广州地铁集团有限公司 广州市
摘要：本文结合二十一号线水泵控制箱的存在的当停泵浮球故障时水泵无法自动启动的缺陷的研究，对二十一号线水泵控制箱的控制策略进行分析，并通过与原既有线路的优化方案对比，提出目前最优方案，供后续车站排水系统的控制策略设计提供参考。
关键字：车站排水系统、控制策略
一、研究背景
车站及区间排水潜污泵通过控制箱实现液位自动控制和现场手动控制的功能。不同的设备厂家在产品设计过程中，其控制策略各有差异，存在一定的缺陷。此缺陷，对区间水泵和车站主废水泵而言，存在废水无法及时排出，水淹道床，影响行车安全风险。“如何优化水泵控制策略，提高水泵自动控制的稳定性”，一直以来，都是地铁各线路的重点研究课题。
本次课题主要针对二十一号线水泵控制箱“停泵浮球故障时水泵无法自动启动”缺陷进行研究。同时，通过与原既有线路的优化方案对比，提出目前最优方案，可供后建线路的水泵控制箱厂家设计方面提出优化建议参考。
二、二十一号线水泵控制箱原理分析
二十一号线车站及区间主废水泵房大部分设置两台潜污泵，其水泵控制箱通过浮球采集现场水位信息，实现液位自动控制功能。其中：
（一）两台水泵轮换工作，平时互为备用，必要时两台同时工作。
（二）废水池内设超低报警水位、停泵水位、第一台泵启泵水位、第二台泵启泵水位（同时为高水位报警输出）、危险水位共五个水位。其控制策略如下：
1、启泵控制策略：
（1）超低水位时，超低水位浮球未动作，超低水位报警；
（2）当水位到达停泵水位时，超低水位及停泵水位浮球动作，两台泵处在停止工作状态；
（3）当水位到达第一启泵水位时，第一台水泵开启；（轮换启动）
（4）当水位到达第二启泵水位时，第二台水泵开启，同时发出高水位报警；
（5）当水位到达超高水位时，超高水位报警；
（6）当水位达到危险水位（高水位或者超高水位）时，水泵未正常启动，可相邻车控室远程强制启动单台水泵。（硬线节点）
（7）当五个浮球未按正常位置顺序由下往上逐个浮起动作时，PLC判断并输出浮球故障。
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图1 二十一号线水泵控制箱PLC接线图及说明
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图2二十一号线水泵控制箱强启动命令（硬线节点）
2、停泵控制策略：
当水位下降至停泵水位时，停泵浮球垂下动作，水泵停止运行。其中，超低水位浮球仅做报警功能。
（三）根据现场实际测试及控制箱程序分析，现有控制方式中，存在如下问题：
（1）水泵停泵仅通过停泵浮球动作进行判断停泵，当停泵水位浮球故障，即无法置为0时，水泵无法停止运行，存在水泵长时间运行烧坏水泵的风险；
（2）水泵启动的前提条件为停泵浮球动作，同时一级水位或二级水位动作。当停泵浮球故障，即无法置为1时，水泵无法自动启动，仅能通过远程强启方式启动。存在废水无法及时排出，水淹道床，影响行车安全的风险。
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图3 二十一号线水泵控制箱启动程序段说明
（3）当启1台泵浮球故障时，当水位达到启2台泵水位时，2台水泵同时启动，造成启动电流过大，超过配电箱内馈线开关整定值保护跳闸，造成水泵控制箱整体失电，存在废水无法排出，水淹道床，影响行车安全的风险。
三、二十一号线水泵控制箱控制策略优化分析
（一）水泵停泵控制策略优化分析
停泵控制逻辑优化：增加超低水位浮球控制功能，实现当超低水位浮球或停泵水位浮球任意1个动作时，可正常停泵。同时，结合现场实际情况，同时出现2个浮球同时故障情况较少，此优化可满足现场实际需求。
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图4 新增程序段1
（二）水泵启动控制策略优化分析
1、水泵启动控制策略优化1：增加超低水位浮球在启泵过程中的控制功能，如果停泵浮球或超低水位浮球中任意1个浮球可正常浮起动作，当水位上升至启泵水位时，即可启动。避免了单个浮球故障，影响水泵启动。
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图5新增程序段2
2、水泵启动控制策略优化2：当停泵浮球和超低水位浮球同时故障时，利用原“启一台泵浮球”作为“停泵浮球”，利用原“启两台泵浮球”作为“启泵浮球”，实现2台泵同启动抽水。
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图6新增程序段3
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图7停泵/超低水位浮球故障
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（三）两台水泵错峰启动控制策略优化分析
针对两台水泵同时启动，启动运行电流过大情况，对第二台泵启动增加计时器，延时10s启动，实现水泵错峰启动。
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图8 新增程序段4
综上情况对水泵控制箱控制策略优化，提高了控制逻辑的可靠度，在提高浮球容错率同时，更满足现场实际使用需求，降低因水泵浮球故障原因导致的水泵无法启停泵的故障率。
经对优化控制程序进行测试，未出现逻辑冲突情况，测试各项优化功能均能实现。
四、二十一号优化与既有线路前期优化情况对比分析
（一）前期线路水泵控制箱控制策略优化成果说明
在前期改造中，主要针对高水位浮球动作的绝对优先权进行优化改造，即如果高水位浮球故障将会造成错误的启泵输出：
1、实际水位已达到高水位，但高水位浮球故障，此时根据控制逻辑，PLC无法输出双泵运行的信号，只能维持单泵运行，如果水量增加过快，会导致抽排不及甚至烧泵等影响；
2、高水位浮球动作闭合，但实际水位已低于高水位，此时根据控制逻辑，不管实际水位高低，PLC都会持续保持两台泵运行输出，直到水泵故障为止。
经过优化，启两台泵原则由“高水位绝对优先”优化为“少数服从多数”。
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（二）二十一号线与既有线路优化情况的对比分析
经对照二十一号线与既有线路前期优化成果对比，大部分控制策略统一，同时，又各有所长之处，具体如下：
1、既有线路：为避免单台泵排水不及时、高水位浮球故障或单台水泵堵塞情况下单泵长时间运行（甚至水泵烧毁故障）的情况，当单台水泵长时间运行（超过20分钟）时，自动增加启动第二台泵。
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图9 新增程序段5
2、二十一号线：在停泵浮球和超低水位浮球故障时，可实现高水位时，2台泵同时启动，当水位下降至启泵水位时停泵的功能，确保水泵在2个浮球故障时，任能实现自动基本启停功能。
3、综上情况，对二十一号线控制策略进行进一步优化补充，如下所示：
4、同理，对一控一和一控三水泵控制箱策略提出优化建议如下：
（1）一控一优化建议
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（二）一控三优化建议
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（三）控制策略总结
以一控二水泵控制箱控制策略为例，广州地铁十三五等规划后建线路的水泵控制箱厂家设计方面除满足常规的控制要求外，还需要单个浮球不能影响系统整体运行。即有如下要求：
（1）超低水位报警，同时控制回路应保证两台泵都处于停泵状态；
（2）当水位到达停泵水位时，两台泵均应停止工作；
（3）当水位到达第一启泵水位时，第一台泵开启；
（4）当水位到达第二启泵水位时，第二台泵开启同时控制回路应保证两台泵都处于运行状态；同时发出报警信号。
（5）当水位达到危险水位时，相邻车控室远程强制启动水泵。
（6）满足当停泵浮球卡滞时，超低水位报警，两台泵均应停止工作。
（7）满足当停泵浮球或超低水位浮球任意1个可正常动作情况，水位到达第一启泵水位或第二启泵水位时，亦可启泵。
（8）满足停泵浮球和超低水位浮球同时故障时，水位到达第二启泵水位可自动启动两台泵，水位降低至第一启泵水位时自动停泵。
（9）满足多台水泵错峰启动，避免瞬时电流过大导致开关跳闸情况。
（10）满足单台水泵运行时间过长时（抽水不及、堵泵或高水位浮球故障时），自动启动另外一台泵。
五、结论
地铁车站多数为地下站，排水系统对于地铁运营安全至关重要。当出现高水位时，水泵能否正常启动直接决定了排水效果。
以上优化后的水泵控制策略（一控一、一控二、一控三），在充分考虑了浮球故障影响、水泵电机保护、电源开关预防过电流的基础上，针对每个可能出现的故障隐患点采用各种应对措施，降低系统部件故障对水泵运行的影响。在充分挖掘水泵排水能力的同时又尽可能地对水泵和电源开关进行保护，最大程度地保证排水能力，从而保障地铁车站及区间的防洪排涝需求。
建议地铁车站内的水泵控制系统可参考以上优化后的水泵控制策略进行设计，形成线网统一标准，有利于水泵实现排水功能且便于人员操作培训。