基于PLC的消防系統巡檢與應急裝置的電氣結構設計

王 君，魏有法，陳壽坤

(閩南理工學院 實踐教學中心，福建 石獅 362700)

隨著社會經濟發展，消防安全的重要性日益突出，對消防系統的穩定性和及時響應提出了更高的要求.消防系統通常由報警系統、給水系統、滅火聯動系統等組成；要求能及時發現火情，發出警報，險情確認，啟動滅火.參考國家《自動噴水滅火系統設計規范》等消防規范，我們提出了一種基于PLC的消防系統巡檢與應急裝置的設計方案.該方案有利于提高系統的可維護性和擴展性，增強了操作的便捷性和監控的實時性與直觀性，具有良好的應用價值.

1 應用需求分析

常規的消防給水系統的組成如圖1所示，給水系統要求保持高位消防水箱有足夠儲水應對火災初期滅火用水，同時對消防水泵進行定期巡檢確保設備在火災發生時能可靠運行提供滅火用水，一般消防水泵是一主一備，當一臺水泵在運行中發生故障時能自主切換到另一臺水泵向管網供水[1].給水系統能否正常運行除與水泵等設備有關外，也與電氣線路的工作情況有關，同時消防供水系統要求具有符合規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的消防系統巡檢及應急系統裝置，結合人機界面等實現對消防系統數據的實時監測和增強巡檢過程的自動化[2].

2 方案總體設計

本文設想的消防巡檢及應急系統由消防泵巡檢、高位消防水箱調節、火災報警及故障提示等模塊組成，具體組成如圖1所示[3].

圖1 消防巡檢及應急系統組成示意圖

本文所涉及的基于PLC的消防巡檢與應急裝置是一個比較典型的PLC過程控制系統.PLC過程控制系統一般由壓力、溫度、液位、開關等信號機構，控制機構(PLC)，水泵、變頻器、加熱器、電磁閥等執行機構組成[4].三菱FX3U可以通過連接4AD-ADP模塊與4DA-ADP模塊來實現數據的采集和模擬量的控制；其中，4AD-ADP是FX3U的A/D轉換模塊，4DA-ADP是FX3U的D/A轉換模塊[5].在工程應用中，從流量計、壓力傳感器等輸入電壓、電流信號，FX3U可以通過4DA-ADP監控工件或者設備的狀態；FX3U同時可以通過4AD-ADP輸出電壓、電流信號，用于變頻器頻率控制等指令中；這樣就能夠較好地實現過程控制應用.

3 系統電氣布局

系統對樓房高位消防水箱應能實現基于PID的水箱液位或流量的動態平衡調節；通過PLC模擬量特殊功能模塊實現液位和流量傳感器數據的讀取與顯示；當高位水箱供水已不能滿足滅火時，自動啟動消防水泵工頻運行向消防滅火系統直接供水，同時配有機械應急操作功能.系統消防泵應可實現低頻和工頻定時自動巡檢，其中低頻巡檢可減少對消防管網和電網的沖擊，火災發生時自動停止巡檢功能.自動巡檢可檢測消防泵運行狀態，如三相電壓、電流及電機振動、泵出口水壓等；當煙霧報警器與消火栓按鈕動作滿足條件時進行火災聲光報警，并應能自動開啟排煙風機、啟動應急照明和疏散指示、降下防火卷簾及開啟防火分區供水閥門等.系統對市電和蓄電池電路狀態進行監控，顯示市電電壓、電流、蓄電池電量等參數，當市電因火災等原因被切斷時，自動切換到蓄電池電路對應急照明和疏散指示供電，在主要消防疏散通道啟動激光引導疏散功能，確保疏散引導及時有效.

根據現有市場主流產品和系統需求，本文設計的試驗驗證系統采用三菱 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備實現系統方案.根據設計方案，試驗驗證系統選用的主要電氣設備如表1所示.

表1 主要電氣元器件清單

續表1

根據系統結構和功能，系統試驗裝置電氣原理圖如圖2所示[6-7].

圖2 消防巡檢及應急系統驗證裝置電氣原理圖

通過選擇開關、中間繼電器、交流接觸器等可以實現手動狀態和自動狀態的切換、互鎖、順序控制及消防泵巡檢變頻器輸出端的保護，同時試驗裝置設有消防泵1的故障模擬開關、消防手動報警按鈕等；除手動/自動狀態切換及應急控制外，其他控制操作通過三菱觸摸屏實現，系統數據可以通過三菱觸摸屏進行直觀顯示，實現人機交互.

三菱FX-3U主站PLC和FX3U-4DA-ADP模塊控制一臺三菱FR-D700變頻器和交流接觸器實現對消防泵主泵和備用泵的巡檢與應急啟動；其中交流接觸器KM5主要配合模擬實現消防泵手動應急，交流接觸器KM3和KM4主要是為了實現消防泵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主要是實現消防泵巡檢切換或手動應急時對變頻器輸出端的保護.

三菱FX-3U從站PLC和FX3U-4DA-ADP模塊控制一臺三菱FR-D700變頻器實現高位水箱泵的PID控制等日常運行[8-9].PLC主、從站通過FX3U-485ADP-MB模塊與FX3U-485-BD模塊的N:N網絡接線實現相互通信.FX3U-4AD-ADP模塊實現振動、流量、液位、壓力、蓄電池直流電壓等傳感器數據的采集，FX3U-485-BD模塊與四路電流電壓模塊的RS485通信實現對電氣線路電壓、電流、功率等數據的采集.

同時，PLC通過控制步進驅動器實現步進電機帶動的防火卷簾的運行，光電開關監測防火卷簾的上下限位；通過控制中間繼電器KA1～KA7線圈的接通實現蓄電池經逆變器的供電輸出，以及給水管網電磁閥、聲光報警、應急照明、疏散指示、激光指示等的運行；應在電磁閥線圈兩端并聯反向二極管和電容，解決電磁閥關斷時感應反向電動勢過大導致中間繼電器觸點燒蝕不能正常分斷的問題等.通過人機界面設計與PLC的通信控制，系統可實現帶觸摸屏的人機界面的系統控制與監控.觸摸屏可實現多個操作畫面的切換，通過觸摸屏按鈕與顯示框等組件對PLC軟元件進行寫入和讀取操作，便于通過一個觸摸屏裝置實現對系統集中統一的控制操作；同時減少了電路控制中的機械開關和線路等的設置，從而減少了可能的機械故障點；通過觸摸屏還可實現直觀的數據圖表化呈現和狀態顯示，實現故障報警等功能，便于操作人員對系統運行狀態做出及時分析和響應[10].觸摸屏主要設計了系統主界面、自動巡檢設置界面、手動巡檢界面、工頻巡檢數據界面、低頻巡檢數據界面、高位消防水箱自動調節界面、高位消防水箱手動調節界面、高位消防水箱調節數據界面、火災報警監測界面、故障報警數據界面等，系統部分人機界面如圖3所示.

圖3 觸摸屏主界面和消防泵工頻巡檢數據界面

4 結 論

基于PLC的消防聯動報警系統可以實現日常情況下對高位消防水箱、消防水泵等器件的日常維護和故障排查功能，實現消防泵的自動巡檢和數據采集，確保了火災發生時消防器件能及時正常動作.其中自動巡檢功能，實現了遠程巡檢和自動巡檢相結合，減少了定期的設備現場人工巡檢操作程序和提高了系統運行的自動化性能，系統的實時監控功能也提高了故障響應和應急響應的及時性；PLC主、從站的分布式設計實現了系統組成與功能的模組化，提高了故障的可排查性和維護性，同時便于進行模塊化的故障檢修等；系統實現了火災發生時的消防報警及應急消防聯動功能，火災發生時能第一時間對火災現場進行應急消防滅火，滿足消防運行要求；人機界面便于操作和數據等的直觀顯示，在較低成本的前提下，可通過多個操作界面的設計豐富巡檢和監控系統功能，同時減少了部分外部線路的設置從而減少了故障點.由于篇幅所限，本文主要就該系統的電氣設計進行了闡述，此系統在通訊方式、傳感器選用、功能優化等方面還有許多需要改進和完善的地方，需要在今后的工作中進一步改進和完善.