基于PLC的寫字樓智能消防系統(tǒng)設計

摘要： 介紹了基于PLC和力控組態(tài)軟件構(gòu)成的寫字樓智能消防系統(tǒng)的設計內(nèi)容和設計過程。系統(tǒng)以西門子PLC作為控制核心，通過溫度傳感器、煙霧傳感器、壓力傳感器和流量傳感器對實時數(shù)據(jù)進行采集，經(jīng)CAN總線通過Modbus 通信協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C后系統(tǒng)自動觸發(fā)動作，或通過組態(tài)畫面進行手動控制。組態(tài)畫面可顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。關鍵詞： 系統(tǒng)設計; PLC; 智能消防系統(tǒng); 組態(tài)畫面

中圖分類號： TU892文獻標志碼： B文章編號： 1674-8417（2024）10-0046-05

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.10.008

0引言

隨著高層建筑的增多，寫字樓火災事故頻發(fā)，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了嚴重的威脅。傳統(tǒng)的消防系統(tǒng)往往依賴于人工巡查和單一的報警裝置，反應速度慢，難以實現(xiàn)對火災的早期預警和高效處置。因此，開發(fā)和應用智能化的消防系統(tǒng)，以提高火災防控能力，已成為當前建筑安全領域的重要課題。

本文通過設計一種基于PLC控制的寫字樓智能消防系統(tǒng)，以實現(xiàn)安全、快速、高效的控制火情，保證寫字樓內(nèi)人員的人身安全。

1智能消防系統(tǒng)總體功能設計

基于PLC的寫字樓智能消防系統(tǒng)以西門子 PLC 作為控制核心，通過各種傳感器采集寫字樓環(huán)境數(shù)據(jù)，通過組態(tài)畫面實時顯示系統(tǒng)及環(huán)境狀態(tài)，若出現(xiàn)火情及時動作，快速起動滅火排煙等設備，并及時發(fā)出報警廣播，引導樓內(nèi)人員逃生［1］。

2基于PLC的寫字樓智能消防系統(tǒng)設計

2.1智能消防系統(tǒng)硬件組成

結(jié)合GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》要求，設計基于PLC的寫字樓智能消防系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，該系統(tǒng)由監(jiān)控層、控制層、設備層組成。監(jiān)控層配置于寫字樓門衛(wèi)值班室內(nèi)，包含顯示大屏、上位機電腦、打印設備、手動控制柜、消防系統(tǒng)備用電源。上位機電腦可以實現(xiàn)火災報警控制、消防聯(lián)動控制、消防控制圖形顯示、消防應急廣播控制、疏散指示系統(tǒng)控制等功能，并裝設手動控制柜作為操作后備保障。門衛(wèi)值班室內(nèi)設置獨立線路的消防專用電話。設備監(jiān)控層向上可連接管理層，實現(xiàn)管理層對此系統(tǒng)的監(jiān)管。監(jiān)控層的動畫運行和監(jiān)視功能通過在上位機中安裝力控組態(tài)軟件實現(xiàn)?？刂茖佑啥嗯_區(qū)域監(jiān)控PLC、末端試水控制PLC和交換機組成。設備層包含溫度傳感器、煙霧傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、手動報警按鈕、報警燈、噴淋噴頭、進水電動閥門、出水電動閥門、排煙風扇、防火卷簾、廣播音箱、逃生指示燈、水泵、試水進水閥門、試水出水閥門、儲水水箱、排水漏斗。

整個系統(tǒng)通過CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，采用光纖作為傳輸介質(zhì)，使用工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。各PLC的運行參數(shù)經(jīng)過地址定義后，以相應的 Modbus通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換上傳給上位機并將上位機的指令傳達給各PLC［2］。PLC向受控設備發(fā)出聯(lián)動控制信號，并接收相關設備的聯(lián)動反饋信號，同時傳回上位機予以實時顯示。上位機與管理層可以與消防控制中心、消防部門標準化通信，確?；馂膱缶畔⒛軌蚣皶r、準確地傳輸至相關部門。通信協(xié)議與信息傳輸方式按照GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》要求設置，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾浴?/p>

2.2控制層電氣系統(tǒng)

系統(tǒng)控制層區(qū)域監(jiān)控電氣系統(tǒng)由AC 220 V電源、DC 24 V開關電源、空氣開關、西門子PLC S7-200SMART、1號煙霧傳感器、2號煙霧傳感器、溫度傳感器、起動按鈕、手動報警按鈕、進水電動閥門、出水電動閥門、風扇電機、卷簾電機、逃生指示燈、報警燈、廣播音響組成。PLC有3個模擬量輸入接點，分別接1號煙霧傳感器、2號煙霧傳感器、溫度傳感器。2個數(shù)字量輸入接點，接起動按鈕、手動報警按鈕。PLC有7個輸出接點，分別接接觸器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5線圈，以及逃生指示燈、報警燈。其中，KM1間接控制進水電動閥門的開閉、KM2間接控制出水電動閥門的開閉、KM3間接控制風扇電機的開啟和關閉、KM4間接控制卷簾防火門的開閉、KM5間接控制廣播音箱的開啟和關閉［3］。區(qū)域監(jiān)控電氣系統(tǒng)如圖2所示。

系統(tǒng)控制層末端試水控制電氣系統(tǒng)由AC 220 V電源、DC 24 V開關電源、空氣開關、西門子PLC S7-200SMART、流量傳感器、壓力傳感器、試水進水閥門、試水出水閥門、水泵電機、故障燈、起動按鈕組成。PLC有2個模擬量輸入接點，接流量傳感器和壓力傳感器。1個數(shù)字量輸入接點，接起動按鈕。4個輸出接點，分別接接觸器KM6、KM7、KM8線圈以及故障燈。其中，KM6間接控制試水進水閥門的開閉，KM7間接控制試水出水閥門的開閉，KM8間接控制水泵電機的開啟和關閉。末端試水控制電氣系統(tǒng)如圖3所示。

3監(jiān)控系統(tǒng)PLC程序設計

3.1組態(tài)界面設計

通過力控組態(tài)軟件，創(chuàng)建智能消防工程，繪制出寫字樓智能消防系統(tǒng)監(jiān)控界面。系統(tǒng)組態(tài)主監(jiān)控界面如圖4所示。系統(tǒng)組態(tài)畫面可以顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、報警情況、區(qū)域監(jiān)控溫度和1號煙霧傳感器檢測煙霧濃度信息，末端試水管網(wǎng)壓力和流量信息。在選定監(jiān)控區(qū)域的情況下，可通過區(qū)域監(jiān)控畫面上的開關實現(xiàn)進水閥、出水閥、排煙風扇、防火卷簾門、逃生廣播、逃生指示燈、報警燈的開啟與關閉。末端試水系統(tǒng)起動后，可以通過末端試水畫面的試水進水閥開關與試水出水閥開關實現(xiàn)閥門的開閉。組態(tài)畫面的圖表信息按鈕可快速將畫面切換到歷史報警、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)曲線畫面［4］。系統(tǒng)組態(tài)圖表信息界面如圖5所示。

3.2數(shù)據(jù)庫點參數(shù)設置

根據(jù)寫字樓智能消防系統(tǒng)控制需求，本項目建立下列數(shù)據(jù)庫點。在力控軟件中，設置、保存數(shù)據(jù)庫點參數(shù)并進行數(shù)據(jù)連接。系統(tǒng)區(qū)域監(jiān)控數(shù)據(jù)庫點參數(shù)設置如表1所示。系統(tǒng)末端試水控制數(shù)據(jù)庫點參數(shù)設置如表2所示。

4寫字樓智能消防系統(tǒng)程序說明

寫字樓智能消防系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電后，各區(qū)域監(jiān)控PLC與末端試水控制PLC開始自檢，若自檢出錯則故障燈亮并起動開關自鎖。若未發(fā)現(xiàn)故障，則各區(qū)域監(jiān)控PLC開始進行數(shù)據(jù)采集，遠程提取監(jiān)測區(qū)域的實時溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)傳輸給區(qū)域監(jiān)控PLC，再由PLC上傳給監(jiān)控室的上位機進行記錄并保存。每個監(jiān)控區(qū)域設置1個溫度傳感器和2個煙霧傳感器，依據(jù)GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》設計煙霧傳感器與溫度傳感器的位置，確保無死角覆蓋。3個傳感器相互獨立，并且至少有2個傳感器檢測數(shù)值達到動作數(shù)值才會輸出火災發(fā)生信號，以提高火災檢測的準確性與安全性。當同一監(jiān)控區(qū)域的1號煙霧傳感器和2號煙霧傳感器檢測到煙氣濃度均不小于5%OBS/M，或者有1個煙霧傳感器檢測到煙氣濃度不小于5%OBS/M且同區(qū)域溫度傳感器檢測到溫度大于60 ℃時，馬上切斷火災區(qū)域及相關區(qū)域的非消防聯(lián)動系統(tǒng)電源，隨后系統(tǒng)開始滅火動作，開通該區(qū)域進水閥、出水閥以及噴淋噴頭出水滅火、排煙電機起動開始排煙、防火卷簾電機起動關閉卷簾門、廣播音響播放逃生廣播、逃生箭頭指示燈點亮、報警燈點亮。此時，樓內(nèi)受困人員可以按照廣播與逃生指示燈的引導快速到達樓層安全疏散門逃離火災現(xiàn)場。指示系統(tǒng)的設計遵循GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》，標準化設置指示標志、科學規(guī)劃疏散路線，確保人員在緊急情況下能夠快速、有序地撤離。同時寫字樓值班室監(jiān)控界面上會顯示火災報警情況與系統(tǒng)各環(huán)節(jié)起動情況。若在各區(qū)域監(jiān)控PLC數(shù)據(jù)采集期間，傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)未達到動作數(shù)值但有人按下手動火災報警按鈕，值班室值班人員通過大樓視頻監(jiān)控系統(tǒng)遠程確認起火情況后手動起動系統(tǒng)滅火各環(huán)節(jié)。當系統(tǒng)滅火動作時將閉鎖末端試水系統(tǒng)，系統(tǒng)滅火各環(huán)節(jié)可通過值班室上位機遠程關閉。

若上電自檢后并未報錯，且系統(tǒng)沒有開啟滅火動作，則可以起動末端試水控制系統(tǒng)。遠程起動末端試水進水閥后，延時5 s后自動起動水泵，管網(wǎng)中開始注水。管網(wǎng)中的壓力最高值為0.6 MPa，報警壓力為0.48 MPa。管網(wǎng)中水壓達0.24 MPa時，自動打開末端排水閥。管網(wǎng)中的水流壓力和流量發(fā)生變化時，通過壓力傳感器和流量傳感器實時檢測管網(wǎng)中的水流壓力和流量數(shù)值，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給末端試水控制PLC，再由PLC上傳給寫字樓值班室的上位機進行記錄并保存。當管網(wǎng)中水壓達到0.48 MPa以上或流量小于0.8 m3/h時，發(fā)出報警信號，報警信號可以手動關閉。遠程關閉末端試水進水閥后，水泵自動關閉，延時10 s后試水出水閥關閉，末端試水圖6寫字樓智能消防系統(tǒng)控制流程圖

控制系統(tǒng)結(jié)束工作。

為確保安全，系統(tǒng)采用冗余化設計，使用雙電源供電、雙網(wǎng)絡通信、關鍵設備備份等，確保在單個組件或線路故障時，系統(tǒng)仍能無間斷運行。同時，設計系統(tǒng)定時自檢功能，定期執(zhí)行設備狀態(tài)與系統(tǒng)性能的自我檢測，及時識別并處理潛在的故障。為確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，設計配套制度化的定期測試與維護流程，包括設備性能測試、聯(lián)動功能測試、通信測試、末端試水測試等關鍵環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)各項功能正常。

5結(jié)語

本文分析了寫字樓最小消防系統(tǒng)情況，考慮到寫字樓消防的實際情況和所面臨的問題，在最小系統(tǒng)的基礎上可以靈活地進行系統(tǒng)設備的增加。比如監(jiān)控區(qū)域較多可以增加區(qū)域監(jiān)控PLC及配套設備，如需要在1個區(qū)域設立多個監(jiān)控點位可通過添加PLC模擬量擴展模塊連接多組煙霧傳感器和溫度傳感器。在末端試水系統(tǒng)中若需多個檢測節(jié)點，同樣可以添加PLC模擬量擴展模塊連接多組壓力及流量傳感器以提取實時數(shù)據(jù)，精確確定管網(wǎng)系統(tǒng)故障位置。同時也可以增加聯(lián)動電梯控制裝置、攝像監(jiān)控系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)功能，在火災發(fā)生時控制所有電梯停于首層或電梯轉(zhuǎn)換層，自動打開涉及疏散的電動柵桿，開啟相關區(qū)域安全技術(shù)防范系統(tǒng)的攝像機監(jiān)視火災現(xiàn)場，以及打開疏散通道上由門禁系統(tǒng)控制的門和庭院電動大門和停車場出入口擋桿。

本文提出了一種基于PLC控制的寫字樓智能消防系統(tǒng)設計方案。該方案具有快速響應、智能化決策等優(yōu)點，能夠有效提高火災預警和滅火效率，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

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收稿日期： 20240730

Design of Intelligent Fire Fighting System for Office Building Based on PLC

XIE Chong

（Shanxi Datong University Teaching Experiment and Training Center， Datong 037009， China）

Abstract： This paper introduces the design content and design process of office building intelligent fire protection system based on PLC and force control configuration software.The system takes Siemens PLC as the control core，collects real-time data through temperature sensors，smoke sensors，pressure sensors and flow sensors，and transmits it to the host computer through the CAN bus through the Modbus communication protocol.The system automatically triggers the action，or manually controls it through the configuration screen.The configuration screen can display the working state of the system.

Key words： system design; PLC; intelligent fire fighting system; configuration screen