隧道區間水泵監控后備系統的研究

管亞敏

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 武昌 430063)

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隧道區間水泵監控后備系統的研究

管亞敏

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 武昌 430063)

0　引言

隨著我國高速鐵路、城際鐵路建設的發展，下穿城市、河流、湖泊、高速公路、機場等區域的鐵路隧道日益增多，這些隧道一般為倒人字坡型，其滲水均采用廢水泵房集水、動力抽排的方案進行處理。如果水泵出現故障時得不到及時處理、廢水抽排不及時導致淹沒股道，就會嚴重威脅列車運行安全，因此，集水池及水泵的自動化監控是確保水底隧道正常運營的一項關鍵技術。

1　鐵路隧道水泵自動化監控系統

目前，采用動力排水的鐵路下穿隧道基本上都設計有水泵自動化監控系統。該系統主要由集水池和水泵自動化監控、視頻監控、斜井洞口值班室監控主站及通信網絡等組成[1]。系統結構圖如圖1所示。

圖1　水泵自控系統結構示意圖

水泵采用手動、遠程控制和自動控制3種方式，正常情況下按照自動方式運行。為確保可靠運行，一般配置4臺水泵，3用1備，輪換使用，電氣設計配置2臺軟啟動裝置，1拖2運行。

為提高系統運行的可靠性，系統對總的關鍵設備都進行了冗余配置，如主控制器采用硬件冗余型PLC，CPU、內存、電源模塊、通訊模塊皆為冗余配置；水位監測采用液位計和液位視頻監視兩套系統；通信系統采用環形自愈通信網絡，當環網上的任意一點出現故障時，數據會自動切換至其他的環臂上繼續傳輸，保證通信不中斷，網絡具有冗余能力。

2　傳統的后備系統設計

鑒于水泵自動化監控系統的重要性，用戶通常會要求在自動控制系統之外額外設置一套后備的控制手段，以保證水泵監控的安全性和連續性，同時也可用于維護。通常來說，后備系統的實現方式有兩種，一種是采用直接電氣控制方式實現，一種基于自控系統本身實現后備控制。

2.1直接電氣控制方式

簡單來說，直接電氣控制方式就是通過線纜將操作臺上的控制按鈕與現場設備的電氣控制端子直接連接，實現后臺對設備的遠程操作[2]，這種后備方式的優點是簡單、可靠；缺點是一方面需要引入大量的線纜，當設備較多時不適合集中后備操作且會增加，成本另一方面受控制線路壓降和分布式電容的影響，此控制方式的距離不能太長。因此，該方式通常僅作為基于設備級的就地后備手段。其系統結構圖如圖2所示。

圖2　采用直接電氣控制的后備系統結構示意

2.2基于自控系統自身的后備系統

地鐵和城際鐵路中綜合后備盤(IBP)就是一種常見的基于自控系統自身實現的后備系統。IBP實質上是一種人機接口裝置，是對計算機人機交互方式的備份裝置。當發生人機界面故障時，可由IBP盤通過與控制設備(PLC)的硬接線直接驅動自控系統的現場控制設備(就地PLC或遠程I/O)，完成對被控設備的有效操作，確保系統的安全運行[3]。其系統結構圖如圖3所示。

圖3　基于自控系統自身的后備系統結構示意

在這種方式下，水泵自控系統自身是實現后備監控的基礎，該功能的實現要通過直接指揮調度自控系統而不是設備。實際上，后備監控功能保障的只是計算機監控系統，當系統監控軟件或計算機發生故障時，后備系統可以繼續使用，以保障系統安全運行[4]；但當現場控制設備或中間的通信設備發生故障時，這種后備系統卻無法保障系統能夠安全運行。

3　基于遠程開關量直連模塊的后備系統

對于鐵路隧道來說，水泵自控系統出現問題影響的是整條鐵路線的運行，其重要性絕非一般的自動化系統所能相比，因此，即使出現水泵自控系統整體癱瘓的情況，水泵自控系統后備系統的設計仍需要確保水泵監控依舊能夠正常工作。這就要求：后備系統與水泵自控系統應相互獨立，不依賴于組成自控系統的計算機、服務器、通信網絡、現場控制器等設備。如上文所述，采用硬線連接的電氣控制方式可以做到與自控系統之間的相互獨立，但是無法克服控制距離較短的缺點，不適用于長隧道，因此，在綜合已有的后備系統方案的基礎上，提出一種基于遠程開關量點對點傳輸模塊(簡稱開關量直連模塊)的后備系統設計方案，可滿足鐵路水泵監控高可靠性的要求。

在該方案中，開關量直連模塊通過通信網絡(可以是RS-485、工業以太網或直連光纜)進行開關量信號傳輸，替代現有基于線纜實現信號傳輸的解決方案。其系統結構圖如圖4所示。

圖4　基于遠程開關量直連模塊的后備系統結構示意

與傳統解決的方案相比而言，現通過網絡進行信號傳輸不再需要PLC或PC進行控制，開關量直連模塊可以自動映射所有的物理開關量信號，無需進行梯形圖或C語言編程。借助開關量直連模塊，輸入信號通過通信網絡或直通光纜即可輕松傳輸至網絡或光纜另一端，不再需要進行編程或使用單獨的控制器進行控制。整個系統結構簡單、清晰，設備數量少，極大地減少了系統故障點，保證了整個水泵自控系統的高可靠性。

4　結束語

自動化控制技術的進步及新產品的出現使得新的設計方案的實現成為可能。方案中所采用的核心設備“開關量直連模塊”實現了開關直聯輸入/出、數據通信和邏輯控制的一體化集成，具有簡潔、可靠的特點。該后備系統已逐步在高速鐵路、城際鐵路的隧道水泵監控中得到推廣、使用，在將來也會逐步應用到隧道照明監控等領域。

[1]周京.水底隧道廢水泵房自動化監控[J].電氣應用，2014(6)：56-58.

[2]曲立東.城市軌道交通環境與設備監控系統設計與應用[M].北京：電子工業出版社,2008.

[3]劉曉娟，林海香，司徒國強.城市軌道交通綜合監控系統[M].成都：西南交通大學出版社,2011.

[4]魏曉東.城市軌道交通自動化系統與技術[M].北京：電子工業出版社,2004.

Research on the Water Pump Backup Monitoring System in Tunnel

Guan Yamin

隨著我國高速鐵路建設的發展，采用水泵動力排水的鐵路隧道逐步增多。水泵監控系統對于保障水泵正常工作和線路運行起著重要的支撐作用。通過總結現有水泵監控系統的實施情況，提出了一種提高系統可靠性的新型后備監控系統的設計方案，可供借鑒。

PLCIBP鐵路隧道水泵監控后備監控機電設備監控

With the development of the high-speed railway construction in China,more and more railway tunnels begin to adopt pumps for drainage.The pump monitoring system plays an important role in securing the normal operation of pumps and the railway line as well.Through summarizing the implementation situation of existing pump monitoring system,a design scheme for the new backup monitoring system is proposed for reference,which is intended to increase the system reliability.

PLC，IBP，railway tunnel，pump monitoring，backup monitoring，electrometrical equipment monitoring