基于PLC和MCGS的地下車庫火災報警與滅火控制系統設計

金仁貴 沈 杰 朱 俊

（1.安徽省地質礦產勘查局，安徽 合肥 230422；2.銅陵市科學技術局，安徽 銅陵 244000）

基于PLC和MCGS的地下車庫火災報警與滅火控制系統設計

金仁貴1沈 杰1朱 俊2

（1.安徽省地質礦產勘查局，安徽 合肥 230422；2.銅陵市科學技術局，安徽 銅陵 244000）

隨著家用轎車的日益普及，地下車庫已經成為小區不可缺少的一部分，在地下車庫設置火災報警和滅火控制系統，可以在火災初期起到有效的預警，并在火災發生后第一時間控制火勢，撲滅火源。詳細介紹了基于三菱FX2N系列PLC的火災報警和滅火控制系統，給出了具體的硬件組成和梯形圖程序，并結合MCGS開發了更人性化的人機交互界面，方便控制室人員進行操作。

火災報警和滅火控制系統；PLC；MCGS；人機交互界面

隨著社會的快速發展，居民收入水平的提高，家用汽車已經成為生活必需品。無論是居民小區還是大型商場，都必須配備地下車庫。而地下車庫一旦發生火災，必然會造成重大的經濟損失，甚至會造成人員傷亡。正因為如此，在地下車庫設置火災報警和自動滅火控制系統就非常必要。

早期的火災報警控制系統存在著反應速度慢、控制精度低等缺點[1]，而基于PLC的火災報警和滅火控制系統以PLC為核心控制器，并結合MCGS設計了更加人性化的人機交互界面，使得整個系統具有很高的可靠性和穩定性，并且易于操作。

一、系統概述

（一）設計思路

由于地下車庫規模較大，在進行防火設計時，應分區域進行管理，即把地下車庫按照傳感器的感應范圍分成若干個區域，在每個區域都要安裝傳感器和噴頭。

下面針對一個區域進行說明，當煙霧傳感器和溫度傳感器都動作時，系統認為發生了火災，此時應立即發出報警信號（報警燈和蜂鳴器），同時打開逃生門，放下地下車庫入口處欄桿，升起出口處欄桿。在經過短暫的延時后，打開該區域的噴頭開始噴水滅火。當煙霧傳感器和溫度傳感器都恢復初始狀態后，則認為火災被撲滅，此時應停止報警，關閉噴頭。同時為了防止由于傳感器故障或其他原因使得自動報警和滅火程序不能運行，還特別設置了手動控制程序，可以在控制室里通過人機交互界面來進行手動控制，通過手動按鈕來發出報警信號，打開噴頭進行滅火。

（二）工作原理

本系統由各種傳感器，PLC，電磁閥，電機，連接線路等硬件設備和相關設計軟件組成，由于系統結構較為復雜，因此可以考慮采用分層的思路來進行結構設計，根據系統的設計思路，可以將車庫報警系統分成3個層次。最上層為監控層，主要由PC機和監控界面組成。通過監控界面監控所在區域的情況，并通過對煙霧的濃度和區域的溫度進行實時檢測并將信號實時傳送給PLC。煙霧傳感器和溫度傳感器一旦動作，產生報警數據并傳送至控制層。考慮到現實中實際情況，增加火情的人工發現模塊，一旦人為發現火情，可以通過按下緊急按鈕來發出報警信號。控制層為系統中間層，該層由PLC構成。控制軟件采用FXGP-WIN編程軟件設計，輸入信號送至控制層后，由PLC接收并處理后可以傳遞至PC機進行數據分析與交互，也可直接生成控制信號，驅動電磁閥和電機運轉。系統最下面為執行層，主要由電磁閥和電機構成，為了響應控制層的動作請求，實現實際的物理操作，比如打開報警燈光，發出報警聲音，水龍頭噴水，驅動電機開始排煙、打開卷閘門、升起或降下車庫欄桿等，該層要求有較快的響應速度。

系統的工作原理如圖1所示。

二、系統硬件結構

本系統硬件主要包括傳感器檢測與轉換電路、PLC的輸入輸出接口電路，負載的驅動電路等，下面主要介紹PLC的輸入輸出接口電路。

（一）PLC和MCGS簡介

1.三菱FX2N系列PLC簡介

FX2N系列PLC是日本三菱公司推出的高性能小型可編程控制器，就目前來說，FX2N系列PLC是PLC家族里比較先進的型號，也是三菱PLC里最先進的型號之一[2]。具有系統配置靈活、型號多樣、性能穩定、易于擴展、編程簡單等特點，該系列PLC被廣泛應用在自動化控制中。本設計所選用的PLC型號為FX2N-48MR。

圖1 系統工作原理圖

2.組態軟件MCGS簡介

組態技術是伴隨工控技術和計算機技術的發展形成的，其可以在監控層級別上快速采集數據，生成監控界面，并發送控制指令。其解決了手工編寫HMI軟件時效率低下，可靠性差，無法拓展升級等問題[3]。常用的組態有Intouch，Wincc，組態王，MCGS，三維力控等。本文采用MCGS組態軟件潛入版進行系統的人機交互界面設計。MCGS通過OPC與各種型號的硬件設備連接，通過DDE（Dynamic Data Exchange動態數據交換）與其他應用程序交換數據。在軟件設計中，MCGS自帶的豐富的元件對象庫可以滿足大部分應用系統的需求，對于系統控制中的復雜流程，可以通過自帶類VBA語言進行程序設計，從而滿足多樣性的需求。

（二）PLC硬件接線圖

該系統的輸入信號主要有數字式煙霧和溫度傳感器，自動和手動檔位開關及其他各種按鈕，驅動的負載有報警燈、蜂鳴器、電磁閥以及各種電機。具體的PLC輸入輸出接線圖如圖2。

三、軟件設計

本文中PLC程序全部使用FXGPWIN軟件設計，并且使用三菱公司的FXTRAINER仿真軟件完成調試，人機交互界面采用組態軟件MCGS進行設計。整個PLC程序分成三個部分：初始化程序、手動控制程序、自動控制程序。

（一）初始化程序和手動控制程序

初始化程序主要完成IST指令的設置和輸入信號的處理，手動控制程序主要完成對報警信號和噴頭的手動控制。

圖2 PLC硬件接線圖

1.初始化程序說明

通過M8000設置原點位置條件繼電器M8044的狀態并完成IST指令的設置。在使用IST指令時，由于本系統只使用了手動控制開關、原點開關、單步運行開關、單周期運行開關、自動連續運行開關、回原點啟動按鈕、自動啟動按鈕和停止按鈕中的四個，這就需要對輸入信號使用輔助繼電器重新排序，用到的開關和按鈕用對應的輸入繼電器的常開觸點驅動相應的輔助繼電器，沒有用到的開關和按鈕則使用M8000的常閉觸點來驅動相應的輔助繼電器。

2.手動控制程序

為了防止傳感器或其他電路出現故障而影響火災的報警和滅火，本系統里設置了手動控制程序。

如果監控人員發現了火災而傳感器沒有動作，則在人機交互界面上立即將控制方式檔位開關由自動控制切換為手動控制，通過人機交互界面上的四個手動按鈕來發出報警信號和打開噴頭進行滅火操作。即通過手動報警按鈕（X10）來驅動報警燈和蜂鳴器來發出報警信號，通過手動滅火按鈕（X12）來打開噴頭進行滅火，結束后通過手動停止按鈕（X11和X13）來結束報警和滅火。具體程序如圖3。

（二）自動控制程序

自動控制程序就是PLC根據從現場采集的傳感器信號自動完成報警和滅火控制。人機交互界面上的控制模式檔位開關打在自動控制上，當煙霧傳感器（X0）和溫度傳感器（X1）都動作以后，即進入自動控制程序，首先發出報警信號并打開排煙機，延遲5秒后打開噴頭進行滅火，并降下車庫入口處欄桿禁止車輛駛入并升起車庫出口處欄桿，打開逃生門。當煙霧傳感器和溫度傳感器復位后意味著火災被撲滅，則自動斷開報警，關閉電磁閥和電機，回到初始狀態S2。具體程序如圖4所示：

圖3 初始化和手動控制程序

圖4 自動控制程序

（三）人機交互界面

1.通信及數據庫設計

由傳感器采集到的實時數據通過轉化傳至PLC后。添加硬件驅動并進行相關參數的設定，主要為串口父設備屬性中設置COM波特率為9600kbps，8位數據位，1位停止位，偶校驗,采集周期為200ms。通過RS-232接口送至上位機MCGS程序，MCGS讀取PLC中各種寄存器狀態，并將具體參數與交互界面的動作進行綁定，生成組態數據庫。PC機作為上位機，運行MCGS組態軟件，是顯示和控制的平臺[4]。

2.軟件設計

根據系統設計的結構，人機交互界面需要設計主監控界面，子區域監控界面，報警窗口，手動控制四個部分，以對車庫現場的火災情況進行實時掌控，窗口之間可自由切換。未發生緊急狀況時，可通過人機交互界面中的動畫效果及狀態指示燈查看各區域的實時情況。在組態中要實現畫面模擬，報警指示燈，報警蜂鳴器等狀態顯示，各種閥與電機的狀態檢測。火災發生時，除監控外，還需要能夠發送各種操作指令，通過下位機驅動控制電路打開消防設備。這里給出1#區域的監控組態設計界面。人機交互界面如圖5所示：

圖5 人機交互界面

軟件界面設計了手動控制和自動控制開關，在自動控制模式下，添加若干指示燈顯示區域狀態，一旦有報警信號被采集并送至本軟件，報警燈亮紅色，并閃爍，若水充足，則電磁閥打開，指示燈亮，噴水。這里需要在組態中設計動態數據庫，并與PLC傳送來的信號進行關聯，生成數據字典。在程序設計時，只需要采用組態中的數據對象即可。大大增加了程序的可讀性。

程序設計可以在循環策略中編寫，循環時間設為500ms，當數據庫設計完成并將界面中的控件關聯合適的數據對象后，開始添加代碼。這里給出系統自動控制的部分響應代碼。

四、總結

從仿真運行結果來看，整個程序運行正常，操作簡便，能夠滿足控制要求，同其他控制器（如單片機）的設計相比，該系統采用可視化的編程軟件使得程序設計非常方便并且易于進行并行處理，而且仿真調試可以直接在PC上完成，大大節約了系統的調試時間。

參考文獻：

[1]程呈.基于PLC的火災自動報警與消防系統的開發[J].硫磷設計與粉體工程,2009（6）：43-46.

[2]趙勝.FX2N-32MR三菱PLC在給煤機自動控制系統中的應用 [J].煤礦機電，2014（6）：120-121.

[3]曹輝，等.組態軟件技術及應用[M].北京:電子工業出版社. 2009：1.

[4]高麗萍，鄭萍.基于MCGS的PLC虛擬控制系統研究[J].西華大學學報（自然科學版），2006(25):95.

Fire Alarm and Fire Control System Design of Underground Garage Based on PLC and MCGS

Jin Ren－gui1，Shen Jie1，Zhu Jun2
(1.Anhui Technical College of Industry and Economy，Hefei Anhui 230422 China；2.Tongling Science and Technology Bureau，Tongling Anhui 244000，China)

With the growing popularity of household cars,underground garage has become an indispensable part of the area,in the underground garage fire alarm and fire control system,can play an effective early warning,and the first time after the fire control the fire, put out the fire.This paper introduces the fire alarm and fire control system based on MITSUBISHI PLC series FX2N,and gives the concrete hardware and ladder diagram program,and combines with MCGS to develop a more user-friendly man-machine interaction interface to facilitate the operation of the control room.

Fire alarm and fire control system；PLC；MCGS；Man-manchine interaction interface

TP277

A

1672-0547（2016）01-0111-04

2015－12－10

安徽省高校自然科學研究項目“基于3D體感交互的虛擬火災演練系統應用研究”（KJ2015A381）

金仁貴(1962-)，男，安徽樅陽人，安徽省地質礦產局、安徽工業經濟職業技術學院副教授，研究方向：電子和光電子學。