消防泵房PLC控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

周國(guó)忠

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)儲(chǔ)運(yùn)部是上海石化最大的化工原料和油品的儲(chǔ)運(yùn)區(qū),儲(chǔ)存著大量的原油、汽油、航空煤油、柴油及易燃易爆的化工原料，對(duì)消防的要求相當(dāng)嚴(yán)格。由于原消防供水系統(tǒng)完全由手動(dòng)控制，當(dāng)火情發(fā)生時(shí)，消防泵不能自動(dòng)投入供水，水壓不能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求，穩(wěn)壓泵也不能有效保證管網(wǎng)壓力，而且人為因素的失誤也會(huì)造成供水延誤，引起管道爆裂，造成設(shè)備損壞。因此，原消防泵控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低，可靠性很差，存在諸多缺陷，并且在火災(zāi)發(fā)生時(shí)存在極大隱患。

原2#儲(chǔ)運(yùn)區(qū)消防泵有3臺(tái)高壓消防泵，當(dāng)總水管壓力下降至0.8 MPa時(shí)，由調(diào)度通知消防泵操作工開(kāi)啟A泵；當(dāng)A泵壓力低于0.6 MPa時(shí)，由調(diào)度通知開(kāi)啟B泵，C泵備用?？偹艿乃椭?個(gè)碼頭，每一個(gè)碼頭離消防泵房至少有1～2 km，當(dāng)管道發(fā)生內(nèi)漏或別的碼頭用消防水時(shí)，不能及時(shí)啟動(dòng)消防泵。當(dāng)管道壓力低于1 MPa時(shí)，碼頭上的消防炮會(huì)發(fā)生不能及時(shí)出水或射程距離不夠的現(xiàn)象，所以一定要通知操作工手動(dòng)開(kāi)啟消防泵才能使消防炮出水，但此時(shí)如操作工不在現(xiàn)場(chǎng)，那就會(huì)令事故更加擴(kuò)大化，后果將不堪設(shè)想。為消除安全隱患,保證企業(yè)的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行，在消防泵房的供水控制系統(tǒng)中引入自動(dòng)控制系統(tǒng)就顯得尤其重要。隨著可編程自動(dòng)控制器(PLC)和變頻器調(diào)節(jié)的廣泛應(yīng)用，決定在消防水系統(tǒng)中采用PLC和變頻器來(lái)調(diào)節(jié)控制供水壓力，有效保證火情發(fā)生時(shí)的及時(shí)供水，而且可以自動(dòng)來(lái)回切換，確保供水系統(tǒng)的安全使用，實(shí)現(xiàn)了消防泵房在無(wú)人值班情況下能自動(dòng)控制，確保企業(yè)的安全生產(chǎn)。

1 PLC的工作原理

PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本與微型計(jì)算機(jī)相同，PLC的組成見(jiàn)圖1所示。

圖1 PLC的組成

PLC可看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備，它周而復(fù)始地循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。用戶程序只是掃描周期的一個(gè)組成部分，用戶程序不運(yùn)行時(shí)，PLC也在掃描，只不過(guò)在一個(gè)周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫(xiě)輸出這幾部分內(nèi)容。典型的PLC在一個(gè)周期中可完成以下掃描過(guò)程。

(1)自診斷測(cè)試掃描過(guò)程。為保證設(shè)備的可靠性，及時(shí)反應(yīng)所出現(xiàn)的故障，PLC都具有自監(jiān)視功能，自監(jiān)視功能主要由時(shí)間監(jiān)視器完成。

(2)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的掃描過(guò)程。一般小型系統(tǒng)沒(méi)有這一掃描過(guò)程，配有網(wǎng)絡(luò)的PLC系統(tǒng)才有通信掃描過(guò)程，這一過(guò)程用于PLC之間及PLC與上位計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備之間的通信。

(3)用戶程序掃描過(guò)程。該過(guò)程在機(jī)器運(yùn)行中是可控的，即用戶可以通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)定。用戶程序的長(zhǎng)短，會(huì)影響過(guò)程所用的時(shí)間。

(4)讀輸入與寫(xiě)輸出掃描過(guò)程。機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期都包含這個(gè)掃描過(guò)程，該過(guò)程在機(jī)器運(yùn)行中是否被執(zhí)行是可控的。中央處理器(CPU)在處理用戶程序時(shí)，使用的輸入值不是直接從輸入點(diǎn)讀取的，運(yùn)算的結(jié)果也不直接送到實(shí)際輸出點(diǎn)，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個(gè)映像寄存器：一個(gè)為輸入映像寄存器，另一個(gè)為輸出映像寄存器。用戶程序中所用的輸入值是輸入映像寄存器的值，運(yùn)算結(jié)果也放在輸出映像寄存器中。在輸入掃描過(guò)程中，CPU把實(shí)際輸入點(diǎn)的狀態(tài)輸入到映像寄存器；在輸出過(guò)程中，CPU把輸出映像寄存器的值鎖定到實(shí)際輸出點(diǎn)。為了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便，PLC具有輸入/輸出(I/O)控制功能，用戶可以通過(guò)編程器封鎖或開(kāi)放I/O。封鎖I/O就是關(guān)閉I/O掃描過(guò)程。

2 消防供水系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)設(shè)定

2.1 輸入輸出分配

PLC輸入端子板將外部開(kāi)關(guān)的端子連接轉(zhuǎn)換成I/O模塊所需的針形插座連接，從而使外部控制信號(hào)輸至PLC中。同樣的，PLC輸出端子板將PLC的輸出信號(hào)經(jīng)針形插座轉(zhuǎn)換外部執(zhí)行原件的端子連接。

(1)輸入口

PLC輸入口I模塊組的輸入元件由控制按鈕、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、網(wǎng)控開(kāi)關(guān)組成。輸入接線方式又分為如圖2所示的匯點(diǎn)式輸入和分組式輸入兩種。

(a)匯點(diǎn)式輸入 (b)分組式輸入

(2)輸出口

其輸入口O模塊組的輸入元件由接觸器、繼電器組成，而分組式和分隔式輸入接線的輸出方式如圖3所示。

(a)分組式輸入 (b)分隔式輸入

2.2 控制系統(tǒng)主程序設(shè)定

PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動(dòng)程序、水泵電機(jī)變頻/工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量(壓力、頻率)比較計(jì)算程序和報(bào)警程序等構(gòu)成。消防供水系統(tǒng)控制邏輯見(jiàn)圖4。

圖4 消防供水系統(tǒng)控制邏輯

(1)系統(tǒng)初始化程序

在系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，先對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出錯(cuò)則報(bào)警，接著對(duì)變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后中斷連接。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過(guò)調(diào)用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵和工頻泵投入臺(tái)數(shù)。

(2)增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序

當(dāng)比例積分、微分控制(PID)調(diào)節(jié)結(jié)果大于等于變頻運(yùn)行上限頻率(或小于等于變頻運(yùn)行下限頻率)且水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)5 min(以便消除水壓波動(dòng)的干擾)后執(zhí)行工頻泵臺(tái)數(shù)加一(或減一)操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)。

(3)水泵的軟啟動(dòng)程序

增減泵或倒泵時(shí)復(fù)位變頻器為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備，同時(shí)變頻泵號(hào)加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)和下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)，延時(shí)后啟動(dòng)運(yùn)行。

當(dāng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，對(duì)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行判斷，超過(guò)3 h則自動(dòng)倒泵變頻運(yùn)行。

(4)各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯程序

各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，在此以1#水泵為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生1#泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)并且系統(tǒng)無(wú)故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位1#水泵變頻運(yùn)行信號(hào)、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時(shí)，Q0.1置1，KM2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運(yùn)行，同時(shí)KM2常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM2的常開(kāi)觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。

(5)各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯程序

水泵的工頻運(yùn)行不但取決于變頻泵的泵號(hào)，還取決于工頻泵的臺(tái)數(shù)。由于各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，在此仍以1#水泵為例進(jìn)行說(shuō)明。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖后，若當(dāng)前2#泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當(dāng)前3#泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，則Q0.0置1，KM1線圈得電，使得KM1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，1#水泵工頻運(yùn)行，同時(shí)KM1常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，防止KM2線圈得電，從而實(shí)現(xiàn)變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開(kāi)觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。

(6)報(bào)警及故障處理程序

對(duì)水位過(guò)低、水壓上下限報(bào)警、變頻器故障等故障給出報(bào)警，并做出相應(yīng)的故障處理。報(bào)警及故障處理程序邏輯見(jiàn)圖5所示。

①欠水位故障：進(jìn)入P0 處理模塊，停止全部電機(jī)的運(yùn)行，防止水泵空轉(zhuǎn)。當(dāng)欠水位信號(hào)解除后，延時(shí)一段時(shí)間，自動(dòng)執(zhí)行以下程序。

②壓力上下限報(bào)警：輸出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警信號(hào)30 s 內(nèi)未解除，則進(jìn)入P0 處理模塊，停止全部的電機(jī)運(yùn)行。信號(hào)解除則自動(dòng)運(yùn)行以下程序。

圖5 報(bào)警及故障處理程序邏輯

③變頻器故障：變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，PLC輸入繼電器X5 動(dòng)作，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入自動(dòng)工頻運(yùn)行模塊。此時(shí)變頻器退出運(yùn)行，3臺(tái)主泵電機(jī)均工作于工頻狀態(tài)。該方式下的水泵的投入和切除順序和自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行方式時(shí)的大致相同，只是原來(lái)運(yùn)行在變頻狀態(tài)下的電機(jī)改為了工頻運(yùn)行。由于沒(méi)有了變頻器的調(diào)速和PID調(diào)節(jié)，水壓無(wú)法恒定。為防止出現(xiàn)停開(kāi)一臺(tái)水泵水壓不足而增開(kāi)一臺(tái)水泵又超壓造成系統(tǒng)的頻繁切換，只能增加延時(shí)。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC的功能設(shè)計(jì)

首先對(duì)2#儲(chǔ)運(yùn)區(qū)消防泵的工作特點(diǎn)、功能和特性進(jìn)行認(rèn)真分析，并與電氣工程技術(shù)人員共同協(xié)作，明確控制任務(wù)和設(shè)計(jì)要求，制定出詳實(shí)的工作流程(見(jiàn)圖6)。消防泵控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)有32個(gè)，均為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，其中壓力表開(kāi)關(guān)信號(hào)7個(gè)，按鈕信號(hào)10個(gè)，電動(dòng)閥開(kāi)閥信號(hào)6個(gè)，選擇開(kāi)關(guān)2個(gè)(占4個(gè)輸入口)，穩(wěn)壓泵A，B運(yùn)行信號(hào)2

圖6 消防泵房工作流程

個(gè)，消防泵(A，B，C)運(yùn)行信號(hào)3個(gè)，信號(hào)復(fù)位1個(gè)。該系統(tǒng)中有輸出信號(hào)21個(gè)，其中2個(gè)用于自動(dòng)啟動(dòng)穩(wěn)壓泵A，B，2個(gè)用于自動(dòng)停止穩(wěn)壓泵A，B，3個(gè)用于自動(dòng)啟動(dòng)消防泵A，B，C，3個(gè)用于自動(dòng)停止消防泵A、B、C，3個(gè)用于自動(dòng)開(kāi)啟電動(dòng)閥A、B、C，8個(gè)用于值班室內(nèi)指示燈信號(hào)箱。

控制系統(tǒng)輸入32點(diǎn)，輸出21點(diǎn)，在實(shí)際統(tǒng)計(jì)的I/O點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上加15%～20%的備用量，以便于今后的調(diào)整和擴(kuò)充。所有的輸入信號(hào)均為開(kāi)關(guān)量，輸出端均為220 V交流接觸器。項(xiàng)目選用日本三菱公司的產(chǎn)品FXON-60MR小型PLC，輸入為36點(diǎn)，輸出為24點(diǎn)，單元功能為基本單元，輸出類型為繼電器，滿足控制要求，而且還有一定的余量。

3.2 編程器外圍設(shè)備的選擇

采用便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)，選用能在計(jì)算機(jī)上使用的編程軟件，在計(jì)算機(jī)上編程，進(jìn)行模擬調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修改，直到在各種可能發(fā)生的情況下，控制系統(tǒng)完全符合系統(tǒng)控制要求，再將設(shè)計(jì)好的程序下載到PLC中去，確保萬(wàn)無(wú)一失。

3.3 PLC工作環(huán)境及安裝與布線

2#儲(chǔ)運(yùn)區(qū)消防系統(tǒng)進(jìn)行改造，將PLC安裝在200 mm×600 mm的控制柜內(nèi)，控制柜安裝在消防泵房?jī)?nèi)，開(kāi)關(guān)柜上下都有通風(fēng)口，PLC單獨(dú)安裝在柜內(nèi)，遠(yuǎn)離繼電器、熱繼電器等發(fā)熱元件，四周通風(fēng)散熱的空間足夠大。若周圍環(huán)境超過(guò)55 ℃，可以開(kāi)啟空調(diào)來(lái)降溫，為了保證PLC的絕緣性能，防止凝露，內(nèi)部裝有濕度計(jì)，如濕度大于15%，可開(kāi)啟去濕機(jī)，降低室內(nèi)潮氣，使PLC及電氣設(shè)備正常、安全運(yùn)行。PLC柜距離消防泵7.5 m，消防泵啟動(dòng)時(shí)，震動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于10 Hz。PLC供電電源為50 Hz，220 V(1±10%)的交流電，并安裝一臺(tái)帶屏蔽層的1∶1的100 VA的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾，隔離變壓器與PLC和I/O之間采用雙絞線連接。PLC的輸入和輸出分開(kāi)走線，交流輸出線和直流輸出線不用同一根電纜，輸出線遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)力線。輸入接線不超過(guò)30 m，由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負(fù)載短路，將燒毀印制電路板，因此加熔斷器FU1、FU2以保護(hù)輸出元件。

4 PLC系統(tǒng)具體應(yīng)用及效果

4.1 PLC系統(tǒng)具體應(yīng)用

2#儲(chǔ)運(yùn)區(qū)消防泵控制系統(tǒng)采用PLC自動(dòng)控制。所有壓力表輸入信號(hào)均為開(kāi)關(guān)信號(hào)，輸出信號(hào)均為脈沖信號(hào)，并延時(shí)2 s復(fù)位。通過(guò)消防泵房工作流程圖，可以看到消防泵自動(dòng)控制系統(tǒng)工作過(guò)程：當(dāng)總水管壓力下降至1.1 MPa時(shí)，壓力表X000輸入有信號(hào)，To K100得電，延時(shí)10 s確認(rèn)輸入信號(hào)正確，以防壓力表抖動(dòng)誤操作，穩(wěn)壓泵A用B備，X036有信號(hào)，Y000有輸出，自動(dòng)啟動(dòng)穩(wěn)壓泵A；當(dāng)總水管壓力上升至1.3 MPa時(shí)，X01有信號(hào)，Y10有輸出，繼電器得電，自動(dòng)停止穩(wěn)壓泵A；當(dāng)總水管壓力表下降至0.8 MPa時(shí)，X002有輸入，Y002有輸出，繼電器得電，自動(dòng)啟動(dòng)消防泵A；當(dāng)A管出水管壓力上升至1.6 MPa時(shí)，X003有出入信號(hào)，T3k100有輸出，過(guò)10 s秒后自動(dòng)開(kāi)啟電動(dòng)閥A；當(dāng)A管出水管壓力下降至0.6 MPa時(shí)，X004有輸入，Y3有輸出，自動(dòng)啟動(dòng)消防泵B；當(dāng)B管出水管壓力上升至1.6 MPa時(shí)，X005有信號(hào)，Y006有輸出，自動(dòng)開(kāi)啟電動(dòng)蝶閥B；當(dāng)消防泵A、B故障時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)消防泵C；當(dāng)消防泵A運(yùn)行后，電動(dòng)蝶閥A有故障不能打開(kāi)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)消防泵C；當(dāng)消防泵B運(yùn)行后，壓力表達(dá)到1.6 MPa時(shí)，電動(dòng)閥B有故障不能打開(kāi)，自動(dòng)啟動(dòng)消防泵C，總管壓力大到達(dá)到1.6 MPa時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)電動(dòng)閥C來(lái)關(guān)閉消防泵C。

4.2 PLC系統(tǒng)應(yīng)用效果

消防泵房控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造后，在總水管前增加兩臺(tái)30 kW，380 V的穩(wěn)壓泵，在原消防泵房?jī)?nèi)AP柜旁增加一臺(tái)配電柜，二路電源進(jìn)線并設(shè)置電源的自切裝置，電源由N1變電所AA10-1及AA02-1備用回路供給，消防泵控制系統(tǒng)由PLC程序控制。在平常情況下，當(dāng)總水管壓力下降至1.1 MPa時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)穩(wěn)壓泵A或B；總水管上升至1.3 MPa時(shí)，停止穩(wěn)壓泵A，B；當(dāng)總水管壓力下降至0.8 MPa時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)消防泵A；當(dāng)A出水管壓力上升至1.6 MPa時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)電動(dòng)蝶閥A；當(dāng)A出水管壓力下降至0.6 MPa時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)消防泵B，B管出水管壓力上升至1.6 MPa自動(dòng)開(kāi)啟蝶閥自動(dòng)開(kāi)啟蝶閥B；當(dāng)穩(wěn)壓泵A故障時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)穩(wěn)壓泵B；當(dāng)消防泵A故障，蝶閥A故障，消防泵B故障，電動(dòng)蝶閥B故障時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)消防泵C。利用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，以后如有火情發(fā)生，即使沒(méi)有操作工在現(xiàn)場(chǎng)，也能確?？偹艿某鏊畨毫κ冀K保持在1.1 MPa之上，保證消防炮能及時(shí)自動(dòng)出水，可將火情消滅在萌芽中，消除了安全隱患，保證了生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行。