消防泵联锁控制系统的设计与实现

杨志文

1 引言

某公司的消防系统有消火栓用消防泵和自动喷洒用消防泵两套装置，各有2台消防泵和1台稳压泵。可任意指定一台消防泵为主泵或备用泵，当主泵出现故障时就自动启用备用泵。稳压泵是系统维持压力的水泵，对系统起监护作用并使系统具有自动控制的功能。这6台泵关系到整个装置的运行，为了装置的稳定和安全运行，每台泵之间都设有电气联锁控制。由于原消防系统的扩容和改造，而且联锁条件需要作部分修改，同时需要增设事故记录功能以便于维护和故障分析。为此，本文采用 PLC对原电气联锁系统进行改造。

2 联锁控制系统的设计

2.1 方案选择

根据控制系统输入/输出（I/O）点数和状态（I/O总点<48点，开关量），有两种控制方案：一、在原继电器控制的基础上修改和增加条件；二、采用PLC实现控制。两种控制方案的优缺点比较如表1所示。

表1 方案比较

考虑到安装、维护的方便，以及泵与泵之间的联系和装置可靠性要求等因素，本文决定采用方案二进行消防泵系统的联锁控制。

2.2 联锁逻辑设计

在控制系统的联锁功能设计上，各消防泵都具有独立的控制功能，相互之间既可以在自动控制方式下实现联锁控制，也可以在手动控制方式下独立控制。自动控制方式是通过压力开关信号由 PLC控制泵启停，手动控制是用现场操作箱上的按钮控制泵的启停。有市电、发电机双电源自动切换，当市电停电时也不会影响消防系统的正常工作。消防泵的主、备用联锁切换是实现消防备用泵投入工作的重要手段，也是消防给水系统可靠、安全运行的重要环节。它的电气联锁包括电源联锁、按钮联锁、消防泵的联锁等。这里仅以联锁条件较有代表性的消火栓用消防泵为例进行说明。其设计步骤如下：

（1）根据原联锁逻辑的条件，在修改和完善的基础上总结出联锁逻辑，并最终让安全部门确认；

（2）保持原有系统输入/输出信号的常开常闭点状态，便于分析和维护；

（3）增加事故记录逻辑和报警指示，方便维护人员分析事故；

（4）增加输入信号的延时作用，提高联锁系统输入信号的抗干扰能力。

2.3 联锁系统结构

本控制装置采用PLC作为控制中心，设有起始、停止按钮和一个转换开关。自动状态下装置由消火栓总管的压力开关发出的起动信号自动起动消防泵。

系统的PLC图如图1所示，CPU224是集成14输入/10输出，共24个数字量的继电器型PLC，电压输入范围宽、处理速度快，内有实时时钟，具有计时功能和可以进行时间控制。输入点采用 PLC内部供电，大大简化了电路。输出采用220Vac供电给指示灯和继电器等负载。

图1 系统结构图

3 联锁控制系统的实现

3.1 定义输入/输出（I/O）表

根据联锁系统的 I/O信号，定义PLC的I/O分配表如表2所示，并约定满足逻辑条件时为1，反之为0。

表2 I/O分配表

表2中，I0.0～I1.5为输入点，共14点，Q0.0～Q1.1为输出点，共10点。其中Q0.3～Q0.5用于故障记录的内部指示灯。

3.2 程序设计

程序编写采用西门子公司提供的 STEP 7-Micro/WIN专用软件包。消防泵联锁程序分为联锁控制、按钮控制、故障中断、报警计时几个子程序。以下只对程序设计中的关键处理方法和要注意的地方作说明。

3.2.1 消防泵报警闪烁电路的实现

消防泵报警闪烁采用特殊存储器SM，SM0.5是特殊存储器SMB0的一个状态位，该位提供了一个时钟脉冲，0.5秒为1，0.5秒为0，周期为一秒。当出现报警时，输出灯调用SM0.5使得报警灯闪烁，通过报警灯闪烁的次数可知道报警的类型。充分利用系统的一些特殊功能，可使程序更简洁、易读。

3.2.2 泵运行时间的记录

当Q0.0或Q0.1有输出信号时，即1号泵或2号泵运行时，子程序开始计时，并把的实时运行时间存到PLC的存储器MB和VW中去进行记录。当出现事故需要分析事故时，只需查看相应存储器的时间数据就可以确定事故发生的起始时间和处理时间。

3.2.3 消防泵联锁逻辑处理

消防泵的控制除了自动控制外，还有本地手动控制的功能。自动控制时，1号压力开关检测到压力小于0.9MPa时，延时5秒接通时间继电器T37，启动选择的主泵，加入时间延时可避免水锤效应产生的误动作，如检测到主泵故障时，自动切换到备用泵。2号压力开关检测到压力小于0.8MPa，8秒后自动切换到备用泵，以保证正常的给水。3号压力开关主要是控制稳压泵，保证平时管道工作压力在1.0MPa～1.2MPa之间。这里以1号泵为例画出联锁的时序图，如图1所示。为了保证编写程序的正确性和可读性，总结出程序编写的步骤如下：

① 逻辑必须统一信号特性，如正常均带电等。并注明是联锁逻辑或是正常运行逻辑；

② 将逻辑运算分层次编好中间继电器（如M1.0～M2.0），防止漏写和错写；

③ 确定联锁输出的信号状态。一般输出应按事故安全型来设计，即联锁动作时输出为0，失电联锁；

④ 按顺序从上到下、从左到右写出程序。

图1 消防泵的联锁逻辑（1号泵部分）

将图1分成4部分，输入和各逻辑演算层。图中满足输入条件为 1，如果联锁时取0，信号则在逻辑输入前取非。每层逻辑先定义中间继电器，然后按顺序编写。这样编写，思路清晰、严谨，不易出现漏项和逻辑不清的情况，并且可读性强，便于理解和维护。联锁逻辑的描述反映真实的工艺条件和关系，而程序实现是可以灵活多样的。这是因为逻辑运算遵循如吸收律、摩根律等，可以进行运算和化简，结果是一致的。这里不主张化简，其主要原因是：大多联锁逻辑层次不太复杂，只有三到五层，化简意义不大。目前PLC的运算速度相当快，逻辑未被化简所产生的影响极小。化简后形式发生变化，不易理解，容易产生错误。化简方法灵活，不同的设计有不同的形式，容易产生歧义。

4 安装调试和投用

在完成程序设计后，利用编程软件检查语法后下装到 PLC中进行调试。因电气联锁是由程序控制，不如机械联锁这么直观，调试时要先脱开负载，可利用模拟开关和 PLC的强制功能，测试各种可能的输入条件下的联锁动作是否正常。调试时要反复确认软件可靠性，联锁动作的正确和做好调试记录，确认后才接入负载试机。同时，按照规范接好联锁系统的冗余供电（交流和直流）、接地和内部实时时间的设定。并与安保人员一起进行联调，直到完全满足设计要求、实现联锁控制的目的为止才交付使用。

5 结束语

由2台PLC实现的消防泵的主备用切换装置联锁控制系统已于2005年中改造时实现。从现场运行情况看效果良好，完全达到了设计要求，解决了原有联锁系统的缺陷问题，既保证了联锁系统的稳定可靠，又便于故障处理和日常维护。

[1] 伍锦荣.可编程控制器系统应用于维护技术[M].广州:华南理工大学出版社,2004.

[2] 顾德仁.脉冲与数字电路（下）[M].北京:人民教育出版社,1983.

[3] SIEMENS S7-200可编程序控制器系统手册,2000.03.