高原鐵路給水自動化系統應用 及故障處理的研究

楊凱剛

新建敦格鐵路（青海段）地處高原，海拔高，晝夜溫差大，環境惡劣，無人值守的站點居多， 給水自動化系統能夠滿足鐵路系統各部門生產、生活用水需求。本文介紹了敦格鐵路給水自動化系統的結構以及性能特點，并以大柴旦給水自動化系統為例，詳細分析了敷設控制電纜控制水泵啟停時，控制系統出現故障后的處理方法。

一、引言

鐵路給水系統是我國鐵路系統中非常重要的組成部分，主要承擔著列車飲用水和清潔用水，以及鐵路沿線各個站區生產、生活的用水供給。鐵路給水系統主要由給水所、蓄水池、深井泵房等組成，該系統運行是否正常，以及效率的高低將直接影響整個鐵路系統的生產、生活。

鐵路給水自動化系統利用自動控制、計算機等技術，具有監控給水設備運行狀況，實現減員增效等優點，在鐵路系統中得到了廣泛的應用。敦格鐵路地處高原，海拔高，晝夜溫差大，環境惡劣，無人值守的站點居多， 給水自動化系統的應用為鐵路系統各個部門的安全，不間斷用水提供了有力的保障。

二、系統結構說明

新建鐵路敦煌至格爾木（青海段）給水自動化系統由標準化的功能終端和標準化的網絡傳輸通道組成。

1.標準化功能終端

給水自動化系統共涉及4 類標準化功能終端，即水泵和閥控制功能終端（泵閥遠控箱）、水計量功能終端（遠傳流量計）、模擬量采集功能終端（液位/壓力采集終端）以及電計量功能終端（累計電量采集器），系統中以泵閥遠控箱、遠傳流量計、液位/壓力采集終端、累計電量采集器4 類終端分別實現以上4 項功能，對自動化系統所涉及的液位、壓力、流量、電量水泵閥門開停狀態等模擬和數字量進行采集、傳輸和控制。

這四類終端均為標準化配置，各站間同類功能終端硬件可以相互替換，參數可以獨立靈活設置，以標準化功能終端取代傳統的集中監控模式，最大限度地降低了系統的復雜性，提高了系統的可靠性，并最大限度地有利于終端設備的運營維護。

2.標準化網絡通道

系統采用標準化的以太網作為給水自動化系統信息和控制命令的傳輸通道。通過標準化的網絡端口，即可將任一標準化功能終端掛在網絡上，將全線各站給水自動化設備連接成網絡。通過該網絡通道，可以對各個站的水泵和閥門進行遠程開工，對各個站的用電量、用水量實施遠程抄讀，對具備標準化網絡接口的設備實施遠程訪問，自動實現用水量、用電量等數據的自動記錄和保存，實現設備和終端的臺賬管理和月報表的打印等。

給水自動化系統由以上標準化功能和標準化網絡通道組成，構成模塊化、標準化、可擴充的給水自動化網絡，從系統結構上克服了傳統給水集中監控模式系統復雜、可維護性差、各站軟硬件設備不通用的弊端，最大限度地降低了系統的復雜性，提高了系統的可靠性，并最大限度地有利于系統終端設備運營維護保養。

敦格鐵路給水自動化系統在魚卡車站設立給水調度室，對全線各站的給水設備終端進行遠程控制和管理。在各站配置相應標準化終端，進行給水自動化控制。

三、系統性能及特點

敦格鐵路給水自動化系統采用先進的施耐德ACS510 變頻器以及S7-200 PLC 控制器+觸摸屏對官網壓力進行控制，能夠簡化操作難度。

在自動狀態下，用戶在觸摸屏參數設置畫面設置需要恒定壓力值后，通過S7-200 PLC 控制器與變頻器之間的相互控制，使管網壓力始終保持在設定壓力值誤差范圍值之內。在對生活管網進行供水時，系統執行管網設定壓力。

該系統具有如下特點：

（1）系統運行過程中無功耗小，功率因素高，一般可達0.85 以上，運行效率為95%以上，系統基本處于經濟運行狀態。

（2）自動化程度高，技術先進，其控制核心為S7-200 PLC 控制器及施耐德ACS510 變頻器，智能識別管道壓力，響應速度快，精度及穩定性好，能夠保證系統在復雜情況下長期安全無故障運行，性能非常穩定。

（3）設備高效節能，采用變頻調速器，按需要設定供水壓力，根據管網用水量來變頻調速水泵轉速，使水泵始終在高效節能運行，該設備同普通無塔供水設備相比，節能達25%。

（4）對電網沖擊小，保護功能完善。系統平時均處于變頻運行狀態，消除直接啟動或降藕式啟動時對電網的沖擊和干擾，并且設備控制系統具有短路、過流、過壓、過載、欠壓、缺相、過熱等多種安全保護功能，大大提高了工作效率，延長水泵的使用壽命。

（5）全自動供水設備，無需人員值班看守。

（6）控制精度高，且準確壓力顯示，使操作人員及時了解管網壓力狀況。該系統采用精確的模擬量及通訊功能，實況顯示各類數據，避免誤區。

（7）具有定時換泵功能，換泵時間由用戶自行設定，大大延長了水泵的使用壽命。

（8）具有自動巡檢功能，若一臺泵故障會及時切換另外一臺泵保證供水。

四、系統故障排除

以大柴旦火車站為例，大柴旦給水自動化系統有一座給水所，設置一套施耐德ACS510 變頻器以及S7-200 PLC 控制器，距離火車站3km；一座500M3蓄水池；距離給水所1km 外設置一座深井泵房。

蓄水池處控制器用漂浮式液位控制器，水池和深井泵房之間敷設3*4mm2控制電纜傳輸水池液位信號，深井泵房內設水泵控制柜，利用中間繼電器控制交流接觸器實現水泵的自動啟停。

1.故障現象

大柴旦給水自動化系統在正常運行兩天后出現故障：給水所蓄水池在達到設定水位后，深井泵房中的水泵無法自動停止工作，手動停止后，待水位下降到設定位置后，水泵可以自動啟動。

2.故障判斷

現場模擬蓄水池高水位信號，通過控制電纜的傳輸給深井泵房的控制柜，在20 次實驗中只有一次能夠使水泵自動停止工作，同樣模擬蓄水池低水位信號時，在20 次實驗中有20 次能夠實現水泵的自動啟動，由此可以判斷給水自動化系統中的控制系統出現故障。

首先排查蓄水池中的漂浮式液位控制器出現故障，在更換新的漂浮式液位控制器后，進行模擬試驗仍然無法實現按照要求啟停。

再次排查控制電纜在敷設時出現破皮接地，在對電纜進行測試后，發現電纜沒有出現破皮情況。

最后排查深井泵房中控制柜的控制回路，發現中間繼電器應分不分是造成系統無法啟停的主要原因。

在排查故障時給中間繼電器模擬信號試驗動作正常，排除中間繼電器故障，但是在用萬用表測試液位信號分開后中間繼電器接觸線圈發現時，發現接觸線圈兩端仍然有一個60V～90V 的不穩定的電壓存在。此時可以斷定中間繼電器不分合的原因是液位控制器給出分開信號后中間繼電器接觸線圈應該失去電壓斷電，繼電器分開，但是由于接觸線圈存在有殘存電壓導致繼電器無法分開。

經查詢和論證發現，長距離電纜在帶交流電后，在線間會形成分布電容，1km 長的控制電纜相當于一個電容串聯在液位控制器和中間繼電器接觸線圈之間，當液位控制器發出高水位信號電纜物理斷點斷開后電纜兩端因電容原因仍有加載在中間繼電器接觸線圈上一個電壓存在，而這個電壓值在繼電器線圈工作電壓范圍內，造成中間繼電器接觸線圈仍然帶電導致吸合不分開，從而無法控制交流接觸器斷開控制水泵自動停止。

3.故障修復

將深井泵房控制柜中交流中間繼電器更換為直流中間繼電器，進行多次試驗后給水系統能夠按照低水位啟動，高水位停止的要求，說明控制電纜加直流電壓不能形成電容，不會影響中間繼電器分合。

五、結語

鐵路給水自動化系統能夠不間斷地給鐵路系統用水提供保障，但是深井泵房與給水所距離太遠時，控制柜在收到啟停信號后，由于控制柜中的交流繼電器線圈存在電壓，導致控制系統無法正常工作。因此在短距離時，可以采用敷設控制電纜的方式對水泵進行控制；長度大于100m 的控制電纜應考慮消除電纜容性電壓的措施，大于1000m 以上長距離時，建議采用敷設光纜在深井泵房里面利用PLC 以太網通訊的方式對水泵進行控制，盡量提前完善好設計方案和施工方案，避免施工完成后系統不能正常工作造成后期返工處理造成不必要的損失。