基于PLC的消防系统巡检与应急装置的电气结构设计

王 君，魏有法，陈寿坤

(闽南理工学院 实践教学中心，福建 石狮 362700)

随着社会经济发展，消防安全的重要性日益突出，对消防系统的稳定性和及时响应提出了更高的要求.消防系统通常由报警系统、给水系统、灭火联动系统等组成；要求能及时发现火情，发出警报，险情确认，启动灭火.参考国家《自动喷水灭火系统设计规范》等消防规范，我们提出了一种基于PLC的消防系统巡检与应急装置的设计方案.该方案有利于提高系统的可维护性和扩展性，增强了操作的便捷性和监控的实时性与直观性，具有良好的应用价值.

1 应用需求分析

常规的消防给水系统的组成如图1所示，给水系统要求保持高位消防水箱有足够储水应对火灾初期灭火用水，同时对消防水泵进行定期巡检确保设备在火灾发生时能可靠运行提供灭火用水，一般消防水泵是一主一备，当一台水泵在运行中发生故障时能自主切换到另一台水泵向管网供水[1].给水系统能否正常运行除与水泵等设备有关外，也与电气线路的工作情况有关，同时消防供水系统要求具有符合规范要求的水压或水量，已满足灭火需要.本文提出了一种基于PLC的消防系统巡检及应急系统装置，结合人机界面等实现对消防系统数据的实时监测和增强巡检过程的自动化[2].

2 方案总体设计

本文设想的消防巡检及应急系统由消防泵巡检、高位消防水箱调节、火灾报警及故障提示等模块组成，具体组成如图1所示[3].

图1 消防巡检及应急系统组成示意图

本文所涉及的基于PLC的消防巡检与应急装置是一个比较典型的PLC过程控制系统.PLC过程控制系统一般由压力、温度、液位、开关等信号机构，控制机构(PLC)，水泵、变频器、加热器、电磁阀等执行机构组成[4].三菱FX3U可以通过连接4AD-ADP模块与4DA-ADP模块来实现数据的采集和模拟量的控制；其中，4AD-ADP是FX3U的A/D转换模块，4DA-ADP是FX3U的D/A转换模块[5].在工程应用中，从流量计、压力传感器等输入电压、电流信号，FX3U可以通过4DA-ADP监控工件或者设备的状态；FX3U同时可以通过4AD-ADP输出电压、电流信号，用于变频器频率控制等指令中；这样就能够较好地实现过程控制应用.

3 系统电气布局

系统对楼房高位消防水箱应能实现基于PID的水箱液位或流量的动态平衡调节；通过PLC模拟量特殊功能模块实现液位和流量传感器数据的读取与显示；当高位水箱供水已不能满足灭火时，自动启动消防水泵工频运行向消防灭火系统直接供水，同时配有机械应急操作功能.系统消防泵应可实现低频和工频定时自动巡检，其中低频巡检可减少对消防管网和电网的冲击，火灾发生时自动停止巡检功能.自动巡检可检测消防泵运行状态，如三相电压、电流及电机振动、泵出口水压等；当烟雾报警器与消火栓按钮动作满足条件时进行火灾声光报警，并应能自动开启排烟风机、启动应急照明和疏散指示、降下防火卷帘及开启防火分区供水阀门等.系统对市电和蓄电池电路状态进行监控，显示市电电压、电流、蓄电池电量等参数，当市电因火灾等原因被切断时，自动切换到蓄电池电路对应急照明和疏散指示供电，在主要消防疏散通道启动激光引导疏散功能，确保疏散引导及时有效.

根据现有市场主流产品和系统需求，本文设计的试验验证系统采用三菱 FX3U及其模拟量特殊功能模块、三菱触摸屏、三菱变频器和其他外围设备实现系统方案.根据设计方案，试验验证系统选用的主要电气设备如表1所示.

表1 主要电气元器件清单

续表1

根据系统结构和功能，系统试验装置电气原理图如图2所示[6-7].

图2 消防巡检及应急系统验证装置电气原理图

通过选择开关、中间继电器、交流接触器等可以实现手动状态和自动状态的切换、互锁、顺序控制及消防泵巡检变频器输出端的保护，同时试验装置设有消防泵1的故障模拟开关、消防手动报警按钮等；除手动/自动状态切换及应急控制外，其他控制操作通过三菱触摸屏实现，系统数据可以通过三菱触摸屏进行直观显示，实现人机交互.

三菱FX-3U主站PLC和FX3U-4DA-ADP模块控制一台三菱FR-D700变频器和交流接触器实现对消防泵主泵和备用泵的巡检与应急启动；其中交流接触器KM5主要配合模拟实现消防泵手动应急，交流接触器KM3和KM4主要是为了实现消防泵1和消防泵2的切换，交流接触器KM1是接通消防泵巡检变频器，交流接触器KM2主要是实现消防泵巡检切换或手动应急时对变频器输出端的保护.

三菱FX-3U从站PLC和FX3U-4DA-ADP模块控制一台三菱FR-D700变频器实现高位水箱泵的PID控制等日常运行[8-9].PLC主、从站通过FX3U-485ADP-MB模块与FX3U-485-BD模块的N:N网络接线实现相互通信.FX3U-4AD-ADP模块实现振动、流量、液位、压力、蓄电池直流电压等传感器数据的采集，FX3U-485-BD模块与四路电流电压模块的RS485通信实现对电气线路电压、电流、功率等数据的采集.

同时，PLC通过控制步进驱动器实现步进电机带动的防火卷帘的运行，光电开关监测防火卷帘的上下限位；通过控制中间继电器KA1～KA7线圈的接通实现蓄电池经逆变器的供电输出，以及给水管网电磁阀、声光报警、应急照明、疏散指示、激光指示等的运行；应在电磁阀线圈两端并联反向二极管和电容，解决电磁阀关断时感应反向电动势过大导致中间继电器触点烧蚀不能正常分断的问题等.通过人机界面设计与PLC的通信控制，系统可实现带触摸屏的人机界面的系统控制与监控.触摸屏可实现多个操作画面的切换，通过触摸屏按钮与显示框等组件对PLC软元件进行写入和读取操作，便于通过一个触摸屏装置实现对系统集中统一的控制操作；同时减少了电路控制中的机械开关和线路等的设置，从而减少了可能的机械故障点；通过触摸屏还可实现直观的数据图表化呈现和状态显示，实现故障报警等功能，便于操作人员对系统运行状态做出及时分析和响应[10].触摸屏主要设计了系统主界面、自动巡检设置界面、手动巡检界面、工频巡检数据界面、低频巡检数据界面、高位消防水箱自动调节界面、高位消防水箱手动调节界面、高位消防水箱调节数据界面、火灾报警监测界面、故障报警数据界面等，系统部分人机界面如图3所示.

图3 触摸屏主界面和消防泵工频巡检数据界面

4 结 论

基于PLC的消防联动报警系统可以实现日常情况下对高位消防水箱、消防水泵等器件的日常维护和故障排查功能，实现消防泵的自动巡检和数据采集，确保了火灾发生时消防器件能及时正常动作.其中自动巡检功能，实现了远程巡检和自动巡检相结合，减少了定期的设备现场人工巡检操作程序和提高了系统运行的自动化性能，系统的实时监控功能也提高了故障响应和应急响应的及时性；PLC主、从站的分布式设计实现了系统组成与功能的模组化，提高了故障的可排查性和维护性，同时便于进行模块化的故障检修等；系统实现了火灾发生时的消防报警及应急消防联动功能，火灾发生时能第一时间对火灾现场进行应急消防灭火，满足消防运行要求；人机界面便于操作和数据等的直观显示，在较低成本的前提下，可通过多个操作界面的设计丰富巡检和监控系统功能，同时减少了部分外部线路的设置从而减少了故障点.由于篇幅所限，本文主要就该系统的电气设计进行了阐述，此系统在通讯方式、传感器选用、功能优化等方面还有许多需要改进和完善的地方，需要在今后的工作中进一步改进和完善.