广州地铁区间排水静压式液位传感器控制技术改造研究

摘要：水泵是地铁区间排水系统的核心组成部分，其系统运行的稳定性将直接关系到区间排水安全，影响列车运营的准点性。目前广州地铁区间水泵控制逻辑都是按照正常情况进行设计，且设计上无论是软件还是硬件方面均存在一定的缺陷，没有充分考虑到一些异常情况的处理。本文针对原水泵控制的缺陷进行研究优化改造，在保持原有的浮球控制程序的基础上，通过增加硬件及修改软件程序的方式，采用静压式液位传感器控制方式，对原水泵控制程序进行技术改造，提高设备运行控制的稳定性。

关键词：地铁区间、水泵、静压式液位传感器、改造

中图分类号：S276文献标识码：A

Abstract:

1、引言

广州地铁站点大部分建设在地底下，地势较为低洼，各类水源，如结构漏水、雨水、车站废水、车站生活污水、消防水等都会直接汇聚到车站或区间的泵房内，通过集水井内潜污泵的抽排功能，抽排至地面压力井消能后，汇入附近的雨水或污水管网。区间泵房是保障地铁在区间运行安全的重要手段，其直接关系到地铁的运营安全，若因区间泵房排水设备故障，造成无法启动，将有可能在短时间内造成水淹道床，进而影响列车的正常运作。故区间的排水系统作为保障地铁车辆安全运行的重要设施，其稳定性要求极高。

2、广州地铁区间排水系统

由于受区间结构漏水以及车站废水影响，广州地铁一般会在隧道区间最低处设置一个或多个区间泵房，通过潜水泵将废水排放到地面压力井，汇入市政排水系统。区间泵房一般设置2台或3台潜水泵，各台潜水泵的启停都是PLC根据集水井内的浮球液位控制开关信息输入进行自动控制。平时各台水泵间互为备用，当某台泵故障不能启动时，自动切换到另一台泵运行。当水量较大，水位上升较快，单台水泵不能及时将水排走时，就会启动两台或三台水泵同时工作。

3、浮球液位控制开关存在的缺陷

广州地铁各线所用浮球控制方式能够实现水泵的启停功能和高低水位报警功能，但从实际使用的情况来看，存在以下几方面的缺陷：

（1）浮球液位控制开关容易缠绕卡滞导致动作失效。

（2）浮球液位控制开关机械动作触点动作不可靠，出现时通时不通的偶发故障。这种故障在机械式浮球液位控制开关表现较多。

（3）当发生浮球故障时，不能及时报警，多次发生水淹道床才能被发现的事故。

（4）浮球液位控制开关不能以数字形式直观地反映现场水位高度。

（5）超低水位浮球故障后，水泵无法正常启动，容易导致区间废水无法及时排出，进而水淹道床，影响列车运行。

本文将以设置两台潜水泵的泵房为例，在保持原有水泵控制功能的前提下，探讨区间泵房增加静压式液位传感器控制，实现区间排水功能“双保险”，保证排水安全问题。

4、静压式液位传感器工作原理

静压式液位传感器是一种测量液位的压力传感器，是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA/1～5VDC）。

静压式液位传感器工作原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到相应的液压，其中传感器迎液面的压力可通过公式Ρ = ρ.g.H + Po计算出来。

式中： P ：液位变送器迎液面所受压力

ρ：被测液体密度

g ：当地重力加速度

Po ：液面上大气压

H ：变送器投入液体的深度

通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po，使传感器测得压力为：ρ.g.H。所以，通过测取压力 P，从而得到液位深度。

5、技术改造方案

5.1硬件条件

5.1.1模拟量模块

区间的结构漏水量是一个连续输入而且连续变化的模拟量，水泵的电机要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准的电流或电压，如4～20mA，1～5V，0～10V，PLC用A/D转换器将它们转换成数字量。这些数字量可以是二进制的，也可以是十进制的，带正负号的电流或电压在A/D转换后一般用二进制补码表示。D/A转换器将PLC的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构，即控制水泵的电机。模拟量I/O模块的主要任务就是完成A/D转换(模拟量输入)和D/A转换(模拟量输出)。

三号线水泵控制箱采用PLC控制方式，PLC型号为TWDLCAA24DRF，支持通过添加扩展模拟量模块来支持模拟量输入。经查技术手册，我们选择TWDAMM3HT 型号的模拟量扩展模块，该模块可2路模拟量输入1路模拟量输出。

图1：TWDAMM3HT 模拟量输入模块

图2：TWDLCAA24DRF PLC结构示意图

图3：模拟量模块安装图

5.1.2 静压式液位传感器

广州地铁集水井的深度普遍在0～15米之间，静压式液位传感器的测量范围需大于15米。结合TWDAMM3HT 模拟量输入模块的技术参数：4～20mADC，要求静压式液位传感器的输出信号电流需在模拟量输入模块输入电流范围之内。经比较，我们在市场上选择一款静压式液位传感器，其主要技术参数如下：

测量范围：0-20米

测量精度：±0.5%FS

输出信号：4～20 mA或1～5VDC

过载能力：2～3倍量程

温度漂移：0.02%FS/℃

供电电源：18～36VDA

介质温度：-20～80℃

环境温度：-30℃～80℃

环境湿度：

5.1.3 显示屏

对比传统的浮球液位控制开关，采用静压式液位传感器来控制液位，其中有一项优势就是能够直观地观察水位的高度，液位的高度可通过显示屏的数字直接读出，以便于现场维修人员能够快速准备地判断现场的情况，以及每小时水位的变化情况，以便维修人员能够及时消除隐患。显示屏的输入信号采自TWDLCAA24DRF PLC，其型号的选用需与TWDLCAA24DRF PLC相匹配，输入电流和电压需在PLC的输出范围之内。经比较，我们选用一款智能单光柱测控仪，其主要技术参数如下：

基本误差：0.5％FS或 0.2％FS±1个字

分 辨 力：1/20000、14位A/D转换器

显示方式：双排四位LED数码管和双排光柱同时显示

采样周期：0.5S

报警输出：二限报警或四限报警，报警方式、报警灵敏度可设置，继电器输出触点容量 AC220V/3A或AC220V/1A

变送输出： 4～20mA、0～10mA、1～5V、0～5V 精度：±0.3％FS

通讯输出：接口方式--隔离串行双向通讯接口RS485/RS422/RS232/Modem

波特率--300～9600bps内部自由设定

馈电输出：DC24V/30mA

电 源：开关电源 85～265VAC 功耗4W以下

5.2 软件条件

以两台水泵为例，两台水泵设置四级水位，分别是超低水位、停泵水位、启一台泵水位、启两台泵水位。采用静压式液位传感器控制改造后，需满足原先四水位控制要求。水位的控制可以通过设置PLC来实现，具体的水位高度可根据现场实际情况来调整。

首先，在原水泵控制箱中增加扩展模拟量模块，满足连续变化的模拟量输入。模拟量模块配置如下图所示，输入电流为4～20mA，范围为0～20000。

图4：模拟量模块配置

其次，在对模拟量模块配置后，需对原水泵控制程序进行改造，设计需满足原浮球控制的水位要求。原2台潜水泵设计由四个浮球控制四个水位，分别是超低水位、停泵水位、启一台泵水位、启两台泵水位，比照原四个浮球所处的位置，对静压式液位传感器的启泵水位进行定义，程序所示如下：

图5：四级水位高度程序图

%MW0：=%IW0.1.0：模拟量输入值

%MW13：=13000：设定静压式液位传感器工作参数，13000为两台水泵同时启泵的水位信号数值

%MW12：=11000：设定静压式液位传感器工作参数，11000为一台水泵启泵的水位信号数值

%MW11：=9000：设定静压式液位传感器工作参数，9000为停泵水位信号数值

%MW11：=7000：设定静压式液位传感器工作参数，7000为超低水位保护信号数值

在设定四级水位高度的信号数值后，我们需要对静压式液位传感器故障进行定义。静压式液位传感器故障时，模拟量输入值为0或无输入，即%MW0的输入点为0，程序定义如下：

图6：静压式液位传感器故障点定义

%MW15：X15：定义现场集水井水位为0或者静压式液位传感器故障输出

当模拟量输入点为0时，经过（%TM30）延时闭合型计时器延时3s后，输出故障显示。

在设定故障输出点后，我们需要进一步明确四级水位水泵的启停泵条件，程序设计如下：

图7：静压式液位传感器启停泵水位程序条件图

%MW15：X0：表示1#水泵启泵

%MW15：X1：表示2#水泵启泵

%MW15：X3：表示两台水泵处于停泵状态

%MW15：X4：表示两台水泵处于超低水位保护状态

“MW0>=%MW12”，表示当模拟量输入信号值>=11000时，则1#水泵启动；

“MW0>=%MW13”，表示当模拟量输入信号值>=13000时，则2#水泵启动；此时由于%MW13>%MW12，实际上1#、2#水泵均处于启动状态。

“MW0>=%MW11”，表示当模拟量输入信号值>=9000，且未达到11000时，两台水泵均处于停泵状态。

“MW0>=%MW10”，表示当模拟量输入信号值>=7000，且未达到9000时，两台水泵均处于超低水位的保护状态。

下面，我们来对水泵运行程序进行“双保险”优化：

1、一台水泵启动程序“双保险”优化：

图8：一台泵启泵“双保险”程序优化图

%IO.0：一台水泵运行水位浮球输入，到达水位为通，否则为断

%M23、%M24：虚拟继电器

当%MW0为0时，即静压式液位传感器没有数据输入或损坏等情况时，%MW15：X15处于闭合状态，这时水泵沿用了之前的浮球启动程序控制；如果%MW0不为0时，即静压式液位传感器有数据输入，则采用新加装的程序，经（%TM0）计时器延时3秒后使%M20（%M20为中间继电器）闭合启动1#水泵进行排水。

2、二台水泵启动程序“双保险”优化：

图9

：二台泵启泵“双保险”程序优化图

%IO.1：二台水泵运行水位浮球输入，到达水位为通，否则为断

当%MW0为0时，即静压式液位传感器没有数据输入或损坏等情况时，%MW15：X15处于闭合状态，这时水泵沿用了之前的浮球启动程序控制；如果%MW0不为0时，即静压式液位传感器有数据输入，则采用新加装的程序，经（%TM0）计时器延时3秒后使%M21（%M21为中间继电器）闭合启动2#水泵进行排水。

图10：停泵“双保险”程序优化图

%IO.3：停泵水位浮球输入，到达水位为断，否则为通

当%MW0为0时，即静压式液位传感器没有数据输入或损坏等情况时，%MW15：X15处于闭合状态，这时水泵沿用了之前的浮球启动程序控制；如果%MW0不为0时，即静压式液位传感器有数据输入，则采用新加装的程序，经（%TM0）计时器延时3秒后使%M23（%M23为中间继电器）闭合启动两台水泵停止工作。

图11：超低水位保护“双保险”程序优化图

%IO.4：超低水位浮球输入，到达水位为断，否则为通

当%MW0为0时，即静压式液位传感器没有数据输入或损坏等情况时，%MW15：X15处于闭合状态，这时水泵沿用了之前的浮球启动程序控制；如果%MW0不为0时，即静压式液位传感器有数据输入，则采用新加装的程序，经（%TM0）计时器延时3秒后使%M24（%M24为中间继电器）闭合，两台水泵处于低水位保护状态。

6、测试效果及应用

我们使用施耐德的TWIDO系列PLC作为试验平台，在地铁三号线客村站主废水泵房测试改造优化后的各种控制输出情况。经测试，原浮球控制程序和新加装改造的静压式液位控制器控制程序能够形成互补，两种控制方式的故障均可以通过EMCS（机电监控系统）反馈给环调监控平台，且新加装的静压式液位控制器能够通过模拟量输出模块输出的信号，在显示屏中能够直观地读出现场水位的高度，方便了检修人员对现场水位的判断。同时，在经过一年的试运行测试，发现静压式液位传感器的故障率明显比原先的浮球控制方式要低，两种控制方式并存的方式，为区间的排水安全增加了一道保障，特别是对于漏水量较大的区间，能够为检修人员争取更多的故障处理时间，避免发生水淹道床，发生影响列车运营事件。

7、结束语

本文通过软件和硬件的改造，实现了静压式液位传感器控制水泵启停泵，达到区间排水的智能控制要求。同时，又保留了原有的浮球控制软件程序，实现静压式液位传感器控制和浮球控制双重保险，有效地提高了区间排水系统运行的稳定性，防止意外情况发生。目前，静压式液位传感器控制程序在地铁三号线已试运行了一年多，故障率较低，试运行情况效果良好，方案将推广到线网使用。