基于PLC與King SCADA風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋玉標(biāo)，范福林，仲川平，陳修忠，楊學(xué)良

（北京漢能華科技股份有限公司，北京 100070）

0 引言

截至2021年底，中國擁有并網(wǎng)風(fēng)電場4000余座，累計(jì)裝機(jī)容量超過3.2 億kW，在運(yùn)機(jī)組數(shù)量超過15萬余臺(tái)[1]。隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)量的持續(xù)增加，火災(zāi)事故也多有發(fā)生；然而伴隨陸上、海上大機(jī)組的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組主要設(shè)備運(yùn)行在幾十米甚至上百米的空中，并且多安裝在惡劣的自然環(huán)境中，例如山地、丘陵、隔壁、沙漠、沿海等，一旦發(fā)生火災(zāi)，消防人員很難成功救援，給風(fēng)場造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及安全問題，所以非常有必要安裝風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)。

風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境惡劣，可燃物品種類多樣，結(jié)合多起火災(zāi)事故案例分析[2-4]，其著火點(diǎn)、原因的詳細(xì)情況如表1所示。

表1 機(jī)組火災(zāi)特點(diǎn)

國外風(fēng)電行業(yè)發(fā)展早，技術(shù)較先進(jìn)，對于風(fēng)電機(jī)組防火問題早已出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。為解決風(fēng)電機(jī)組防火問題，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)出臺(tái)了CECS 391:2014《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組消防系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》，指導(dǎo)風(fēng)電機(jī)組防火規(guī)范及消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型規(guī)范等[5]。國內(nèi)天津消防所徐大軍等[3]對風(fēng)電機(jī)組的火災(zāi)特點(diǎn)、火災(zāi)隱患及風(fēng)力發(fā)電消防技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢作了詳細(xì)研究，并提出若干思考；張晉等[6]研究了多種火災(zāi)探測器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生同等火情條件下表現(xiàn)出的性能差異，提出了不同火災(zāi)探測器的適應(yīng)條件，同時(shí)對熱氣溶膠及二氧化碳滅火介質(zhì)在風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)的滅火能力方面也做了深入研究[7-8]；胡宜磊[9]對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多類滅火介質(zhì)作了深入對比研究，提出風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙空間的滅火介質(zhì)是超細(xì)干粉，控制柜最適合的滅火介質(zhì)是熱氣溶膠的結(jié)論。多數(shù)研究者只對火災(zāi)探測裝置或滅火裝置做部分內(nèi)容研究，暫無整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，在此背景下，本文提出基于PLC與King SCADA風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

1 風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)，前端主要包括火災(zāi)探測裝置、火災(zāi)滅火裝置、自動(dòng)消防控制器、聲光報(bào)警裝置及手動(dòng)啟停裝置等；后端是裝有基于King SCADA開發(fā)的風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)服務(wù)器。風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 自動(dòng)消防系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 火災(zāi)探測裝置

火災(zāi)探測裝置包括感溫探測裝置及感煙探測裝置，主要作用是當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生火情的早期階段，煙霧或溫度達(dá)到閾值后，提供信號(hào)給自動(dòng)消防控制器，作為信號(hào)的輸入端。由于點(diǎn)型感溫感煙裝置比其他探測裝置價(jià)格低廉，且效果滿足風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防的要求，所以均選擇點(diǎn)型感溫感煙裝置。

感溫感煙探測裝置安裝位置應(yīng)處于機(jī)組容易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域。機(jī)艙塔基等各種控制柜均需安裝感溫探測裝置，并配有熱氣溶膠。感煙探測裝置應(yīng)該裝在煙霧容易積聚的位置、整體機(jī)艙的兩側(cè)及發(fā)電機(jī)上部機(jī)艙部位，且可以同時(shí)配有感溫探測裝置。

1.2 火災(zāi)滅火裝置

當(dāng)前用于風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)的滅火介質(zhì)，主要有超細(xì)干粉、熱氣溶膠、二氧化碳、七氟丙烷、Novec 1230及水系滅火劑等[9]。各種滅火介質(zhì)性能如表2所示。

表2 滅火介質(zhì)性能比較

由于風(fēng)電機(jī)組特殊的運(yùn)行環(huán)境，從滅火介質(zhì)需要的環(huán)境要求、存儲(chǔ)方式、占用空間、投資成本及環(huán)保性能等考慮，超細(xì)干粉及熱氣溶膠滅火介質(zhì)具有需要濃度較低、撲滅火災(zāi)快、安裝空間小、安裝簡單方便、適應(yīng)溫度范圍廣、存儲(chǔ)不需要壓力、規(guī)劃成本低等特點(diǎn)，特別適合風(fēng)電機(jī)組消防市場的需求。滅火劑主要作用是發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后實(shí)現(xiàn)主動(dòng)或被動(dòng)滅火，并給出反饋信號(hào)。

滅火裝置自然需要安裝在價(jià)值高、作用大、易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域部位。傳動(dòng)鏈齒輪箱兩側(cè)、發(fā)電機(jī)區(qū)域及塔筒或塔基等業(yè)主或主機(jī)廠商關(guān)心的區(qū)域，機(jī)艙塔基電氣柜均需要感溫探測裝置與滅火裝置配套使用。

根據(jù)CECS 391-2014《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防火技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，干粉滅火裝置的滅火劑用量和配置數(shù)量應(yīng)按照CES 322-2012規(guī)定中計(jì)算確定，且宜采用體積法計(jì)算[10]：

式中：N為干粉滅火劑裝置的配置數(shù)量（具）；V1為計(jì)算體積，m3；M為單具滅火裝置的充裝量；C1為設(shè)計(jì)滅火溶度，kg/m3，即經(jīng)過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證合格的滅火密度的1.2倍。

自動(dòng)消防系統(tǒng)對機(jī)組電氣柜內(nèi)部的滅火藥劑采用熱氣溶膠滅火介質(zhì)，進(jìn)行全淹沒式滅火。根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50370-2005）規(guī)定，采用全淹沒式滅火方式時(shí)，熱氣溶膠滅火裝置的計(jì)算公式為[11]

式中：W為滅火設(shè)計(jì)用量，kg；C2為滅火設(shè)計(jì)密度，kg/m3；V為防護(hù)區(qū)凈容積，m3；KV為容積修正系數(shù)，V＜500 m3時(shí)KV=1.0，500 m3≤V＜1000 m3時(shí)KV=1.1。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，即可計(jì)算不同機(jī)型需要選用的超細(xì)干粉及熱氣溶膠的具體規(guī)格及數(shù)量，并且考慮機(jī)艙或者塔筒通風(fēng)口面積，適當(dāng)增加劑量。

2 風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)控制器

自動(dòng)消防系統(tǒng)前端采用主動(dòng)探測裝置對環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、煙霧濃度）進(jìn)行采集，并將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至消防系統(tǒng)控制器，由控制器判斷機(jī)組是否存在預(yù)報(bào)警，或者主報(bào)警，最終通過消防控制器自動(dòng)或者遠(yuǎn)程監(jiān)控命令產(chǎn)生控制信號(hào)，決定是否啟動(dòng)滅火裝置，并將火災(zāi)報(bào)警信號(hào)顯示在服務(wù)器專用的監(jiān)控平臺(tái)上。

2.1 自動(dòng)消防系統(tǒng)的原理

自動(dòng)消防系統(tǒng)采用兩級火災(zāi)預(yù)報(bào)警方式，加強(qiáng)火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性，減少誤啟動(dòng)的概率。首先，前端任意探測裝置監(jiān)測到火情后，先將信號(hào)傳遞給自動(dòng)消防控制器進(jìn)行消防預(yù)警；當(dāng)防護(hù)區(qū)域內(nèi)溫度持續(xù)上升，感溫探測裝置及感煙探測裝置均探測到火情信號(hào)時(shí)，經(jīng)過控制器邏輯運(yùn)算，發(fā)送主報(bào)警信號(hào)并經(jīng)過一定時(shí)間段的延時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)防護(hù)區(qū)域內(nèi)的滅火裝置，同時(shí)在服務(wù)器端給出報(bào)警提示記錄等，且在延遲時(shí)間段內(nèi)現(xiàn)場人員可以快速撤離。自動(dòng)消防系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)，當(dāng)自動(dòng)消防控制器接收到中控室緊急滅火啟動(dòng)信號(hào)后，能夠直接啟動(dòng)滅火裝置，并在滅火后給中控室傳送滅火裝置動(dòng)作反饋信號(hào)。另外，自動(dòng)消防系統(tǒng)配備有被動(dòng)式感溫啟動(dòng)元件，感溫探測裝置所處位置達(dá)到溫度閾值時(shí)，可以自啟動(dòng)滅火裝置。另外，自動(dòng)消防系統(tǒng)將信號(hào)傳遞給風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)，當(dāng)消防系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，通過主控系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)停機(jī)，風(fēng)門關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)及時(shí)高效的消防效果。自動(dòng)消防系統(tǒng)邏輯如圖2所示。

2.2 基于S7-200 SMART自動(dòng)消防控制器的應(yīng)用開發(fā)

S7-200 SMART PLC是針對經(jīng)濟(jì)型自動(dòng)化市場的全新自動(dòng)化控制產(chǎn)品，選擇多樣，高速芯片，性能卓越，編程高效且經(jīng)濟(jì)便捷，完全符合風(fēng)電消防市場的需求[12]?；赟7-200 SMART自動(dòng)消防控制器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能：火情的自動(dòng)預(yù)報(bào)警，手動(dòng)啟動(dòng)，遠(yuǎn)程啟動(dòng)，控制滅火裝置的延時(shí)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器等功能。詳細(xì)的控制器硬件接線如圖3所示。

圖3 控制器硬件接線圖

3 基于King SCADA風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)服務(wù)器端的應(yīng)用開發(fā)

King SCADA具有集成化管理、模塊式開發(fā)、可視化操作、智能診斷及控制、使用簡單方便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，開發(fā)項(xiàng)目上能夠減少工作量，縮短開發(fā)周期，適合風(fēng)電機(jī)組行業(yè)的應(yīng)用[13]。

3.1 King SCADA 軟件的基本架構(gòu)

King SCADA平臺(tái)通過I/O數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信、數(shù)據(jù)交換，支持上千種現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)連接；并可實(shí)現(xiàn)多種冗余方式，保證數(shù)據(jù)的安全不間斷。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等通過數(shù)據(jù)庫方式實(shí)現(xiàn)保存、查詢及展示，平臺(tái)上層通過界面、實(shí)時(shí)報(bào)警窗等展示現(xiàn)場端實(shí)際情況，系統(tǒng)平臺(tái)的部署架構(gòu)如圖4所示。

圖4 King SCADA平臺(tái)架構(gòu)

3.2 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是現(xiàn)場工作人員與平臺(tái)互動(dòng)的主要途徑，關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)登錄界面、主監(jiān)控界面、單臺(tái)機(jī)組監(jiān)控界面、搜索查詢界面等。主界面包括所有機(jī)組的計(jì)數(shù)、預(yù)報(bào)警計(jì)數(shù)、語音報(bào)警的啟停、每臺(tái)機(jī)組通信情況及每臺(tái)機(jī)組的實(shí)時(shí)狀態(tài)，主要界面如圖5所示。

圖5 自動(dòng)消防系統(tǒng)主界面

3.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)報(bào)表

風(fēng)電機(jī)組的自動(dòng)消防系統(tǒng)具有風(fēng)機(jī)火情的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，如圖6、圖7所示。

圖6 單臺(tái)機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

圖7 查詢歷史數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境的特殊性，開發(fā)穩(wěn)定可靠運(yùn)行、成本較低、容易維護(hù)的風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)十分必要。本文根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防火技術(shù)規(guī)程》要求，依據(jù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)型的不同，詳細(xì)計(jì)算滅火裝置超細(xì)干粉及熱氣溶膠的使用量?；赑LC與King SCADA建立風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)，使用感溫感煙探測裝置實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組火情的在線采集，通過自動(dòng)消防控制器實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，服務(wù)器端上位機(jī)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測。該系統(tǒng)經(jīng)過多個(gè)風(fēng)場實(shí)際測試，證明其可靠穩(wěn)定運(yùn)行，可供相關(guān)工程參考。若風(fēng)場相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全能夠得到保障，可通過云平臺(tái)、手機(jī)APP等途徑實(shí)時(shí)獲取機(jī)組消防消息，方便運(yùn)維人員工作，是接下來的研究方向。