開放性實驗室自動消防供配電一體化管理系統

楊柏松，鄭桂彬，李長庚

（廣東石油化工學院 計算機與電子信息學院，廣東 茂名　525000）

開放性實驗室自動消防供配電一體化管理系統

楊柏松，鄭桂彬，李長庚

（廣東石油化工學院 計算機與電子信息學院，廣東 茂名525000）

針對普通高等院校開放實驗室缺少計算機及網絡設備等資源，存在自動化管理程度不高的問題。針對這些問題，我們通過將門禁考勤管理系統、基于PLC的自動消防供配電一體化管理系統、視頻監控技術、聯動組態系統等應用于開放實驗室的智能化管理，設計了一種開放性實驗室自動消防供配電一體化管理系統，本系統以門禁考勤管理系統、基于PLC的消防供配電管理系統、視頻監控技術、聯動組態系統，開發了一種開放性實驗室自動消防供配電一體化管理系統，該管理系統的應用，將解決由于缺少計算機及網絡設備等資源，而存在的開放性實驗室自動化管理程度不高的問題。

開放性實驗室；基于PLC自動消防供配電；聯動組態；節能；一體化

近年來各高校的實驗室硬件水平不斷提升［1］，實驗教學在教學中的比重不斷加大，地位也日益突出，實驗室消防供配電建設［2］，照明系統設計和管理水平成為衡量一所高校的辦學能力的重要指標，實驗室的管理水平能夠體現出學校的教學和科研的管理水平。隨著實驗室的建設速度加快和投入力度的增大，消防供配電，智能照明系統，門禁考勤管理系統，視頻監控系統等管理工作變得愈加繁重和復雜［2-3］。

目前，國外的實驗室消防與安保系統已經發展到用物聯網技術為核心，并已形成一定的標準。而我國的實驗室消防與安保系統相對落后，尤其在實驗室供配電、照明、監控等控制方面［3-5］。大部分高等院校實驗室仍由人工來控制消防、電源、燈具的開關，其管理難度大，并且無法實現實驗室的電源、照明、消防等開關的精確控制［4-6］。結合近幾年來，運用在高等院校的實驗室消防與安保系統，其成本相對較高，性能不夠穩定，易受到環境等因素的影響，因此，得不到廣泛的應用［5-6］。

結合我國現運用在實驗室消防與安保系統中的不足，設計出一套性價比高、性能穩定的系統是當務之急。因此，本系統主要有五部分組成：PLC控制的智能消防系統；基于PLC的智能供配電及照明系統；門禁管理考勤系統；視頻監控系統；聯動組態系統。旨在解決由于部分實驗室缺少計算機及網絡設備等資源，而存在的開放性實驗室自動化管理程度不高的問題；打破傳統實驗室封閉式的教學管理模式，真正實現面向廣大師生全天候開放；合理利用資源，節能減排，提高實驗室設備和資源的利用率；解決實驗室人員雜、管理難度大等問題，方便實驗室管理；利用組態軟件實現開放性實驗室自動消防供配電聯動控制，實現遠程控制。

1　系統設計的基本思路

本系統主要由7部分組成：①控制中心；②智能消防系統；③智能供配電及照明系統；④門禁管理考勤系統；⑤視頻監控系統；⑥聯動組態系統；⑦信息采集系統。系統結構框圖如圖1所示。

圖1　系統結構框圖Fig.1　Block diagram of the system

1）控制中心。由PLC與上位機構成的自動控制系統、聯動組態控制系統、手動控制系統3部分組成。

2）智能消防系統。采用PLC控制技術，對消防信號快速處理，并迅速產生報警和延時信號，等待進一步人工確認并做出處理。系統采用自動檢測觸發報警和手動觸發報警，兩種報警方式從報警源頭確保系統可靠性。同時采用3種消防報警處理控制方式，以確保快速及時準確無誤的做出處理。

3）智能供配電及照明系統。采用智能供配電及照明系統，可根據各種傳感器采集的數據，快速進行分析處理并自動控制供配電和照明，合理利用資源。同時采用手動和自動控制相結合，以便更好滿足需求、節約資源。

4）門禁管理考勤系統。采用了門禁管理系統，門禁磁卡既是通行證，同時又能記錄管理人員與學生的出勤情況。既方便了老師平時上課時的考勤，又可以方便有興趣的學生申請使用實驗室空閑的設備和資源。既能充分合理利用實驗室資源，又方便實驗室管理，提高學習和工作效率。

5）視頻監控系統。在實驗室和重要的樓道、走廊和監控點房間內，安裝有監控設備，實現主要出入口和關鍵區域24小時不間斷視頻監視，同時實時監控實驗室儀器設備的安全使用與學生操作規范情況，并可實現遠程監控。

6）聯動組態系統。運用組態軟件創建組態畫面，使其與硬件相結合，構成聯動組態系統，實現自動化的遠程監控。

7）信息采集系統。信息采集主要由傳感器采集模擬量信息、門禁考勤機采集信息、聯動組態采集信息組成，是開放性實驗室自動消防供配電一集化正常運行的根基。

2　系統的安裝調試

系統的主電路圖如圖2所示，系統的控制電路圖如圖3所示，本系統主要由控制中心、PLC控制的智能消防系統、基于PLC的智能供配電及照明系統、門禁管理考勤系統、視頻監控系統、聯動組態系統、信息采集系統7部分組成，要使整個系統協調穩定正常運行，首先要對整個系統進行正確的安裝和調試。其目的是驗證設備正常工作的可靠性，但是，在實際工作中常常要面對很多意想不到的異常現象。只有對在實際工作中的這些“異常現象”進行有效的分析和處理，才能使機械設備安裝工程正常運行。

圖2　系統的主電路圖Fig.2　The main circuit diagram of the system

1）根據系統設計圖紙按要求安裝好系統之后，對系統進行調試。對消防報警主機，中心控制柜、檢測系統等設備逐個進行單機通電檢查，正常后方可進行系統調試。如在單機檢查時，發現設備不正常，應分析清楚原因并及時解決。

圖3　系統的控制電路圖Fig.3　Control circuit diagram of the system

2）檢測系統線路對地絕緣電阻和系統接地是否滿足要求，對地絕緣電阻不小于20兆歐，使用工作接地時地線對地電阻不能大于4歐姆，使用聯合接地時地線對地電阻不能大于1歐姆。

3）檢查系統線路，對錯線、開路、短路、接地等進行處理。連接好交流供電電源，測量電壓范圍不應超出額定電壓的10%～15%，接好備用蓄電池，做好開機調試的最后準備工作。

4）用萬用表對安裝了探測器及各種模塊（手報、監視、控制模塊）的信號總線進行檢查，初步判定線路沒有短路、接地后，才能進行下一步工作。對于模塊電源線，必須在用萬用表測量無短路、接地，同時保證現場接線端全部接好，沒有裸露的線頭的情況下才能加電。對于控制柜，因跟現場設備控制柜連接的線路較多，應按對線路的要求進行檢查，現場應加的終端（終端負載、電阻、二極管等）應接好，同時應對接好的每一根線在控制柜端用萬用表測量無誤后才能接入控制柜，嚴格檢查接線端沒有接在強電線路上，嚴禁先把控制線接入控制柜主機，然后再接現場設備端的線。

5）將編完地址碼的信號線路準確地接入控制器，并對線路作好明顯標記。對線路故障、探測器故障、模塊故障等逐一進行排除。排除故障時可以通過主機上的單點測試功能來檢測探測器或模塊和主機的通訊情況，信號回路有無干擾信號等。

6）對探測器逐一進行試驗，對于不報警和誤報警的，要及時更換并重新試驗，同時驗證探測器對應的顯示關系是否正確，若出現錯誤，通過現場編程進行調整。按控制要求對控制模塊和控制程序進行模擬試驗，直至系統全部正常為止。

3　系統的使用說明

1）控制中心

由PLC與上位機構成的自動控制系統、聯動組態控制系統、手動控制系統3部分組成。在控制中心可以實現對整個實驗室的監控，根據需要可以隨時隨地對實驗室做出相應的控制：手動自動控制切換、照明電路控制、消防報警、消防處理等。

2）智能消防系統使用說明

當自動檢測裝置檢測到火警信號時觸發聲光報警，控制器PLC延時30秒，等待人工確認是否誤報。

若非誤報，可以通過以下4種控制方式打開消防閥門：

現場手動打開控制閥門；

在監控中心現場操作室手動操作站打開控制閥門；

30秒后PLC控制器自動打開現場閥門開關；

利用組態軟件對報警情況進行遠程處理；

若是誤報，可以通過監控中心現場操作室手動消除報警或利用組態軟件遠程消除報警。

3）智能供配電及照明系統使用說明

①實驗室供配電

實驗室供配電系統采用紅外熱釋傳感器與PLC相結合的控制方式：當紅外熱釋傳感器感應到實驗室有人活動時，PLC控制器打開總電源。若傳感器未能檢測到信號或PLC故障時，可手動控制實驗室電源。當實驗室沒有人員活動時，PLC自動關閉總電源。

②實驗室照明系統

實驗室照明系統采用光敏傳感器與PLC相結合的控制方式：當實驗室總電源打開，同時光敏傳感器檢測到光線不足時，通過PLC打開基本照明。然后根據學生打開實驗臺的數量，來確定需要打開電燈的數量與位置。

③實驗室供配電定時切斷

為了實驗室用電安全，每天22：30-07：00，PLC自動切斷實驗室總電源。

4）門禁管理考勤系統使用說明

實驗室采用門禁管理考勤系統，只有管理員方可打開實驗室大門，任何人員進出實驗室均需刷卡登記。

實驗室門禁管理考勤系統分為4種不同權限級別：用戶、記錄查詢員、登記注冊員、超級管理員。

用戶：一般為學生，用于平時上課考勤和申請實驗室空閑的設備和資源時登記使用。

記錄查詢員：一般為教師，用于查詢學生出勤情況等。

登記注冊員：一般為實驗室工作人員，用于登記錄入用戶信息等。

超級管理員：一般為實驗室管理人員，擁有最高權限，用于管理實驗室所有信息及實驗室的開關門等。

5）視頻監控系統使用說明

①實時監測

通過設置DVR設備全天候在指定區域24小時不間斷視頻監視，同時可監控實驗室設備安全及使用情況。同時若監控到如有移動的物體，將產生報警，并聯動錄像，云臺轉向預置方位，可以快速鎖定事故現場，以便準確采取進一步措施。

②遠程監控

通過設置DVR網絡連接成功后，下載多機平臺軟件CMS安裝，可以實現遠程監控，以便及時準確對現場事故處理。并且對監控錄像進行一定時間的保存，以備后查。

6）聯動組態系統

運用組態軟件創建組態畫面，使其與硬件相結合，構成聯動組態系統，實現自動化的遠程監控。組態軟件具有實時多任務、接口開放、使用靈活、運行可靠的特點。其中最突出的特點是它的實時多任務性，可以在一臺計算機上同時完成數據采集，信號數據處理、數據圖形顯示，可以實現人機對話，實時數據的存儲、歷史數據的查詢，實時通訊等多個任務。

系統將采集到的數據與上位機圖形界面的相關部分連接；實時數據的在線監測；數據報警界限和系統報警；實時數據的存儲、歷史數據的查詢；各類報表的生成和打印輸出；應用系統運行穩定可靠；擁有良好的與第三方程序的接口，方便數據共享。

利用組態軟件，創建組態監控畫面，并實現軟硬件實時通信，實現遠程及現場的兩地控制及自動手動的切換，操作方便。當某實驗臺或照明系統故障時，可切換到手動狀態，在其他系統正常工作的情況下，實現設備檢修、故障處理。系統的模型圖如圖4所示。

4　系統設計創新點

1）安全節能。系統采用PLC為核心控制器，因其安全性高、穩定性好、靈活性強。而消防與安保系統的核心是講究火災處理速度與靈活性。因此，采用安全性高、抗干擾能力強的PLC更具有安全的保證。采用視頻監控系統，能24小時不間斷監視主要出入口和關鍵區域，同時實時監控實驗室儀器設備的安全使用與學生操作規范情況，在發生火災的時候，能實時監控火災現場，以便準確采取進一步的應對措施。同時采用智能供配電及照明系統，可根據各傳感器采集的數據，快速進行分析處理并自動控制供配電與照明，合理利用資源。

圖4　系統的模型圖Fig.4　Model diagram of the system

2）教學實踐和工程現場完美結合。視頻監控、消防報警聯動的檢測元部件（如煙感傳感器、視頻監控攝像頭）和門禁安裝于大樓樓道、室門等實驗室工程現場，監控智能實驗室實際運行狀況。同時采用了門禁管理系統，既方便了老師平時上課時的考勤，又可以方便有興趣的學生申請使用實驗室空閑的設備和資源。在這樣的實驗教學環境中，學生在相對輕松、充裕的時間里愉快地完成實驗任務，在自主學習過程中體味到了樂趣，學習積極性得到了提高。這樣既能充分合理利用實驗室資源，又方便實驗室管理，提高學習和工作效率。

3）實現了組態監控，可實現遠程監控。利用組態軟件，創建組態監控畫面，并實現軟硬件實時通信，實現遠程及現場的兩地控制及自動手動的切換，操作方便。當某實驗臺或照明系統故障時，可切換到手動狀態，在其他系統正常工作的情況下，實現設備檢修、故障處理。

5　結　論

針對我國部分實驗室缺少計算機及網絡設備等資源，而存在的開放性實驗室自動化管理程度不高，實驗室人員雜、資源浪費，管理難度大等問題，為了進一步解決各院校實驗室管理系統，設計了由控制中心；PLC控制的智能消防系統；基于PLC的智能供配電及照明系統；門禁管理考勤系統；視頻監控系統；聯動組態系統；信息采集系統七部分組成開放性實驗室自動消防供配電一體化管理系統。由PLC為控制中心，其使用的自然壽命期長，并對溫度、濕度等環境條件具有很強的適應度，即便是長期使用其精度變化不大，可以滿足系統對精度的要求。并且PLC種類型號繁多，易于更換檢修，同時一臺PLC可以通過擴展輸入輸出接口擴大其使用范圍，提高經濟效益，減少設備供應、維修、管理等的費用消耗。但由于使用了煙霧傳感器、火焰傳感器、光敏傳感器、紅外線傳感器等在測取煙霧、火焰、光強、紅外線等方面有一定延遲局限性，需要進一步研究。

［1］陳子輝，馮培嘉，侯興鼎.高校實驗室信息管理系統設計與應用研究［J］.實驗室科學，2014，17（3）：182-185.

［2］王雪輝，邵丕昕，孫紅升.PLC監控系統在大型罐區消防控制工程中的應用［J］.石油化工安全環保技術，2011，27 （2）：28-31.

［3］谷平，葛曉霞.火災自動報警與PLC自動控制相結合在油庫消防系統中的應用［J］.石油工程建設，2007，33（4）：1-4. ［4］郝秀峰，祁新，劉軍.智能水電廠安全防護系統設計［J］.水電自動化與大壩監測，2013，37（2）：1-4.

［5］魏立明.智能建筑消防與安防［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［6］馬小軍.智能照明控制系統［M］.南京：東南大學出版社，2009.

Open Lab automatic fire supply and distribution of integrated management system

YANG Bai-song，ZHENG Gui-bin，LI Chang-geng
（College of Computer&Electronic Information，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

Lack of computer and network equipment and other resources for the general institutions of higher learning laboratory，the presence of automated management level is not high.To solve these problems，we adopted the attendance management system，automatic fire PLC based integrated management of supply and distribution systems，video surveillance technology，the linkage configuration systems，intelligent management for open laboratory design a open automatic fire laboratory supply and distribution of integrated management systems，this system attendance management system，PLC based fire management system for the distribution，video surveillance technology，the linkage configuration system，developed an open laboratory for automatic fire distribution of integrated management systems，application management system that will solve the lack of computers and network equipment and other resources，and automated management of the laboratory is not high degree of openness of problems.

Open Lab；PLC based automatic fire power supply and distribution；linkage configuration；energy；integration

TN-9

A

1674－6236（2016）03-0082-04

2015-03-17稿件編號：201503221

楊柏松（1970—），男，廣東雷州人，碩士，實驗師。研究方向：電力電子與運動控制、嵌入式技術。