高原铁路给水自动化系统应用 及故障处理的研究

杨凯刚

新建敦格铁路（青海段）地处高原，海拔高，昼夜温差大，环境恶劣，无人值守的站点居多， 给水自动化系统能够满足铁路系统各部门生产、生活用水需求。本文介绍了敦格铁路给水自动化系统的结构以及性能特点，并以大柴旦给水自动化系统为例，详细分析了敷设控制电缆控制水泵启停时，控制系统出现故障后的处理方法。

一、引言

铁路给水系统是我国铁路系统中非常重要的组成部分，主要承担着列车饮用水和清洁用水，以及铁路沿线各个站区生产、生活的用水供给。铁路给水系统主要由给水所、蓄水池、深井泵房等组成，该系统运行是否正常，以及效率的高低将直接影响整个铁路系统的生产、生活。

铁路给水自动化系统利用自动控制、计算机等技术，具有监控给水设备运行状况，实现减员增效等优点，在铁路系统中得到了广泛的应用。敦格铁路地处高原，海拔高，昼夜温差大，环境恶劣，无人值守的站点居多， 给水自动化系统的应用为铁路系统各个部门的安全，不间断用水提供了有力的保障。

二、系统结构说明

新建铁路敦煌至格尔木（青海段）给水自动化系统由标准化的功能终端和标准化的网络传输通道组成。

1.标准化功能终端

给水自动化系统共涉及4 类标准化功能终端，即水泵和阀控制功能终端（泵阀远控箱）、水计量功能终端（远传流量计）、模拟量采集功能终端（液位/压力采集终端）以及电计量功能终端（累计电量采集器），系统中以泵阀远控箱、远传流量计、液位/压力采集终端、累计电量采集器4 类终端分别实现以上4 项功能，对自动化系统所涉及的液位、压力、流量、电量水泵阀门开停状态等模拟和数字量进行采集、传输和控制。

这四类终端均为标准化配置，各站间同类功能终端硬件可以相互替换，参数可以独立灵活设置，以标准化功能终端取代传统的集中监控模式，最大限度地降低了系统的复杂性，提高了系统的可靠性，并最大限度地有利于终端设备的运营维护。

2.标准化网络通道

系统采用标准化的以太网作为给水自动化系统信息和控制命令的传输通道。通过标准化的网络端口，即可将任一标准化功能终端挂在网络上，将全线各站给水自动化设备连接成网络。通过该网络通道，可以对各个站的水泵和阀门进行远程开工，对各个站的用电量、用水量实施远程抄读，对具备标准化网络接口的设备实施远程访问，自动实现用水量、用电量等数据的自动记录和保存，实现设备和终端的台账管理和月报表的打印等。

给水自动化系统由以上标准化功能和标准化网络通道组成，构成模块化、标准化、可扩充的给水自动化网络，从系统结构上克服了传统给水集中监控模式系统复杂、可维护性差、各站软硬件设备不通用的弊端，最大限度地降低了系统的复杂性，提高了系统的可靠性，并最大限度地有利于系统终端设备运营维护保养。

敦格铁路给水自动化系统在鱼卡车站设立给水调度室，对全线各站的给水设备终端进行远程控制和管理。在各站配置相应标准化终端，进行给水自动化控制。

三、系统性能及特点

敦格铁路给水自动化系统采用先进的施耐德ACS510 变频器以及S7-200 PLC 控制器+触摸屏对官网压力进行控制，能够简化操作难度。

在自动状态下，用户在触摸屏参数设置画面设置需要恒定压力值后，通过S7-200 PLC 控制器与变频器之间的相互控制，使管网压力始终保持在设定压力值误差范围值之内。在对生活管网进行供水时，系统执行管网设定压力。

该系统具有如下特点：

（1）系统运行过程中无功耗小，功率因素高，一般可达0.85 以上，运行效率为95%以上，系统基本处于经济运行状态。

（2）自动化程度高，技术先进，其控制核心为S7-200 PLC 控制器及施耐德ACS510 变频器，智能识别管道压力，响应速度快，精度及稳定性好，能够保证系统在复杂情况下长期安全无故障运行，性能非常稳定。

（3）设备高效节能，采用变频调速器，按需要设定供水压力，根据管网用水量来变频调速水泵转速，使水泵始终在高效节能运行，该设备同普通无塔供水设备相比，节能达25%。

（4）对电网冲击小，保护功能完善。系统平时均处于变频运行状态，消除直接启动或降藕式启动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、缺相、过热等多种安全保护功能，大大提高了工作效率，延长水泵的使用寿命。

（5）全自动供水设备，无需人员值班看守。

（6）控制精度高，且准确压力显示，使操作人员及时了解管网压力状况。该系统采用精确的模拟量及通讯功能，实况显示各类数据，避免误区。

（7）具有定时换泵功能，换泵时间由用户自行设定，大大延长了水泵的使用寿命。

（8）具有自动巡检功能，若一台泵故障会及时切换另外一台泵保证供水。

四、系统故障排除

以大柴旦火车站为例，大柴旦给水自动化系统有一座给水所，设置一套施耐德ACS510 变频器以及S7-200 PLC 控制器，距离火车站3km；一座500M3蓄水池；距离给水所1km 外设置一座深井泵房。

蓄水池处控制器用漂浮式液位控制器，水池和深井泵房之间敷设3*4mm2控制电缆传输水池液位信号，深井泵房内设水泵控制柜，利用中间继电器控制交流接触器实现水泵的自动启停。

1.故障现象

大柴旦给水自动化系统在正常运行两天后出现故障：给水所蓄水池在达到设定水位后，深井泵房中的水泵无法自动停止工作，手动停止后，待水位下降到设定位置后，水泵可以自动启动。

2.故障判断

现场模拟蓄水池高水位信号，通过控制电缆的传输给深井泵房的控制柜，在20 次实验中只有一次能够使水泵自动停止工作，同样模拟蓄水池低水位信号时，在20 次实验中有20 次能够实现水泵的自动启动，由此可以判断给水自动化系统中的控制系统出现故障。

首先排查蓄水池中的漂浮式液位控制器出现故障，在更换新的漂浮式液位控制器后，进行模拟试验仍然无法实现按照要求启停。

再次排查控制电缆在敷设时出现破皮接地，在对电缆进行测试后，发现电缆没有出现破皮情况。

最后排查深井泵房中控制柜的控制回路，发现中间继电器应分不分是造成系统无法启停的主要原因。

在排查故障时给中间继电器模拟信号试验动作正常，排除中间继电器故障，但是在用万用表测试液位信号分开后中间继电器接触线圈发现时，发现接触线圈两端仍然有一个60V～90V 的不稳定的电压存在。此时可以断定中间继电器不分合的原因是液位控制器给出分开信号后中间继电器接触线圈应该失去电压断电，继电器分开，但是由于接触线圈存在有残存电压导致继电器无法分开。

经查询和论证发现，长距离电缆在带交流电后，在线间会形成分布电容，1km 长的控制电缆相当于一个电容串联在液位控制器和中间继电器接触线圈之间，当液位控制器发出高水位信号电缆物理断点断开后电缆两端因电容原因仍有加载在中间继电器接触线圈上一个电压存在，而这个电压值在继电器线圈工作电压范围内，造成中间继电器接触线圈仍然带电导致吸合不分开，从而无法控制交流接触器断开控制水泵自动停止。

3.故障修复

将深井泵房控制柜中交流中间继电器更换为直流中间继电器，进行多次试验后给水系统能够按照低水位启动，高水位停止的要求，说明控制电缆加直流电压不能形成电容，不会影响中间继电器分合。

五、结语

铁路给水自动化系统能够不间断地给铁路系统用水提供保障，但是深井泵房与给水所距离太远时，控制柜在收到启停信号后，由于控制柜中的交流继电器线圈存在电压，导致控制系统无法正常工作。因此在短距离时，可以采用敷设控制电缆的方式对水泵进行控制；长度大于100m 的控制电缆应考虑消除电缆容性电压的措施，大于1000m 以上长距离时，建议采用敷设光缆在深井泵房里面利用PLC 以太网通讯的方式对水泵进行控制，尽量提前完善好设计方案和施工方案，避免施工完成后系统不能正常工作造成后期返工处理造成不必要的损失。