電子工程論文發(fā)表地鐵排水系統(tǒng)液位控制研究

　　摘要：系統(tǒng)介紹地鐵排水系統(tǒng)及控制要求，針對重錘式浮球、連桿式浮球、超聲波液位傳感器三種液位控制方式，從控制原理、可靠性、后期維護(hù)、造價以及遠(yuǎn)程監(jiān)控可行性等方面進(jìn)行比較、分析和研究。

　　關(guān)鍵字：地鐵排水,重錘式浮球,連桿式浮球,超聲波液位傳感器,液位控制

　　前言：地鐵車站大部分為地下結(jié)構(gòu)，施工、運營期間產(chǎn)生的污水、地下土層的滲漏廢水、開口部位的雨水等，如沒有安全可靠的排水系統(tǒng)，將導(dǎo)致污廢水灌入?yún)^(qū)間軌行區(qū)、車站內(nèi)設(shè)備管理用房，對車輛的正常運行及各類電氣設(shè)備造成危害，影響行車系統(tǒng)的正常運行。2001年臺北捷運(地鐵)年因納莉臺風(fēng)侵襲，發(fā)生淹水事件，歷時2個月才完全恢復(fù)。所以，地鐵排水系統(tǒng)的安全可靠運行是車輛正常運營的保證。

　　一、地鐵排水系統(tǒng)及控制要求

　　地鐵排水系統(tǒng)主要由廢水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)三部分組成。廢水系統(tǒng)是在車站或區(qū)間最低點處設(shè)立廢水泵房，將車站的地漏廢水、消防廢水及結(jié)構(gòu)性滲水收集在泵房內(nèi)的廢水坑里，由潛污泵排出地面，匯入市政廢水管網(wǎng);污水系統(tǒng)主要處理運營期間的衛(wèi)生間生活污水，污水由衛(wèi)生間下方的污水池收集，由潛污泵排入地面市政污水管網(wǎng);雨水系統(tǒng)的泵站主要設(shè)置在車站敞開式出入口扶梯及風(fēng)亭下，地面雨水由雨水井收集后，通過潛污泵就近排至地面市政廢水管網(wǎng)。

　　按照國家現(xiàn)行的地鐵系統(tǒng)給排水設(shè)計規(guī)范及控制要求，廢水泵房、污水泵房及雨水泵房一般設(shè)置兩臺潛污泵，平時一用一備，輪換運行。泵房內(nèi)設(shè)置控制箱實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動控制和手動控制切換，自動控制時水位狀態(tài)信號反饋車控室，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。自動運行時，依靠廢水坑內(nèi)預(yù)先設(shè)置的不同水位來控制潛污泵的運行，達(dá)到自動排水的目的。

　　二、常用液位控制方式

　　在自動控制模式下，排水系統(tǒng)在不同控制水位的安全可靠運行是地鐵排水系統(tǒng)液位控制的主要任務(wù)。目前國內(nèi)地鐵一般采用重錘式浮球液位控制、連桿式浮球液位控制及超聲波液位控制三種方式，液位控制方式的性能就成為整個地鐵排水系統(tǒng)的關(guān)鍵。

　　(一) 重錘式浮球液位控制

　　在密封的非磁性金屬或塑膠管內(nèi)根據(jù)需要設(shè)置一點磁簧開關(guān)，再將中空而內(nèi)部有環(huán)形磁鐵的浮球固定在桿徑內(nèi)磁簧開關(guān)相關(guān)位置上，浮球比重小于液體密度，液體使浮球以重錘(位置根據(jù)不同控制液位進(jìn)行調(diào)整)為原點上下浮動，利用浮球內(nèi)的磁鐵去吸引磁簧開關(guān)的閉合，產(chǎn)生開關(guān)動作，以控制液位。如圖1(a)所示，單獨一個重錘式浮球，可產(chǎn)生兩個開關(guān)量，在停泵水位時，浮球到達(dá)最低點，重錘內(nèi)磁簧開關(guān)斷開，水泵停止工作，同時將一個開關(guān)信號(如OFF)反饋給控制箱或遠(yuǎn)程控制終端;在啟泵水泵時，浮球到達(dá)最高點，磁簧開關(guān)閉合，水泵啟動，開始排水，反饋一個開關(guān)信號(如ON)至控制終端。

　　如要實現(xiàn)四個不同控制水位控制，可采用多個浮球。如圖1(b)所示，3個浮球可進(jìn)行6個水位的控制，滿足地鐵廢水系統(tǒng)的液位控制需要。

　　重錘式浮球液位控制是國內(nèi)地鐵排水最常用的控制方式，其整體性能可靠，造價便宜，使用壽命長(氧化銠涂層的磁簧開關(guān)接點壽命可達(dá)200萬次);安裝簡單，維護(hù)方便，可進(jìn)行現(xiàn)場維修及控制水位調(diào)整;每個開關(guān)對應(yīng)相應(yīng)的點位，不會因為泵坑內(nèi)其他的浮球損壞而影響其他水泵的點位的控制。

　　但重錘式浮球液位控制方式只能提供開關(guān)量信號，提供到達(dá)某個水位的監(jiān)控信號，不能做到水位的實時監(jiān)控;浮球易受外界雜物影響，特別是纖維狀的雜物纏繞造成浮球無法上浮，導(dǎo)致水位控制失效;對于一個泵坑內(nèi)的多個浮球，安裝前需做好測量，否則容易因線纜長度過長或重錘間距太小造成線纜纏繞導(dǎo)致開關(guān)失靈;重錘式浮球多數(shù)采用220V單相供電，存在一定的用電安全隱患。

　　(二) 連桿式浮球液位控制

　　連桿浮球液位開關(guān)與普通浮球液位開關(guān)原理基本相同，仍是將密封的非磁性金屬或塑膠管內(nèi)根據(jù)需要設(shè)置一點或多點磁簧開關(guān)，再將中空而內(nèi)部有環(huán)形磁鐵的的浮球固定在桿徑內(nèi)磁簧開關(guān)相關(guān)位置上，使浮球在一定范圍內(nèi)上下浮動，利用浮球內(nèi)的磁鐵去吸引磁簧開關(guān)的閉合，產(chǎn)生開關(guān)動作，以控制液位。

　　連桿式浮球液位控制在浮球和重錘的連接上，用剛性的金屬桿代替柔性的纜線，在需要多個控制水位的情況下，可有效防止線纜纏繞，提高控制的可靠性(見圖2);此外所有開關(guān)的出入線都集中在接線盒里面，施工簡單方便，降低配線成本。但是，連桿式浮球液位控制成本較高;一旦連桿開關(guān)中有一個點位失靈，則整個連桿式浮球開關(guān)無法控制;與重錘式液位控制一樣，只能提供開關(guān)信號，無法做到水位的實時監(jiān)控;一旦發(fā)生故障，必須返廠進(jìn)行維修，現(xiàn)場無法維修。

　　(三) 超聲波液位控制

　　超聲波液位控制是由探頭發(fā)出高頻超聲波脈沖遇到被測介質(zhì)表面(被測液體表面)被反射回來，部分反射回波被探頭再次接收，轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所需時間間隔與換能器到被測介質(zhì)表面的距離成正比，可測量出發(fā)射點到反射介質(zhì)表面的距離(回聲測距法)。如圖3所示，探頭固定安裝在支架上。用螺桿連接，探頭向液面發(fā)射超聲波。利用回聲測距法，測量探頭到液面的距離“D”。探頭到“水位=0”點的距離“L”已經(jīng)存儲在探頭內(nèi)。探頭用“L”減去“D”得出液面到“水位=0”點的距離，即液位“H”。

　　外部輸入24V直流供電，輸出對應(yīng)于液位的4-20mA電流。“液位量程”也是預(yù)先存儲在探頭內(nèi)的。當(dāng)液位=0時，探頭在輸出線上輸出4mA電流;當(dāng)液位=“液位量程”時，探頭在輸出線上輸出20mA電流;液位在0與量程之間時，輸出線上的電流在4～20mA之間按液位線性比例輸出。

　　超聲波液位控制的探頭一般發(fā)射功率大，靈敏度高;超聲波液位控制的安裝簡單方便，可以安裝在液面上方任意位置(需高于泵坑20cm以上);輸出為連續(xù)的信號，可通過控制箱內(nèi)液體控制儀任意設(shè)定多個水位信號(無上限);輸出信號可直接連接控制柜后接至車站BAS系統(tǒng)，在車控室內(nèi)進(jìn)行實時水位監(jiān)測。

　　但是，由于發(fā)射的超聲波脈沖有一定的寬度，使得距離探頭較近的小段區(qū)域內(nèi)的反射波與發(fā)射波重迭，無法識別，不能測量其距離值，這個區(qū)域稱為測量盲區(qū);探頭的輸入電源為24V直流，需要在控制柜內(nèi)增加整流回路，另外需要在控制柜內(nèi)加裝液位控制儀及智能數(shù)顯儀，用以接受傳感器信號，增加控制柜成本;一旦探頭發(fā)生故障，必須返廠進(jìn)行維修。

　　三、結(jié)論

　　地鐵作為城市公共交通的重要組成部分，在各地的交通運輸領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。地鐵系統(tǒng)運行的安全可靠是地鐵內(nèi)所有系統(tǒng)的核心任務(wù);問題發(fā)現(xiàn)及時，處理快速是不影響安全行車的先決條件;而施工難度和實施成本也是地鐵工程建設(shè)過程中需要考慮的問題。

　　以上三種液位控制方式各有優(yōu)缺，在具體實施過程中需根據(jù)所在城市的氣候、地質(zhì)條件及地鐵運行狀況的特點考慮選取何種方式。此外，也可以考慮同時采用兩種控制方式，進(jìn)一步增加地鐵排水系統(tǒng)運行的可靠性。