基于PLC的消防系統(tǒng)巡檢與應(yīng)急裝置的電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 君，魏有法，陳壽坤

(閩南理工學(xué)院 實(shí)踐教學(xué)中心，福建 石獅 362700)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，消防安全的重要性日益突出，對(duì)消防系統(tǒng)的穩(wěn)定性和及時(shí)響應(yīng)提出了更高的要求.消防系統(tǒng)通常由報(bào)警系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、滅火聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)等組成；要求能及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，發(fā)出警報(bào)，險(xiǎn)情確認(rèn)，啟動(dòng)滅火.參考國家《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》等消防規(guī)范，我們提出了一種基于PLC的消防系統(tǒng)巡檢與應(yīng)急裝置的設(shè)計(jì)方案.該方案有利于提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)展性，增強(qiáng)了操作的便捷性和監(jiān)控的實(shí)時(shí)性與直觀性，具有良好的應(yīng)用價(jià)值.

1 應(yīng)用需求分析

常規(guī)的消防給水系統(tǒng)的組成如圖1所示，給水系統(tǒng)要求保持高位消防水箱有足夠儲(chǔ)水應(yīng)對(duì)火災(zāi)初期滅火用水，同時(shí)對(duì)消防水泵進(jìn)行定期巡檢確保設(shè)備在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能可靠運(yùn)行提供滅火用水，一般消防水泵是一主一備，當(dāng)一臺(tái)水泵在運(yùn)行中發(fā)生故障時(shí)能自主切換到另一臺(tái)水泵向管網(wǎng)供水[1].給水系統(tǒng)能否正常運(yùn)行除與水泵等設(shè)備有關(guān)外，也與電氣線路的工作情況有關(guān)，同時(shí)消防供水系統(tǒng)要求具有符合規(guī)范要求的水壓或水量，已滿足滅火需要.本文提出了一種基于PLC的消防系統(tǒng)巡檢及應(yīng)急系統(tǒng)裝置，結(jié)合人機(jī)界面等實(shí)現(xiàn)對(duì)消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和增強(qiáng)巡檢過程的自動(dòng)化[2].

2 方案總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)想的消防巡檢及應(yīng)急系統(tǒng)由消防泵巡檢、高位消防水箱調(diào)節(jié)、火災(zāi)報(bào)警及故障提示等模塊組成，具體組成如圖1所示[3].

圖1 消防巡檢及應(yīng)急系統(tǒng)組成示意圖

本文所涉及的基于PLC的消防巡檢與應(yīng)急裝置是一個(gè)比較典型的PLC過程控制系統(tǒng).PLC過程控制系統(tǒng)一般由壓力、溫度、液位、開關(guān)等信號(hào)機(jī)構(gòu)，控制機(jī)構(gòu)(PLC)，水泵、變頻器、加熱器、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成[4].三菱FX3U可以通過連接4AD-ADP模塊與4DA-ADP模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和模擬量的控制；其中，4AD-ADP是FX3U的A/D轉(zhuǎn)換模塊，4DA-ADP是FX3U的D/A轉(zhuǎn)換模塊[5].在工程應(yīng)用中，從流量計(jì)、壓力傳感器等輸入電壓、電流信號(hào)，F(xiàn)X3U可以通過4DA-ADP監(jiān)控工件或者設(shè)備的狀態(tài)；FX3U同時(shí)可以通過4AD-ADP輸出電壓、電流信號(hào)，用于變頻器頻率控制等指令中；這樣就能夠較好地實(shí)現(xiàn)過程控制應(yīng)用.

3 系統(tǒng)電氣布局

系統(tǒng)對(duì)樓房高位消防水箱應(yīng)能實(shí)現(xiàn)基于PID的水箱液位或流量的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)；通過PLC模擬量特殊功能模塊實(shí)現(xiàn)液位和流量傳感器數(shù)據(jù)的讀取與顯示；當(dāng)高位水箱供水已不能滿足滅火時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)消防水泵工頻運(yùn)行向消防滅火系統(tǒng)直接供水，同時(shí)配有機(jī)械應(yīng)急操作功能.系統(tǒng)消防泵應(yīng)可實(shí)現(xiàn)低頻和工頻定時(shí)自動(dòng)巡檢，其中低頻巡檢可減少對(duì)消防管網(wǎng)和電網(wǎng)的沖擊，火災(zāi)發(fā)生時(shí)自動(dòng)停止巡檢功能.自動(dòng)巡檢可檢測消防泵運(yùn)行狀態(tài)，如三相電壓、電流及電機(jī)振動(dòng)、泵出口水壓等；當(dāng)煙霧報(bào)警器與消火栓按鈕動(dòng)作滿足條件時(shí)進(jìn)行火災(zāi)聲光報(bào)警，并應(yīng)能自動(dòng)開啟排煙風(fēng)機(jī)、啟動(dòng)應(yīng)急照明和疏散指示、降下防火卷簾及開啟防火分區(qū)供水閥門等.系統(tǒng)對(duì)市電和蓄電池電路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，顯示市電電壓、電流、蓄電池電量等參數(shù)，當(dāng)市電因火災(zāi)等原因被切斷時(shí)，自動(dòng)切換到蓄電池電路對(duì)應(yīng)急照明和疏散指示供電，在主要消防疏散通道啟動(dòng)激光引導(dǎo)疏散功能，確保疏散引導(dǎo)及時(shí)有效.

根據(jù)現(xiàn)有市場主流產(chǎn)品和系統(tǒng)需求，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)采用三菱 FX3U及其模擬量特殊功能模塊、三菱觸摸屏、三菱變頻器和其他外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案.根據(jù)設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)選用的主要電氣設(shè)備如表1所示.

表1 主要電氣元器件清單

續(xù)表1

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，系統(tǒng)試驗(yàn)裝置電氣原理圖如圖2所示[6-7].

圖2 消防巡檢及應(yīng)急系統(tǒng)驗(yàn)證裝置電氣原理圖

通過選擇開關(guān)、中間繼電器、交流接觸器等可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)狀態(tài)和自動(dòng)狀態(tài)的切換、互鎖、順序控制及消防泵巡檢變頻器輸出端的保護(hù)，同時(shí)試驗(yàn)裝置設(shè)有消防泵1的故障模擬開關(guān)、消防手動(dòng)報(bào)警按鈕等；除手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)切換及應(yīng)急控制外，其他控制操作通過三菱觸摸屏實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以通過三菱觸摸屏進(jìn)行直觀顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互.

三菱FX-3U主站PLC和FX3U-4DA-ADP模塊控制一臺(tái)三菱FR-D700變頻器和交流接觸器實(shí)現(xiàn)對(duì)消防泵主泵和備用泵的巡檢與應(yīng)急啟動(dòng)；其中交流接觸器KM5主要配合模擬實(shí)現(xiàn)消防泵手動(dòng)應(yīng)急，交流接觸器KM3和KM4主要是為了實(shí)現(xiàn)消防泵1和消防泵2的切換，交流接觸器KM1是接通消防泵巡檢變頻器，交流接觸器KM2主要是實(shí)現(xiàn)消防泵巡檢切換或手動(dòng)應(yīng)急時(shí)對(duì)變頻器輸出端的保護(hù).

三菱FX-3U從站PLC和FX3U-4DA-ADP模塊控制一臺(tái)三菱FR-D700變頻器實(shí)現(xiàn)高位水箱泵的PID控制等日常運(yùn)行[8-9].PLC主、從站通過FX3U-485ADP-MB模塊與FX3U-485-BD模塊的N:N網(wǎng)絡(luò)接線實(shí)現(xiàn)相互通信.FX3U-4AD-ADP模塊實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、流量、液位、壓力、蓄電池直流電壓等傳感器數(shù)據(jù)的采集，F(xiàn)X3U-485-BD模塊與四路電流電壓模塊的RS485通信實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣線路電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)的采集.

同時(shí)，PLC通過控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的防火卷簾的運(yùn)行，光電開關(guān)監(jiān)測防火卷簾的上下限位；通過控制中間繼電器KA1～KA7線圈的接通實(shí)現(xiàn)蓄電池經(jīng)逆變器的供電輸出，以及給水管網(wǎng)電磁閥、聲光報(bào)警、應(yīng)急照明、疏散指示、激光指示等的運(yùn)行；應(yīng)在電磁閥線圈兩端并聯(lián)反向二極管和電容，解決電磁閥關(guān)斷時(shí)感應(yīng)反向電動(dòng)勢過大導(dǎo)致中間繼電器觸點(diǎn)燒蝕不能正常分?jǐn)嗟膯栴}等.通過人機(jī)界面設(shè)計(jì)與PLC的通信控制，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)帶觸摸屏的人機(jī)界面的系統(tǒng)控制與監(jiān)控.觸摸屏可實(shí)現(xiàn)多個(gè)操作畫面的切換，通過觸摸屏按鈕與顯示框等組件對(duì)PLC軟元件進(jìn)行寫入和讀取操作，便于通過一個(gè)觸摸屏裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)集中統(tǒng)一的控制操作；同時(shí)減少了電路控制中的機(jī)械開關(guān)和線路等的設(shè)置，從而減少了可能的機(jī)械故障點(diǎn)；通過觸摸屏還可實(shí)現(xiàn)直觀的數(shù)據(jù)圖表化呈現(xiàn)和狀態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警等功能，便于操作人員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)做出及時(shí)分析和響應(yīng)[10].觸摸屏主要設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主界面、自動(dòng)巡檢設(shè)置界面、手動(dòng)巡檢界面、工頻巡檢數(shù)據(jù)界面、低頻巡檢數(shù)據(jù)界面、高位消防水箱自動(dòng)調(diào)節(jié)界面、高位消防水箱手動(dòng)調(diào)節(jié)界面、高位消防水箱調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)界面、火災(zāi)報(bào)警監(jiān)測界面、故障報(bào)警數(shù)據(jù)界面等，系統(tǒng)部分人機(jī)界面如圖3所示.

圖3 觸摸屏主界面和消防泵工頻巡檢數(shù)據(jù)界面

4 結(jié) 論

基于PLC的消防聯(lián)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)日常情況下對(duì)高位消防水箱、消防水泵等器件的日常維護(hù)和故障排查功能，實(shí)現(xiàn)消防泵的自動(dòng)巡檢和數(shù)據(jù)采集，確保了火災(zāi)發(fā)生時(shí)消防器件能及時(shí)正常動(dòng)作.其中自動(dòng)巡檢功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程巡檢和自動(dòng)巡檢相結(jié)合，減少了定期的設(shè)備現(xiàn)場人工巡檢操作程序和提高了系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化性能，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能也提高了故障響應(yīng)和應(yīng)急響應(yīng)的及時(shí)性；PLC主、從站的分布式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)組成與功能的模組化，提高了故障的可排查性和維護(hù)性，同時(shí)便于進(jìn)行模塊化的故障檢修等；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)發(fā)生時(shí)的消防報(bào)警及應(yīng)急消防聯(lián)動(dòng)功能，火災(zāi)發(fā)生時(shí)能第一時(shí)間對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)急消防滅火，滿足消防運(yùn)行要求；人機(jī)界面便于操作和數(shù)據(jù)等的直觀顯示，在較低成本的前提下，可通過多個(gè)操作界面的設(shè)計(jì)豐富巡檢和監(jiān)控系統(tǒng)功能，同時(shí)減少了部分外部線路的設(shè)置從而減少了故障點(diǎn).由于篇幅所限，本文主要就該系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，此系統(tǒng)在通訊方式、傳感器選用、功能優(yōu)化等方面還有許多需要改進(jìn)和完善的地方，需要在今后的工作中進(jìn)一步改進(jìn)和完善.