消防泵房PLC控制系统的研究与应用

周国忠

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)储运部是上海石化最大的化工原料和油品的储运区,储存着大量的原油、汽油、航空煤油、柴油及易燃易爆的化工原料，对消防的要求相当严格。由于原消防供水系统完全由手动控制，当火情发生时，消防泵不能自动投入供水，水压不能在短时间内达到要求，稳压泵也不能有效保证管网压力，而且人为因素的失误也会造成供水延误，引起管道爆裂，造成设备损坏。因此，原消防泵控制系统的自动化程度较低，可靠性很差，存在诸多缺陷，并且在火灾发生时存在极大隐患。

原2#储运区消防泵有3台高压消防泵，当总水管压力下降至0.8 MPa时，由调度通知消防泵操作工开启A泵；当A泵压力低于0.6 MPa时，由调度通知开启B泵，C泵备用。总水管的水要送至5个码头，每一个码头离消防泵房至少有1～2 km，当管道发生内漏或别的码头用消防水时，不能及时启动消防泵。当管道压力低于1 MPa时，码头上的消防炮会发生不能及时出水或射程距离不够的现象，所以一定要通知操作工手动开启消防泵才能使消防炮出水，但此时如操作工不在现场，那就会令事故更加扩大化，后果将不堪设想。为消除安全隐患,保证企业的安、稳、长、满、优运行，在消防泵房的供水控制系统中引入自动控制系统就显得尤其重要。随着可编程自动控制器(PLC)和变频器调节的广泛应用，决定在消防水系统中采用PLC和变频器来调节控制供水压力，有效保证火情发生时的及时供水，而且可以自动来回切换，确保供水系统的安全使用，实现了消防泵房在无人值班情况下能自动控制，确保企业的安全生产。

1 PLC的工作原理

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本与微型计算机相同，PLC的组成见图1所示。

图1 PLC的组成

PLC可看成是在系统软件支持下的一种扫描设备，它周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中可完成以下扫描过程。

(1)自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能，自监视功能主要由时间监视器完成。

(2)与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。

(3)用户程序扫描过程。该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短，会影响过程所用的时间。

(4)读输入与写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程，该过程在机器运行中是否被执行是可控的。中央处理器(CPU)在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的，运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器：一个为输入映像寄存器，另一个为输出映像寄存器。用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器中。在输入扫描过程中，CPU把实际输入点的状态输入到映像寄存器；在输出过程中，CPU把输出映像寄存器的值锁定到实际输出点。为了现场调试方便，PLC具有输入/输出(I/O)控制功能，用户可以通过编程器封锁或开放I/O。封锁I/O就是关闭I/O扫描过程。

2 消防供水系统PLC控制系统设定

2.1 输入输出分配

PLC输入端子板将外部开关的端子连接转换成I/O模块所需的针形插座连接，从而使外部控制信号输至PLC中。同样的，PLC输出端子板将PLC的输出信号经针形插座转换外部执行原件的端子连接。

(1)输入口

PLC输入口I模块组的输入元件由控制按钮、行程开关、接近开关、压力开关、网控开关组成。输入接线方式又分为如图2所示的汇点式输入和分组式输入两种。

(a)汇点式输入 (b)分组式输入

(2)输出口

其输入口O模块组的输入元件由接触器、继电器组成，而分组式和分隔式输入接线的输出方式如图3所示。

(a)分组式输入 (b)分隔式输入

2.2 控制系统主程序设定

PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。消防供水系统控制逻辑见图4。

图4 消防供水系统控制逻辑

(1)系统初始化程序

在系统开始工作时，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动时，先对系统各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对变频器变频运行的上下限频率进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后中断连接。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵和工频泵投入台数。

(2)增、减泵判断和相应操作程序

当比例积分、微分控制(PID)调节结果大于等于变频运行上限频率(或小于等于变频运行下限频率)且水泵稳定运行时，定时器计时5 min(以便消除水压波动的干扰)后执行工频泵台数加一(或减一)操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。

(3)水泵的软启动程序

增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。

当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过3 h则自动倒泵变频运行。

(4)各水泵变频运行控制逻辑程序

各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，在此以1#水泵为例进行说明。当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时，Q0.1置1，KM2常开触点闭合接通变频器，使1#水泵变频运行，同时KM2常闭触点打开，防止KM1线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM2的常开触点还可实现自锁功能。

(5)各水泵工频运行控制逻辑程序

水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，在此仍以1#水泵为例进行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0，或者当前3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于1，则Q0.0置1，KM1线圈得电，使得KM1常开触点闭合，1#水泵工频运行，同时KM1常闭触点打开，防止KM2线圈得电，从而实现变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM1的常开触点还可实现自锁功能。

(6)报警及故障处理程序

对水位过低、水压上下限报警、变频器故障等故障给出报警，并做出相应的故障处理。报警及故障处理程序逻辑见图5所示。

①欠水位故障：进入P0 处理模块，停止全部电机的运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动执行以下程序。

②压力上下限报警：输出报警信号，报警信号30 s 内未解除，则进入P0 处理模块，停止全部的电机运行。信号解除则自动运行以下程序。

图5 报警及故障处理程序逻辑

③变频器故障：变频器出现故障时，PLC输入继电器X5 动作，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，3台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除顺序和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID调节，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，只能增加延时。

3 PLC控制系统设计

3.1 PLC的功能设计

首先对2#储运区消防泵的工作特点、功能和特性进行认真分析，并与电气工程技术人员共同协作，明确控制任务和设计要求，制定出详实的工作流程(见图6)。消防泵控制系统的输入信号有32个，均为开关量信号，其中压力表开关信号7个，按钮信号10个，电动阀开阀信号6个，选择开关2个(占4个输入口)，稳压泵A，B运行信号2

图6 消防泵房工作流程

个，消防泵(A，B，C)运行信号3个，信号复位1个。该系统中有输出信号21个，其中2个用于自动启动稳压泵A，B，2个用于自动停止稳压泵A，B，3个用于自动启动消防泵A，B，C，3个用于自动停止消防泵A、B、C，3个用于自动开启电动阀A、B、C，8个用于值班室内指示灯信号箱。

控制系统输入32点，输出21点，在实际统计的I/O点数基础上加15%～20%的备用量，以便于今后的调整和扩充。所有的输入信号均为开关量，输出端均为220 V交流接触器。项目选用日本三菱公司的产品FXON-60MR小型PLC，输入为36点，输出为24点，单元功能为基本单元，输出类型为继电器，满足控制要求，而且还有一定的余量。

3.2 编程器外围设备的选择

采用便携式个人计算机，选用能在计算机上使用的编程软件，在计算机上编程，进行模拟调试，发现问题及时修改，直到在各种可能发生的情况下，控制系统完全符合系统控制要求，再将设计好的程序下载到PLC中去，确保万无一失。

3.3 PLC工作环境及安装与布线

2#储运区消防系统进行改造，将PLC安装在200 mm×600 mm的控制柜内，控制柜安装在消防泵房内，开关柜上下都有通风口，PLC单独安装在柜内，远离继电器、热继电器等发热元件，四周通风散热的空间足够大。若周围环境超过55 ℃，可以开启空调来降温，为了保证PLC的绝缘性能，防止凝露，内部装有湿度计，如湿度大于15%，可开启去湿机，降低室内潮气，使PLC及电气设备正常、安全运行。PLC柜距离消防泵7.5 m，消防泵启动时，震动频率远小于10 Hz。PLC供电电源为50 Hz，220 V(1±10%)的交流电，并安装一台带屏蔽层的1∶1的100 VA的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，隔离变压器与PLC和I/O之间采用双绞线连接。PLC的输入和输出分开走线，交流输出线和直流输出线不用同一根电缆，输出线远离高压线和动力线。输入接线不超过30 m，由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此加熔断器FU1、FU2以保护输出元件。

4 PLC系统具体应用及效果

4.1 PLC系统具体应用

2#储运区消防泵控制系统采用PLC自动控制。所有压力表输入信号均为开关信号，输出信号均为脉冲信号，并延时2 s复位。通过消防泵房工作流程图，可以看到消防泵自动控制系统工作过程：当总水管压力下降至1.1 MPa时，压力表X000输入有信号，To K100得电，延时10 s确认输入信号正确，以防压力表抖动误操作，稳压泵A用B备，X036有信号，Y000有输出，自动启动稳压泵A；当总水管压力上升至1.3 MPa时，X01有信号，Y10有输出，继电器得电，自动停止稳压泵A；当总水管压力表下降至0.8 MPa时，X002有输入，Y002有输出，继电器得电，自动启动消防泵A；当A管出水管压力上升至1.6 MPa时，X003有出入信号，T3k100有输出，过10 s秒后自动开启电动阀A；当A管出水管压力下降至0.6 MPa时，X004有输入，Y3有输出，自动启动消防泵B；当B管出水管压力上升至1.6 MPa时，X005有信号，Y006有输出，自动开启电动蝶阀B；当消防泵A、B故障时，自动启动消防泵C；当消防泵A运行后，电动蝶阀A有故障不能打开时，自动启动消防泵C；当消防泵B运行后，压力表达到1.6 MPa时，电动阀B有故障不能打开，自动启动消防泵C，总管压力大到达到1.6 MPa时，自动启动电动阀C来关闭消防泵C。

4.2 PLC系统应用效果

消防泵房控制系统经过改造后，在总水管前增加两台30 kW，380 V的稳压泵，在原消防泵房内AP柜旁增加一台配电柜，二路电源进线并设置电源的自切装置，电源由N1变电所AA10-1及AA02-1备用回路供给，消防泵控制系统由PLC程序控制。在平常情况下，当总水管压力下降至1.1 MPa时自动启动稳压泵A或B；总水管上升至1.3 MPa时，停止稳压泵A，B；当总水管压力下降至0.8 MPa时，自动启动消防泵A；当A出水管压力上升至1.6 MPa时，自动启动电动蝶阀A；当A出水管压力下降至0.6 MPa时，自动启动消防泵B，B管出水管压力上升至1.6 MPa自动开启蝶阀自动开启蝶阀B；当稳压泵A故障时，自动启动稳压泵B；当消防泵A故障，蝶阀A故障，消防泵B故障，电动蝶阀B故障时，自动启动消防泵C。利用PLC实现自动化控制，以后如有火情发生，即使没有操作工在现场，也能确保总水管的出水压力始终保持在1.1 MPa之上，保证消防炮能及时自动出水，可将火情消灭在萌芽中，消除了安全隐患，保证了生产装置的安全运行。