态度是本能的第一反应。
随着人们环境保护意识的不断加强，铁路运行部门、环保部门和社会已认识到列车厕所污物对铁路沿线的污染是亟待解决的社会问题，是企业不可推卸的社会责任，即使投入巨额资金，即使花费不菲的日常运行费。为建立环境友好型社会，这是必须支付的企业和社会成本。2003--2004年，铁路主管部门转向推荐密闭式厕所方案。因此，在原高速列车厕所粪便排放系统的基础上，提出了真空储罐式高速列车粪便排放系统，解决列车厕所污物对铁路沿线环境的污染，同时对试验中原系统暴露的不足之处作出相应的改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空储罐式高速列车粪便排放系统。
真空储罐式高速列车粪便排放系统包括集便器机械部件总成、控制执行阀组件、污物箱和控制器组成；所述的集便器机械部件总成由便池、冲洗环、小水箱和真空发生器组成；便池中设置多个喷水口组成的冲洗环，气动喷射真空发生器分别与第一二位二通电磁阀、第二二位二通电磁阀的出口相连，第一二位二通电磁阀的进口经气源压力传感器接气源高压气；小水箱的底部与冲洗环相连，小水箱的顶部与二位三通电磁阀的控制口相连，二位三通电磁阀的进口接气源高压气，二位三通电磁阀的出口通大气；小水箱的底部侧壁经液位传感器与电磁阀的出口相连，电磁阀的进口与列车顶部的贮水箱相连。
所述的控制执行阀组件包括二位四通电磁阀、二位三通电磁阀、进水阀、第一二位二通电磁阀、气动排泄阀、第二二位二通电磁阀、第一球阀、电磁阀、第二球阀、第三球阀、污物箱防冻电热毯电源开关组成，电磁阀和污物箱防冻电热毯电源开关受控于控制器，电磁阀与气动排泄阀相连，第一二位二通电磁阀、第二二位二通电磁阀与真空发生器相连；二位三通电磁阀、进水阀与小水箱相连，小水箱与冲洗环相连；气动排泄阀的进口与便池的底部排泄口相接，气动排泄阀的出口与污物箱的顶部进口连接，气动排泄阀的两个控制口分别与电磁阀的控制口连接，电磁阀的进口接气源高压气，电磁阀出口通大气。
污物箱外敷保温层，保温层与污物箱之间嵌有防冻电热毯和温度传感器；污物箱内装防波板，液位传感器对应的防波板底部装有拦污网，在污物箱上设有第一液位计、第二液位计，与控制器相连，污物箱的顶部安装高压喷淋装置，高压喷淋装置通过球阀与高压水相连，污物箱底部安装的电磁阀与控制器相连；污物箱底部安装球阀。
控制器的内部模块连接关系为：MCU模块、电源模块分别与液位检测电路、压力检测电路、温度检测电路、按键检测电路相连。
MCU模块、温度检测电路为：ADC0809的第26、27、28、1、2、3、4、5引脚与8HEADER相接，ADC0809的第9、10、25、24、23、22、6、17、14、15、8、18、19、20、21、7引脚与FPGA的I/O口相接，ADC0809的第13、16引脚相连后接地，ADC0809的第11、12引脚相连后接5V电源；FPGA芯片的第15、16引脚分别接第1、2电阻后接3.3V电源，FPGA芯片的第15、16引脚分别接第1、2按钮后接地，FPGA芯片的第80引脚接晶振的第3引脚，晶振的第4引脚接3.3V电源，晶振的第2引脚接地。
所述的第一液位计11、第二液位计12采用水银液位传感器，水银液位传感器是一个玻璃封装管，内灌水银，玻璃管的一端有两个银触点，银触点各有引出导线。
本发明遵循建立环境友好型社会的宗旨，在高速列车粪便排放系统(ZL03151270.4)和气动阀(ZL03151271.2)基础上，进行了重大改进和进一步完善后，提出了真空储罐式高速列车粪便排放系统。采用高压将少量半雾化水喷射至冲洗便池，使粪便汇集到便池底部，并采用抽真空的方法将粪便吸入真空储罐，列车到站后污物纳入地面污物处理管网。真空储罐式高速列车粪便排放系统不仅解决了厕所污物对列车行走部件的腐蚀，对旅客和列车维护人员健康的影响，而且根除了厕所污物对铁路沿线环境的污染。高速列车粪便配置机械、气动、电气一体化真空储罐式粪便排放系统，系统由机械部件总成、控制执行阀组件、污物箱和控制器组成，厕所污物不再喷射至路基而存放在真空储罐中，到站后卸污。真空储罐中的污物通过排污口纳入地面污物处理管网的技术路线。
便池表面喷涂硬质特富龙(俗称墨金刚)塗层，不仅能减少20％的冲洗水量，而且使列车员的保洁工作更加便捷；真空气动喷射器的扩展器加装消声器，气流噪声降低10dB，为旅客提供一个更为舒适的旅途环境。鉴于控制器仅占整个系统成本的百分之一左右，其可靠性关系到整个系统的长期稳定运行，因此采用了两项新技术设计两套控制器互为冷备份，提高了控制器的可靠性；针对列车运行中恶劣的工况，采用基于FPGA的硬逻辑门配置技术，防止可能出现的软件跑飞现象，进一步提高了控制器的可靠性。
真空储罐式高速列车粪便排放系统与高速列车厕所粪便排放系统(ZL03151270.4)的最大不同在于：前者列车底部配置400L的真空污物储罐。污物箱由不锈钢制成，外敷保温层，保温层与污物箱之间嵌有防冻电热毯和温度传感器；污物箱内装防波板，减轻污物对污物箱的冲击力；液位传感器对应的防波板底部装有拦污网，防止污物粘附浮球水银液位传感器，影响液位传感器的精度；污物箱80％、100％液位传感器在污物箱正对两侧各安装一套，两两并联输出至控制器，提高了污物液位测量的可靠性。污物箱的顶部安装高压喷淋装置，通过球阀与高压水相连。污物箱底部安装的电磁阀受控制器控制，用于列车运行时的应急排放；污物箱底部安装的球阀则用于列车到站后的卸污作业。
附图说明
图1是真空储罐式高速列车粪便排放系统的结构示意图；
图2是真空储罐式高速列车粪便排放系统控制器电路框图；
图3是本发明的MCU模块、温度检测电路电路图；
图4是本发明的浮球水银液位传感器结构原理图。
图5是本发明的工作循环任务有限状态机；
图6是真空储罐式高速列车粪便排放系统任务关系图；
图中：二位四通电磁阀1、二位三通电磁阀2、进水阀3、小水箱4、第一二位二通电磁阀5、气动排泄阀6、第二二位二通电磁阀7、第一球阀8、电磁阀9、第二球阀10、第一液位计11、第二液位计12、第三球阀13、便池14、冲洗环15、真空发生器16、气源压力传感器17、液位传感器18、温度传感器19、防冻电热毯20、防波板21、拦污网22、真空度压力传感器23、外敷保温层24、喷淋装置25、污物箱26、MCU模块27、水银28、银触点29、导线30。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，真空储罐式高速列车粪便排放系统包括集便器机械部件总成、控制执行阀组件、污物箱和控制器组成；所述的集便器机械部件总成由便池14、冲洗环15、小水箱4和真空发生器16组成；便池14中设置多个喷水口组成的冲洗环15，气动喷射真空发生器16分别与第一二位二通电磁阀5、第二二位二通电磁阀7的出口相连，第一二位二通电磁阀5的进口经气源压力传感器17接气源高压气；小水箱4的底部与冲洗环15相连，小水箱4的顶部与二位三通电磁阀2的控制口相连，二位三通电磁阀2的进口接气源高压气，二位三通电磁阀2的出口通大气；小水箱4的底部侧壁经液位传感器18与电磁阀3的出口相连，电磁阀3的进口与列车顶部的贮水箱相连。
所述的控制执行阀组件包括二位四通电磁阀1、二位三通电磁阀2、进水阀3、第一二位二通电磁阀5、气动排泄阀6、第二二位二通电磁阀7、第一球阀8、电磁阀9、第二球阀10、第三球阀13、污物箱防冻电热毯电源开关组成，电磁阀和污物箱防冻电热毯电源开关受控于控制器，电磁阀1与气动排泄阀6相连，第一二位二通电磁阀5、第二二位二通电磁阀7与真空发生器16相连；二位三通电磁阀2、进水阀3与小水箱4相连，小水箱4与冲洗环15相连；气动排泄阀6的进口与便池14的底部排泄口相接，气动排泄阀6的出口与污物箱26的顶部进口连接，气动排泄阀的两个控制口分别与电磁阀1的控制口连接，电磁阀1的进口接气源高压气，电磁阀1出口通大气。
污物箱26外敷保温层24，保温层与污物箱之间嵌有防冻电热毯20和温度传感器19；污物箱内装防波板21，液位传感器对应的防波板底部装有拦污网22，在污物箱上设有第一液位计11、第二液位计12，与控制器相连，污物箱的顶部安装高压喷淋装置25，高压喷淋装置25通过球阀13与高压水相连，污物箱底部安装的电磁阀9与控制器相连；污物箱底部安装球阀10。
真空储罐式高速列车粪便排放系统工作过程分两个阶段。准备阶段：二位四通电磁阀失电，气动排泄阀关闭，电器控制器启动两个二位二通电磁阀得电真空发生器工作，真空发生器给粪便储罐抽真空，当真空度达到要求后，电器控制器停止真空发生器的工作和使两个二位二通电磁阀失电。电器控制器使进水阀得电开启，列车顶部的大水箱的水通过水管和开启的进水阀进入小水箱，小水箱的空气经喷水口排入大气。液位传感器测出小水箱液位满足条件，电器控制器使进水阀失电关闭。工作阶段：旅客大小便完后，按动冲洗按键，信号输入电器控制器，电器控制器使二位二通电磁阀得电切换，由于进水阀失电关闭，气源的高压气通过二位二通电磁阀进入小水箱，迫使小水箱中的水通过喷水口喷出，使粪便流向便池的底部排泄口附近。一定的延时后，电器控制器使二位四通电磁阀得电切换，气源的高压气通过二位四通电磁阀驱动气动排泄阀切换开启，粪便储罐由于已在准备阶段抽成真空，使已流到便池底部排泄口附近的粪便被吸入粪便储罐的底部。一定的延时后，电器控制器使二位四通电磁阀失电切换，气源的高压气通过二位四通电磁阀驱动气动排泄阀切换关闭，工作阶段结束。结束后立即进入准备阶段，为下一位旅客作好准备。当高速列车厕所粪便排放系统污物已达到100％液位时，列车员拨动应急锁键，电磁阀打开，污物箱污物按要求实现紧急排放。列车到站抽粪车接通打开的球阀，球阀改接高压气，使粪便储罐中的粪便通过打开的球阀进入抽粪车或进入地面污物处理管网；然后高压水通过已打开的球阀冲洗粪便储罐，污水进入抽粪车。液位计监测粪便在粪便储罐内的储量，达到80％时发出警报，达到100％时，则关闭使用或紧急排放后应急使用。
如图2所示，控制器的内部模块连接关系为：MCU模块27、电源模块分别与液位检测电路、压力检测电路、温度检测电路、按键检测电路相连。控制器采用型号为XC2S100E的FPGA芯片，具有100,000门规模，600个可配置的逻辑块(CLB)，202个I/O口，40K Bit BlockRAM，4个延迟锁相环(DLL)。以XC2S100E FPGA芯片作为主要芯片，利用其丰富资源，采用Verilog硬件描述语言编程，将其配置成三个模块输入模块，MCU模块(32)和输出模块访问FPGA以外的其他模块。
真空加压式集便装置的控制器是系统的控制中枢，控制器的性能对系统的长期稳定运行起到决定性的作用。为了保证系统的长期稳定运行，真空加压式集便装置引进了控制工程中的冷备份技术，一旦出现故障，切换到备份板即可。
控制器的硬件结构主要由MCU模块27、电源模块、液位检测电路、温度检测电路、压力检测电路、键盘检测电路组成。为了防止输入输出引入干扰，所有的输入都先经过光耦隔离后再接入MCU，所有的输出模块都经过斯密特触发器及MOS管来驱动电磁阀门。
如图3所示，MCU模块27、温度检测电路为：ADC0809的第26、27、28、1、2、3、4、5引脚与8HEADER相接，ADC0809的第9、10、25、24、23、22、6、17、14、15、8、18、19、20、21、7引脚与FPGA的I/O口相接，ADC0809的第13、16引脚相连后接地，ADC0809的第11、12引脚相连后接5V电源；FPGA芯片的第15、16引脚分别接第1、2电阻后接3.3V电源，FPGA芯片的第15、16引脚分别接第1、2按钮后接地，FPGA芯片的第80引脚接晶振的第3引脚，晶振的第4引脚接3.3V电源，晶振的第2引脚接地。
如图4所示，真空储罐式高速列车粪便排放系统浮球水银液位传感器结构原理图。由于真空污物箱的液位随列车运行不停的晃动，而且工作环境恶劣，常用的差压、超声波、电容、雷达等液位测量方法效果不甚理想，本发明采用浮球水银液位传感器及概率滤波技术取得了不错的结果。水银液位传感器是一个玻璃封装管，内灌水银28，玻璃管的一端有两个银触点29，银触点各有引出导线30。当水银液位传感器处于图4-1的状态时，银触点断开，主控器的输入电阻为无穷大；当水银液位传感器处于图4-2的状态时，银触点被水银短路，主控器的输入电阻为零。水银液位传感器嵌入在浮球的柔软橡胶管内，如图4-3、4-4所示；浮球随污物箱污物的液位变动，引起水银液位传感器中的水银位置变化。该液位传感器结构简单，工作可靠，维护方便。防波板底部的拦污网使污物(粪便、卫生纸等)不会粘附在浮球上，即不会影响浮球水银液位传感器的精度。污物箱两侧正对各安装一套80％、100％液位传感器，输出两两并联至控制器输入模块，即使出现污物粘附其中一个浮球的极端情况，仍能保证污物液位测量的正确性。专门设计的高压喷淋装置，在污物卸载时确保浮球的清洁。污物液面随列车波动，采用概率滤波技术消除，液位信号每采集8次，若6次为短路，则认为信号有效。
如图5所示，真空储罐式高速列车粪便排放系统工作循环任务有限状态机。控制器软件由初始化、键盘扫描、工作循环、紧急模式、集便箱保温、压力检测、液位检测7个任务组成，下面对各任务作简要说明：
初始化：负责系统上电后设备的初始化以及创建其它任务。
键盘扫描：按键检测，在键盘扫描任务中并不对按健进行处理，当检测到紧急按键按下时，按键扫描任务发送信号1给紧急模式任务；当检测到旅客冲水按键按下时，按键扫描任务发送信号2给工作循环任务。
压力检测：集便箱真空度，气源压力检测并发送标志给工作循环任务。
液位检测：小水箱、集便箱80％、100％液位检测，并发送标志给工作循环任务。
集便箱保温：测量环境温度，低于0℃时打开加热开关，高于5℃时关闭加热开关，该任务独立运行。
紧急模式：在乘务员按下紧急锁键时，关闭所有阀门输出，由按键扫描任务直接启动电磁阀9开启排污。
工作循环：系统的主任务，完成便器的冲洗，由键盘扫描任务启动。工作循环任务必须读取压力检测任务、液位检测任务的测量值。工作循环任务用一个有限状态机来控制。下面对各个状态、条件作简要说明。
准备状态：系统复位时，状态机进入准备状态。在准备状态中，状态机对小水箱加水，污物箱抽真空；当小水箱加满水并且污物箱达到设定真空度时——条件1满足，状态机进入就绪状态；否则状态机对小水箱继续加水或对暂存腔抽真空。
就绪状态：等待旅客冲水按键的按下，如果冲水按键按下——条件2满足，则进入小水箱加压状态。
小水箱加压状态：对小水箱的水加压，当压力到达设定值时——条件3满足，进入冲洗便池状态。
冲洗便池状态：打开小水箱出水口，冲洗便池2秒——条件4满足，进入排污状态。
排污状态：打开排污阀，2秒后关闭小水箱加压阀、出水口，污物箱继续吸污0.5秒——条件5满足，关闭排污阀。
污物箱抽真空状态：污物箱抽真空，进入集便箱收集污物状态。
集便箱收集污物状态：至此一个冲洗循环结束。状态机进入准备状态。
条件1：小水箱的液位以及污物箱的真空度达到设定值。
条件2：旅客按下冲水按键。
条件3：小水箱压力达到设定值。
条件4：冲洗便池2秒
条件5：排污2.5秒
条件6：污物箱真空度达到设定值
条件7：集便箱收集污物2秒
......
如图6所示，真空储罐式高速列车粪便排放系统任务关系图中
粗线表示任务之间的事件关系，细线表示任务之间的标志传递。下面对任务之间传递的信号、标志作简要说明：
信号1：按键扫描任务检测到紧急按键按下，发送信号给紧急模式任务，启动紧急模式任务。
信号2：按键扫描任务检测到冲水按键按下，发送信号给工作循环任务，启动工作循环任务。
标志1：紧急模式任务发送标志(Urgency)给工作循环任务，挂起工作循环任务。
标志2：紧急模式任务发送标志(Urgency)给温度检测任务，挂起集便箱保温任务。
标志3：包括小水箱加压压力3_1(waterPress)，污物箱真空度3_2(holeVacuum)2个标志。
标志4：包括小水箱液位4_1(waterPosition)，集便箱80％液位4_2(sen_water_level80)，集便箱100％液位4_3(sen_water_level100)3个标志。
Claims (5)
1.一种真空储罐式高速列车粪便排放系统，其特征在于包括集便器机械部件总成、控制执行阀组件、污物箱和控制器组成；所述的集便器机械部件总成由便池(14)、冲洗环(15)、小水箱(4)和真空发生器(16)组成；便池(14)中设置多个喷水口组成的冲洗环(15)，气动喷射真空发生器(16)分别与第一二位二通电磁阀(5)、第二二位二通电磁阀(7)的出口相连，第一二位二通电磁阀(5)的进口经气源压力传感器(17)接气源高压气；小水箱(4)的底部与冲洗环(15)相连，小水箱(4)的顶部与二位三通电磁阀(2)的控制口相连，二位三通电磁阀(2)的进口接气源高压气，二位三通电磁阀(2)的出口通大气；小水箱(4)的底部侧壁经液位传感器(18)与进水阀(3)的出口相连，进水阀(3)的进口与列车顶部的贮水箱相连，控制执行阀组件包括二位四通电磁阀(1)、二位三通电磁阀(2)、进水阀(3)、第一二位二通电磁阀(5)、气动排泄阀(6)、第二二位二通电磁阀(7)、第一球阀(8)、电磁阀(9)、第二球阀(10)、第三球阀(13)、污物箱防冻电热毯电源开关组成，电磁阀和污物箱防冻电热毯电源开关受控于控制器，二位四通电磁阀(1)与气动排泄阀(6)相连，第一二位二通电磁阀(5)、第二二位二通电磁阀(7)与真空发生器(16)相连；二位三通电磁阀(2)、进水阀(3)与小水箱(4)相连，小水箱(4)与冲洗环(15)相连；气动排泄阀(6)的进口与便池(14)的底部排泄口相接，气动排泄阀(6)的出口与污物箱(26)的顶部进口连接，气动排泄阀的两个控制口分别与二位四通电磁阀(1)的控制口连接，二位四通电磁阀(1)的进口接气源高压气，二位四通电磁阀(1)出口通大气。
2.根据权利要求1所述的一种真空储罐式高速列车粪便排放系统，其特征在于所述的污物箱(26)外敷保温层(24)，保温层与污物箱之间嵌有防冻电热毯(20)和温度传感器(19)；污物箱内装防波板(21)，液位传感器对应的防波板底部装有拦污网(22)，在污物箱上设有第一液位计(11)、第二液位计(12)，与控制器相连，污物箱的顶部安装高压喷淋装置(25)，高压喷淋装置(25)通过第三球阀(13)与高压水相连，污物箱底部安装的电磁阀(9)与控制器相连；污物箱底部安装第二球阀(10)。
3.根据权利要求1所述的一种真空储罐式高速列车粪便排放系统，其特征在于所述的控制器的内部模块连接关系为：MCU模块(27)分别与液位检测电路、压力检测电路、温度检测电路、按键检测电路相连，电源模块与温度检测电路相连。
4.根据权利要求3所述的一种真空储罐式高速列车粪便排放系统，其特征在于所述的MCU模块(27)、温度检测电路为：ADC0809的第26、27、28、1、2、3、4、5引脚与8HEADER相接，ADC0809的第9、10、25、24、23、22、6、17、14、15、8、18、19、20、21、7引脚与FPGA的I/O口相接，ADC0809的第13、16引脚相连后接地，ADC0809的第11、12引脚相连后接5V电源；FPGA芯片的第15、16引脚分别接第1、2电阻后接3.3V电源，FPGA芯片的第15、16引脚分别接第1、2按钮后接地，FPGA芯片的第80引脚接晶振的第3引脚，晶振的第4引脚接3.3V电源，晶振的第2引脚接地。
5.根据权利要求2所述的一种真空储罐式高速列车粪便排放系统，其特征在于所述的第一液位计(11)、第二液位计(12)采用水银液位传感器，水银液位传感器是一个玻璃封装管，内灌水银(28)，玻璃管的一端有两个银触点(29)，银触点各有引出导线(30)。
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