摘要：系统介绍地铁排水系统及控制要求，针对重锤式浮球、连杆式浮球、超声波液位传感器三种液位控制方式，从控制原理、可靠性、后期维护、造价以及远程监控可行性等方面进行比较、分析和研究。
关键字：地铁排水,重锤式浮球,连杆式浮球,超声波液位传感器,液位控制
前言：地铁车站大部分为地下结构，施工、运营期间产生的污水、地下土层的渗漏废水、开口部位的雨水等，如没有安全可靠的排水系统，将导致污废水灌入区间轨行区、车站内设备管理用房，对车辆的正常运行及各类电气设备造成危害，影响行车系统的正常运行。2001年台北捷运(地铁)年因纳莉台风侵袭，发生淹水事件，历时2个月才完全恢复。所以，地铁排水系统的安全可靠运行是车辆正常运营的保证。
一、地铁排水系统及控制要求
地铁排水系统主要由废水系统、污水系统、雨水系统三部分组成。废水系统是在车站或区间最低点处设立废水泵房，将车站的地漏废水、消防废水及结构性渗水收集在泵房内的废水坑里，由潜污泵排出地面，汇入市政废水管网;污水系统主要处理运营期间的卫生间生活污水，污水由卫生间下方的污水池收集，由潜污泵排入地面市政污水管网;雨水系统的泵站主要设置在车站敞开式出入口扶梯及风亭下，地面雨水由雨水井收集后，通过潜污泵就近排至地面市政废水管网。
按照国家现行的地铁系统给排水设计规范及控制要求，废水泵房、污水泵房及雨水泵房一般设置两台潜污泵，平时一用一备，轮换运行。泵房内设置控制箱实现排水系统的自动控制和手动控制切换，自动控制时水位状态信号反馈车控室，可实现远程控制。自动运行时，依靠废水坑内预先设置的不同水位来控制潜污泵的运行，达到自动排水的目的。
二、常用液位控制方式
在自动控制模式下，排水系统在不同控制水位的安全可靠运行是地铁排水系统液位控制的主要任务。目前国内地铁一般采用重锤式浮球液位控制、连杆式浮球液位控制及超声波液位控制三种方式，液位控制方式的性能就成为整个地铁排水系统的关键。
(一) 重锤式浮球液位控制
在密封的非磁性金属或塑胶管内根据需要设置一点磁簧开关，再将中空而内部有环形磁铁的浮球固定在杆径内磁簧开关相关位置上，浮球比重小于液体密度，液体使浮球以重锤(位置根据不同控制液位进行调整)为原点上下浮动，利用浮球内的磁铁去吸引磁簧开关的闭合，产生开关动作，以控制液位。如图1(a)所示，单独一个重锤式浮球，可产生两个开关量，在停泵水位时，浮球到达最低点，重锤内磁簧开关断开，水泵停止工作，同时将一个开关信号(如OFF)反馈给控制箱或远程控制终端;在启泵水泵时，浮球到达最高点，磁簧开关闭合，水泵启动，开始排水，反馈一个开关信号(如ON)至控制终端。
如要实现四个不同控制水位控制，可采用多个浮球。如图1(b)所示，3个浮球可进行6个水位的控制，满足地铁废水系统的液位控制需要。
重锤式浮球液位控制是国内地铁排水最常用的控制方式，其整体性能可靠，造价便宜，使用寿命长(氧化铑涂层的磁簧开关接点寿命可达200万次);安装简单，维护方便，可进行现场维修及控制水位调整;每个开关对应相应的点位，不会因为泵坑内其他的浮球损坏而影响其他水泵的点位的控制。
但重锤式浮球液位控制方式只能提供开关量信号，提供到达某个水位的监控信号，不能做到水位的实时监控;浮球易受外界杂物影响，特别是纤维状的杂物缠绕造成浮球无法上浮，导致水位控制失效;对于一个泵坑内的多个浮球，安装前需做好测量，否则容易因线缆长度过长或重锤间距太小造成线缆缠绕导致开关失灵;重锤式浮球多数采用220V单相供电，存在一定的用电安全隐患。
(二) 连杆式浮球液位控制
连杆浮球液位开关与普通浮球液位开关原理基本相同，仍是将密封的非磁性金属或塑胶管内根据需要设置一点或多点磁簧开关，再将中空而内部有环形磁铁的的浮球固定在杆径内磁簧开关相关位置上，使浮球在一定范围内上下浮动，利用浮球内的磁铁去吸引磁簧开关的闭合，产生开关动作，以控制液位。
连杆式浮球液位控制在浮球和重锤的连接上，用刚性的金属杆代替柔性的缆线，在需要多个控制水位的情况下，可有效防止线缆缠绕，提高控制的可靠性(见图2);此外所有开关的出入线都集中在接线盒里面，施工简单方便，降低配线成本。但是，连杆式浮球液位控制成本较高;一旦连杆开关中有一个点位失灵，则整个连杆式浮球开关无法控制;与重锤式液位控制一样，只能提供开关信号，无法做到水位的实时监控;一旦发生故障，必须返厂进行维修，现场无法维修。
(三) 超声波液位控制
超声波液位控制是由探头发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面(被测液体表面)被反射回来，部分反射回波被探头再次接收，转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比，可测量出发射点到反射介质表面的距离(回声测距法)。如图3所示，探头固定安装在支架上。用螺杆连接，探头向液面发射超声波。利用回声测距法，测量探头到液面的距离“D”。探头到“水位=0”点的距离“L”已经存储在探头内。探头用“L”减去“D”得出液面到“水位=0”点的距离，即液位“H”。
外部输入24V直流供电，输出对应于液位的4-20mA电流。“液位量程”也是预先存储在探头内的。当液位=0时，探头在输出线上输出4mA电流;当液位=“液位量程”时，探头在输出线上输出20mA电流;液位在0与量程之间时，输出线上的电流在4～20mA之间按液位线性比例输出。
超声波液位控制的探头一般发射功率大，灵敏度高;超声波液位控制的安装简单方便，可以安装在液面上方任意位置(需高于泵坑20cm以上);输出为连续的信号，可通过控制箱内液体控制仪任意设定多个水位信号(无上限);输出信号可直接连接控制柜后接至车站BAS系统，在车控室内进行实时水位监测。
但是，由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得距离探头较近的小段区域内的反射波与发射波重迭，无法识别，不能测量其距离值，这个区域称为测量盲区;探头的输入电源为24V直流，需要在控制柜内增加整流回路，另外需要在控制柜内加装液位控制仪及智能数显仪，用以接受传感器信号，增加控制柜成本;一旦探头发生故障，必须返厂进行维修。
三、结论
地铁作为城市公共交通的重要组成部分，在各地的交通运输领域发挥着越来越重要的作用。地铁系统运行的安全可靠是地铁内所有系统的核心任务;问题发现及时，处理快速是不影响安全行车的先决条件;而施工难度和实施成本也是地铁工程建设过程中需要考虑的问题。
以上三种液位控制方式各有优缺，在具体实施过程中需根据所在城市的气候、地质条件及地铁运行状况的特点考虑选取何种方式。此外，也可以考虑同时采用两种控制方式，进一步增加地铁排水系统运行的可靠性。