電子工程論文發表地鐵排水系統液位控制研究

　　摘要：系統介紹地鐵排水系統及控制要求，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、造價以及遠程監控可行性等方面進行比較、分析和研究。

　　關鍵字：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構，施工、運營期間產生的污水、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，將導致污廢水灌入區間軌行區、車站內設備管理用房，對車輛的正常運行及各類電氣設備造成危害，影響行車系統的正常運行。2001年臺北捷運(地鐵)年因納莉臺風侵襲，發生淹水事件，歷時2個月才完全恢復。所以，地鐵排水系統的安全可靠運行是車輛正常運營的保證。

　　一、地鐵排水系統及控制要求

　　地鐵排水系統主要由廢水系統、污水系統、雨水系統三部分組成。廢水系統是在車站或區間最低點處設立廢水泵房，將車站的地漏廢水、消防廢水及結構性滲水收集在泵房內的廢水坑里，由潛污泵排出地面，匯入市政廢水管網;污水系統主要處理運營期間的衛生間生活污水，污水由衛生間下方的污水池收集，由潛污泵排入地面市政污水管網;雨水系統的泵站主要設置在車站敞開式出入口扶梯及風亭下，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。

　　按照國家現行的地鐵系統給排水設計規范及控制要求，廢水泵房、污水泵房及雨水泵房一般設置兩臺潛污泵，平時一用一備，輪換運行。泵房內設置控制箱實現排水系統的自動控制和手動控制切換，自動控制時水位狀態信號反饋車控室，可實現遠程控制。自動運行時，依靠廢水坑內預先設置的不同水位來控制潛污泵的運行，達到自動排水的目的。

　　二、常用液位控制方式

　　在自動控制模式下，排水系統在不同控制水位的安全可靠運行是地鐵排水系統液位控制的主要任務。目前國內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的關鍵。

　　(一) 重錘式浮球液位控制

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

　　如要實現四個不同控制水位控制，可采用多個浮球。如圖1(b)所示，3個浮球可進行6個水位的控制，滿足地鐵廢水系統的液位控制需要。

　　重錘式浮球液位控制是國內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接點壽命可達200萬次);安裝簡單，維護方便，可進行現場維修及控制水位調整;每個開關對應相應的點位，不會因為泵坑內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量信號，提供到達某個水位的監控信號，不能做到水位的實時監控;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，導致水位控制失效;對于一個泵坑內的多個浮球，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致開關失靈;重錘式浮球多數采用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

　　連桿浮球液位開關與普通浮球液位開關原理基本相同，仍是將密封的非磁性金屬或塑膠管內根據需要設置一點或多點磁簧開關，再將中空而內部有環形磁鐵的的浮球固定在桿徑內磁簧開關相關位置上，使浮球在一定范圍內上下浮動，利用浮球內的磁鐵去吸引磁簧開關的閉合，產生開關動作，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;一旦連桿開關中有一個點位失靈，則整個連桿式浮球開關無法控制;與重錘式液位控制一樣，只能提供開關信號，無法做到水位的實時監控;一旦發生故障，必須返廠進行維修，現場無法維修。

　　(三) 超聲波液位控制

　　超聲波液位控制是由探頭發出高頻超聲波脈沖遇到被測介質表面(被測液體表面)被反射回來，部分反射回波被探頭再次接收，轉換成電信號。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發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表面的距離成正比，可測量出發射點到反射介質表面的距離(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”已經存儲在探頭內。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，輸出對應于液位的4-20mA電流。“液位量程”也是預先存儲在探頭內的。當液位=0時，探頭在輸出線上輸出4mA電流;當液位=“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);輸出為連續的信號，可通過控制箱內液體控制儀任意設定多個水位信號(無上限);輸出信號可直接連接控制柜后接至車站BAS系統，在車控室內進行實時水位監測。

　　但是，由于發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域內的反射波與發射波重迭，無法識別，不能測量其距離值，這個區域稱為測量盲區;探頭的輸入電源為24V直流，需要在控制柜內增加整流回路，另外需要在控制柜內加裝液位控制儀及智能數顯儀，用以接受傳感器信號，增加控制柜成本;一旦探頭發生故障，必須返廠進行維修。

　　三、結論

　　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域發揮著越來越重要的作用。地鐵系統運行的安全可靠是地鐵內所有系統的核心任務;問題發現及時，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過程中需要考慮的問題。

　　以上三種液位控制方式各有優缺，在具體實施過程中需根據所在城市的氣候、地質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，進一步增加地鐵排水系統運行的可靠性。