深圳市建设（集团）有限公司
【摘 要】城市硬化地面急剧增加，导致城市绿地的海绵吸水效应容量不断减少。大量采用辅道以箱涵道路下穿主道的设计形式虽然可以提高车辆通行能力，但箱涵道路的路面标高常常会低于当地市政排水系统标高，造成排水不畅，受雨水和周边生产生活污水影响，箱涵道路内很容易产生积水，如遇连续下雨及台风季节，箱涵道路路面积水甚至可达一米以上，严重影响过往车辆通行和附近居民的生产生活。本文根据多年工作实践，对无外接电源箱涵道路智能化自动排水系统应用进行分析，供同行借鉴参考。
【关键词】箱涵道路；自动排水系统
1、设计构思
丹平快速路是《深圳市干线道路规划网》中“七横十三纵”的重要组成部分。丹平快速路一期工程是深圳市政府投资兴建的深圳市“一横八纵”快速干线道路之一，以爱国路为起点，机荷高速为终点，是联系罗湖、布吉、横岗、平湖物流园区的城市快速路，一期路线总长9.7km，设计车速80km/h。
丹平快速路一期工程由深圳市建设（集团）有限公司代建施工。
与丹平快速路十字交叉的良白路是白泥坑通往良安田鹅公岭的一条双向二车道的市政道路。根据设计规范要求，设计将良白路采用箱涵道路形式下沉穿越丹平快速路，良白路下穿丹平快速路处的涵道简称鹅白通道。
2010年4月22日下午短时暴雨造成鹅白通道积水80cm
经过下沉的鹅白通道箱涵道路的路面标高低于良白路附近的现状市政排水系统，因该路段远期的排水管网改造未实施，遇台风季节大雨或瀑雨，箱涵道路内很容易积水，有时积水甚至可达一人高，严重影响过往车辆通行和附近居民的生产生活。例如2010年4月22日下午短时暴雨就造成鹅白通道积水80cm（上图）。为解决这个问题，我们向市交委提出报告在鹅白通道建设一座自动排水泵站，承担该箱涵道路区域的临时排水工作，利用泵站将下穿交汇箱涵道路的积水提升至丹平快速路排水管道顺着丹平路排水系统流入市政排水管网。
2、方案设计及选定
根据这些问题，我们总结以往类似工程经验，重新进行创新设计，以满足现场实际要求，并根据不同实际条件和情况，最终研究设计出两套无外接电源箱涵道路自动排水系统方案（详后图：方案一和方案二）。
根据鹅白通道现场汇水情况，以及最大时每小时1000多立方的排水量和8~10米左右的扬程，我们选用了方案一。估算大致选用三台37KW潜水泵（600m³/h），常用一台水泵排水，在雨势较大的情况下启用两台泵排水，三台泵轮换工作，这样就满足了大排水量的要求。
采用柴油发电机供电，分别设置电源进线柜、水泵柜、控制柜，电源进线柜配置双电源切换装置和无功功率补偿装置，预留市电接口，将来条件成熟也可接入市电。
水泵主要由柴油发电机供电，发电机由控制柜自动启停，但控制设备需要长期有电自持，于是在控制柜中设置用户电池，当发电机运行时给用户电池充电。但考虑到冬季或者旱季积水较少导致发电机启动次数较少，发电机本身的电池和用户电池均得不到有效充电，于是在泵房顶部平台增加太阳能帆板给用户电池做日常充电。
泵房控制柜设有10寸触摸屏，显示下穿通道水位、柴油发电机状态、水泵运行状态等，也用于设定启停参数、自动维护参数、设定报警等。为了让远在十几公里外的道路监控管理中心能监视水位、获悉柴油发电机油位、获悉报警、甚至远程操作水泵，在泵房和监控中心分别设置一台带（3G/4G）传输模块的计算机，用于传输和处理无线传输通信数据。
3、具体实施
为了系统实施方便，将系统划分为水泵及管路系统、供电系统、控制系统三个部分进行实施。
3.1.1其具体施工有如下内容：
现场首先做好测量与放线，以及沉井、泵房、防雷及设备基础施工，然后安装3台37KW潜水泵（型号：250WQ600-12-37），进液管路、出液管路、阀门及附属设备。3台螺丝法兰闸阀和三台螺丝法兰止回阀均位于出液管路，沉井口设有超声波液位计，用于采集液位信号并与控制系统连接。
其中考虑到因沉井内有可能随雨水混入其他垃圾漂浮物等，为保证排水安全，方便今后维修，应选用污水污物潜水电泵。水泵采用固定式自耦安装，地脚螺栓满足标准，实行二次浇注预埋，二次浇注采用树脂混凝土。沉井内根据水位设置超声波液位计，用于采集液位信号并与控制系统连接。管路上的各种阀门在安装前应拆开清洗，检查阀柄是否灵活，并经检验不漏后方可安装。
3.1.2供电系统实施：
根据现场条件进行柴油发电机及附属设备，太阳能电池板及配套电池，UPS电源及附属电池的安装。柴油发电机是3台潜水泵的供电设备，发电机组配有机组电池，用于发电机待机。控制系统电源主要由用户电池供应，太阳能电池板为该电池做日常充电。在安装发电机时，要求排气管及消声器要悬挂于天花板，蓄电池不能置于地下，以免氢气爆炸，安装好导风槽和百叶窗。柴油机房的进出风不应设在同一墙面上，以免形成气流短路，影响散热效果。
4、控制系统实施
4.1其具体施工有如下内容：
4.1.1太阳能及UPS电源系统的安装及加固
4.1.2智能化自动排水控制系统
箱涵道路智能化自动排水系统是通过无线通信网络、计算机控制系统、智能终端设备实现自动排水系统的远程监控、智能管理功能。
控制系统由三部分组成：管理中心、箱涵道路远程监控系统和现场智能控制系统。
（1）管理中心
管理中心主站CCS和1—1024台具有远程通信功能的通信管理单元，以现场总线方式接驳现场监控设备RTU，通过RTU可以连接现场设备，如柴油机、水泵、蓄电池、太阳能设备等工作状态传感器，进行24小时全天候检测，一旦有异常情况立即将相关信息发送至管理中心，同时按照预先设置的条件、要求，进行现场的自行调整和控制，实现整个系统的智能化控制。
1）一个项目可以建立一个管理中心，可以把项目中所有的箱涵道路智能化自动排水子系统纳入远程控制、管理系统（中央控制室）之中。
2）管理中心组成：
系统服务器、监控工作站、网络交换机、打印机工作平台，控制中心的系统服务器可以作为WEB站点提供远程管理部门对泵站工作状态的查询和历史状态记录的查寻。
（2）箱涵道路远程监控系统：
1）远程计量管理：可对三相电流、电压，太阳能电池充放电等多种电量的检测，也可将水位、水流量等进行检测，以更好地满足用户的多种需要。
2）远程登录操作：操作系统与应用平台采用局域网方式，将所有终端联网。考虑网络运行的安全，采用客户机/服务器（C/S）相结合的组网方案，支持远程查询和访问，可在不同的地方通过网络系统来查询箱涵道路智能化自动排水系统的工作情况。
（3）现场智能控制系统：
1）泵站的所有即时数据由现场监控设备RTU收取并记录，运用3G/4G传输模块（1—1024台具有远程通信功能的通信管理单元）通过无线网络传向远端的管理中心主站CCS。无需架设通讯线路，进行24小时全天候检测，一旦有异常情况立即将相关信息发送至管理中心，同时按照预先设置的条件、要求，进行现场的自行调整和控制，实现整个系统的智能化控制。
2）在管理中心主站CCS不工作的情况下，现场箱涵道路智能化自动排水子系统可以完全独立工作。
（4）智能化自动排水控制柜安装
1）本智能化自动排水控制柜包括双回路电源进线柜、电容补偿及1#水泵柜、2#3#水泵柜、PLC智能控制柜、现场操作箱及若干配电箱端子箱组成。
电源进线柜配置双电源切换装置和无功功率补偿装置，管理并分配发电机电力，并预留市电接入；电容及水泵柜配有电容及补偿控制器，可增加用电效率保护设备。泵机配软启动器驱动与潜水泵直接相连。
4.1.3系统软件平台选用
服务器操作系统软件（选用Windows 2005 Server）、数据库管理系统软件（选用SQL Server 2005 Pro）、地理信息系统开发平台软件（MapInfo 软件包）以及工作站操作系统软件（选用Windows 7）。
4.1.4设备调试
调试流程：单机调试→单系统调试→全系统调试
（1）单机调试
（2）单系统调试
1）太阳能UPS电源调试完毕且能正常供电；
2）柴油发电机组调试完毕且能正常供电；
3）潜水泵检测调试完毕且能正常运行；
4）3G/4G远程通信系统调试完毕且能正常进行数据通信；
5）PLC系统控制器程序调试完成且与各分系统通讯连接已接通；
（3）全控制系统分级调试
对水泵系统的控制分开进行机组手动、机组自动、应急手动，其中机组自动和机组手动过程是PLC控制完成的水泵操作，应急手动是电气及机械机构配合完成的水泵操作。
1）机组手动是用户通过触摸屏强制操作水泵从而调节水位的过程。此控制过程也同机组自动一样，需要发电机和需要启动的水泵均处于自动状态，且水位高于停泵水位时才能进行机组手动操作。机组手动过程：水位高于停泵水位，机组在“机组手动”状态，在触摸屏手动画面点按需要启动抽水的水泵的“启动”按钮，则柴油发电机启动，接载延时后启动该水泵，点击“停止”按钮可停止该水泵，也可等水位下降到停泵水位后自动停止该泵（触摸屏上启动按钮也会自动复位），全部水泵停止后柴油发电机按延时停机。
2）机组自动是自控系统根据液位计反馈回的水位自动启停水泵从而调节水位的过程，是使用中主要使用的控制方式，可实现水泵系统的无人值守。由于水泵所有的启停过程均由自控系统完成，所以柴油发电机需处于自动状态，受控水泵需置于自动状态（水泵柜手自动旋转开关），且需在触摸屏将启泵、停泵、报警水位设定正确。机组自动过程：当水位超过“启一台泵水位”时柴油发电机启动，接载延时后启动一台泵，超过“启二台泵水位”时启动第二台泵，超过“启三台泵水位”时启动第三台泵；水位下降至“停一台泵水位”时停止最先启动的泵，水位下降至“停全部泵水位”时所有水泵停止抽水，柴油发电机按延时停机。
3）应急手动是用户通过点按按钮开关等机械执行机构来操作水泵的过程，由于不用PLC和触摸屏等控制，所以该操作可以在PLC出现故障或强制抽水时使用。应急手动需要将水泵置于手动状态，先操作发电机控制器手动启动发电机，然后点按控制柜或现场操作箱上的按钮启停该水泵。
5、主要材料及设备
5.1主要材料与设备
5.1.1系统服务器、监控工作站、网络交换机、打印机工作平台，控制中心的系统服务器可以作为WEB站点提供远程管理部门对泵站工作状态的查询和历史状态记录的查寻。
5.1.2系统软件平台：服务器操作系统软件（选用Windows 2005 Server），数据库管理系统软件（选用SQL Server 2005 Pro），地理信息系统开发平台软件（MapInfo 软件包）以及工作站操作系统软件（选用Windows 7）。
5.1.3潜水泵3 台，功率为37KW，总体最大排水量1800m³/h；最小排水量600m³/h；最大排水提升高度10~15米；
5.1.4柴油发电机组1座，主用功率200kW，配套24V电池、和发电机组智能控制器。
5.1.5太阳能及UPS电源系统，2kW，用于自动控制系统的不间断供电。
5.1.6低压配电及控制传动柜1套，进线容量400A，包括双回路进线电源柜、电容补偿柜、3台水泵软启动柜等。
5.1.7自动控制系统1套，采用西门子S7-200可编程控制器，现场操作采用10寸彩色触摸操作屏，该系统以通讯的方式与柴油发电机智能控制器连接、以远程通讯的方式与远程监控站连接。
5.1.8远程监控站，PC电脑，17寸液晶显示屏，采用（3G/4G）方式与泵站自动控制系统进行远程通讯，远程监视泵房的主要运行状况及参数。远程监控站安装于泵站管理运营办公室内。
6、经济效益总结
本智能化排水系统方案泵站建设及运行费用特点：（1）无报装费；（2）无基本电费；（3）旱季基本无能源费用；（4）只需按实际用量支付柴油费用；（5）日常监控计算机采用太阳能电池供电，绿色环保；（6）远程监控，无人值守，只需正常巡查。
参考文献：
[1] 毕见山.大型顶进箱涵施工技术研究[D].上海交通大学，2011.
[2] 何平，王纪坤，蔡敬坤，等.基于PLC的雨水泵站控制系统设计[J].舰船电子工程，2010，8.、
[3] 国建刚.基于PLC控制的寒地大型市政供排水综合自动化信息系统的设计与实现[J].黑龙江水专学报，2008，3.
[4] 张志明，庄玮琳，余有灵等.节能道路照明系统的无线智能控制设计[J].照明工程学报，2010，21（2）：60-65.
论文作者:吴晓丹 罗斯,穆大宁,韦广华,车明生
论文发表刊物:《低碳地产》2016年13期
论文发表时间:2016/11/11
标签：水泵论文; 水位论文; 发电机论文; 道路论文; 系统论文; 机组论文; 柴油论文; 《低碳地产》2016年13期论文;