消防泵自動巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、消防泵自動巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*張輯1,陳天翔1,孫園1,田洪1,倪學(xué)云2(1.廈門理工學(xué)院電子與電氣工程系,福建廈門361024;2.無錫萬博自動化設(shè)備有限公司,江蘇無錫214072摘要:為防止火災(zāi)發(fā)生時消防泵因生銹腐蝕而不能正常工作,將PLC 控制技術(shù)和變頻供水技術(shù)應(yīng)用于消防泵巡檢中,構(gòu)建消防泵自動巡檢系統(tǒng)。針對大廈消防安全問題,對消防給水系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,完成了巡檢系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)采用西門子S7-300、西門子變頻器MM430、智能儀表等,通過PROFIBUS DP 總線相連構(gòu)成;上位機采用WinCC 組態(tài)軟件開發(fā),上位機與PLC 采用MPI 總線通信。研究結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有可靠性

2、高、自動化程度高、可擴展性強、運行穩(wěn)定等優(yōu)點,具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:自動巡檢;人工巡檢;上位機;消防泵中圖分類號:TP273;TU892;TH3文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1001-4551(201111-1363-05Design and implemention of automatic tour inspectionsystem for fire pumpZHANG Ji 1,CHEN Tian-xiang 1,SUN Yuan 1,TIAN Hong 1,NI Xue-yun 2(1.Department of Electronic and Electrical Engineerin

3、g ,Xiamen University of Technology ,Xiamen 361024,China ;2.Wuxi Wanbo Automation Co .Limited ,Wuxi 214072,China Abstract :In order to prevent that fire pump cannot work because of corrosion at the time of fire occurrence ,tour inspection system was developed based PLC control technology and frequenc

4、y conversion technology.The fire safety problems of building and reliability of firewater supply system were analyzed to design tour inspection system.The tour inspection system was composed of Siematic S7-300,Siematic MM430intelligent instrument ,connected by PROFIBUS DP bus.The superior computer c

5、ommunicated with PLC based on MPI bus.Results show that the system gets good index of the high reliability ,high automation ,good expansibility and high stability ,has a good prospect.Key words :automatic tour inspection ;manual inspection ;superior computer ;fire pump收稿日期:2011-05-12基金項目:福建省教育廳資助項目(

6、JB06175;廈門市科技局資助項目(3502Z20083031作者簡介:張輯(1976-,男,四川達(dá)川人,主要從事電力電子與電力傳動方面的研究.E-mail:221zhangji0引言近年來,北京、上海、廣州等大城市先后有多棟大樓發(fā)生了火災(zāi),給國民經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失。消防系統(tǒng)是大樓防火的主要系統(tǒng),而消防泵是消防系統(tǒng)中的一個重要組成部分,其主要特點是平時有可能長期不用,一旦使用必須及時可靠地發(fā)揮作用,以減小火災(zāi)擴散的危險,延緩火災(zāi)蔓延的速度,從而保障大樓安全。國家消防總局在1999年下文要求所有消防設(shè)備必須具有自檢功能,消防控制設(shè)備必須在15天內(nèi)自動啟動一次,防止水泵生銹腐蝕。消防給水設(shè)備必須

7、具有自動巡檢功能1。因此,消防泵基本性能的維護(hù)和日常巡檢至關(guān)重要。文獻(xiàn)2比較了消防泵人工巡檢和自動巡檢系統(tǒng)兩種技術(shù)差異,所介紹的自動巡檢系統(tǒng)是簡單按鈕控制的巡檢系統(tǒng),自動化程度低;文獻(xiàn)3自動滅火、巡檢的控制系統(tǒng)配置方案采用三菱觸摸屏F930GOT 為顯示操作界面,主控器采用三菱PLC FX1N-60MR 。這種方案特點是成本低,但是,數(shù)據(jù)存儲量很少,不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控。文獻(xiàn)4提出S7-200PLC 實現(xiàn)主變壓器細(xì)水霧滅火方案,沒有實際應(yīng)用,沒有上位機監(jiān)控。目前,還沒有基于PROFIBUS 總線的自動第28卷第11期2011年11月Vol.28No.11Nov.2011機電工程Journ

8、al of Mechanical &Electrical Engineering巡檢系統(tǒng)文獻(xiàn)。針對烏魯木齊保安押運公司新大樓“消防給水泵定期巡檢,火災(zāi)時能立即退出巡檢投入運行”的功能等要求,本研究設(shè)計并實現(xiàn)消防泵自動巡檢系統(tǒng),系統(tǒng)具有自動巡檢、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能。系統(tǒng)嵌入到整個建筑的電力監(jiān)控系統(tǒng)中,實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。1系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)備選型1.1系統(tǒng)構(gòu)成烏魯木齊押運公司新大樓為辦公、居住兩用的25層樓,消防給水泵組位于地下二層水泵房,包括兩臺90kW 消防泵和兩臺30kW 噴淋泵,均為一用一備設(shè)計,其中消防泵給消火栓供水,噴淋泵給噴淋系統(tǒng)供水。根據(jù)水泵功率大小,消防泵采用帶旁路接觸器的軟啟動器啟動,噴淋泵

9、采用星三角啟動。巡檢時由變頻器輪流驅(qū)動4臺水泵低頻運行幾分鐘(頻率及時間均可調(diào)整,避免因巡檢導(dǎo)致管道水壓過高,同時節(jié)約了能源。整個泵組定期巡檢以及火災(zāi)時泵組的啟停均由PLC 程序控制。1.2設(shè)備選型該系統(tǒng)中使用的主要設(shè)備均選用西門子公司產(chǎn)品,其中PLC 選用的是使用范圍最為廣泛的S7-300系列,CPU 為315-2DP ,帶有一個MPI 接口和一個Profibus 接口;變頻器選用風(fēng)機水泵專用型變頻器MM430;軟啟動器選用3RW40系列產(chǎn)品;斷路器、接觸器、熱過載繼電器等低壓元器件也均為西門子公司相關(guān)產(chǎn)品。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。PLC 與變頻器之間采用Profibus 總線通訊,PLC 通

10、過通訊控制變頻器中兩組水泵參數(shù)的切換和變頻器的啟停。同時PLC 通過MPI 網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)連接到地下一層配電房電工值班室,實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。1.3控制方式巡檢系統(tǒng)采用手動或自動控制,任何時候手動巡檢優(yōu)先。(1手動巡檢。如當(dāng)巡檢控制柜旋鈕開關(guān)旋到手動,則為手動巡檢,通過操作柜面各啟動按鈕,即可分別低速啟動各泵,按停止按鈕則停止。(2手動啟停消防泵。如將巡檢控制柜選旋開關(guān)旋到自動,消防泵控制柜旋鈕開關(guān)旋到手動,則可手動啟動/停止各消防泵,同一時刻只能啟動一臺。(3手動啟停噴灑泵。如將巡檢控制柜旋鈕開關(guān)旋到自動,噴灑泵控制柜旋鈕開關(guān)旋到手動,則可手動啟動/停止各噴灑泵,同一時刻只能啟動一臺。(4自動運行。如

11、將巡檢控制柜、噴灑泵控制柜的旋鈕開關(guān)都旋到自動,則為自動運行方式,在無消防啟泵要求的情況下,每隔10天定時巡檢。在有消防啟泵要求時,按要求啟動消防泵或噴灑泵,每組泵一用一備,故障時自動啟動備用泵。(5燈測試。各控制柜均裝有燈測試按鈕,按下此按鈕,該控制柜各指示燈亮,蜂鳴器鳴叫,用于檢測指示燈及蜂鳴器是否損壞。2系統(tǒng)設(shè)計2.1系統(tǒng)程序設(shè)計火災(zāi)信息由消防控制中心發(fā)出,當(dāng)消防控制系統(tǒng)檢測到建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,消防控制中心即刻根據(jù)需要發(fā)出啟動消防泵或噴淋泵的接點信號到水泵控制系統(tǒng)PLC ,PLC 收到信號后立即退出目前的任務(wù),啟動消防泵或噴淋泵。當(dāng)沒有火災(zāi)信息時,PLC 程序控制水泵定期巡檢。系統(tǒng)自動

12、運行時每隔10天對水泵巡檢一次,間隔時間可以根據(jù)需要遠(yuǎn)程設(shè)置。巡檢時PLC 控制變頻器以較低的頻率逐一驅(qū)動每臺泵,由于驅(qū)動功率較小,節(jié)能顯著。同時由于水泵在低速運行,達(dá)不到水泵的出水速度,不會對管網(wǎng)壓力產(chǎn)生影響。巡檢時間到時,PLC 調(diào)用巡檢程序,首先控制變頻器切換到90kW 消防泵參數(shù),然后控制接觸器KM1吸合,將消防泵1接到變頻器負(fù)載端,KM1吸合以后啟動變頻器低頻運行并開始計時,則消防泵在變頻器驅(qū)動下低頻運行,定時時間到則停止變頻器,變頻器停止后分開接觸器KM1,控制KM2吸合。KM2吸合后啟動變頻器驅(qū)動消防泵2低頻運行。消防泵2巡檢結(jié)束后,控制變頻器切換到30kW圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖機電工

13、程第28卷1364噴淋泵參數(shù)。然后控制接觸器KM3、KM8吸合,將噴淋泵1接到變頻器的負(fù)載端,啟動變頻器驅(qū)動噴淋泵1低頻運行。定時時間到了則停止變頻器并分開接觸器KM3、KM8,控制KM4、KM9吸合并啟動變頻器驅(qū)動噴淋泵2低頻運行。本研究按照消防泵1、消防泵2、噴淋泵1、噴淋泵2的順序,依次啟動運行幾分鐘(運行時間可遠(yuǎn)程設(shè)置。如巡檢過程中發(fā)現(xiàn)水泵不能正常運行,該系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警,并在電工值班室監(jiān)控計算機上發(fā)出報警信息,做到及時準(zhǔn)確地將故障信息告知工作人員。巡檢邏輯如圖2所示。如在巡檢時收到火災(zāi)信息,該系統(tǒng)將立刻停止巡檢,并切換到火災(zāi)控制子程序啟動消防泵。2.2火災(zāi)時程序切換火災(zāi)信息由消防控

14、制中心發(fā)出,當(dāng)消防控制系統(tǒng)檢測到建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,消防控制中心即刻發(fā)出一組火災(zāi)信號指令到消防泵系統(tǒng)PLC ,PLC 收到信號后立即調(diào)用火災(zāi)控制子程序,本研究按照如圖3所示的邏輯先啟動消防泵1,如果消防泵1有故障啟動不了,變頻器判斷水泵有沒有啟動,變頻器會發(fā)出聲光報警提示消防泵1故障,立即啟動消防泵2。變頻器啟動90kW 消防泵和30kW 消防泵的程序如圖 4所示。2.3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計西門子常用的通信方式主要有以下幾種:自由口通信、PPI (Point to Point 點對點接口協(xié)議通信、MPI (MultiPoint interface 多點接口協(xié)議通信、PROFIBUS (Proces

15、sField Bus 過程現(xiàn)場總線協(xié)議通信、工業(yè)以太網(wǎng)通信等。MPI 協(xié)議用于小范圍、小點數(shù)的現(xiàn)場通信。MPI 是為S7/M7和C7系統(tǒng)提供的多點接口,它被設(shè)計為用于編程設(shè)備接口,也可以用來在少數(shù)CPU 之間傳遞數(shù)據(jù)5-6。PROFIBUS 協(xié)議是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一,并以其獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認(rèn)真規(guī)范、開圖2系統(tǒng)巡檢流程圖圖3火災(zāi)時系統(tǒng)切換流程圖圖4變頻器啟動90kW 和30kW 消防泵的程序圖張輯,等:消防泵自動巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)第11期1365放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī),成為現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)解決方案,其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點已突破1000萬個,在現(xiàn)場總線中遙遙領(lǐng)先。

16、該系統(tǒng)的PLC S7-300自帶有一個PROFIBUS DP 接口和一個MPI 接口,具有很高的性價比,不需要再購買DP 通信模塊就能實現(xiàn)PLC 與變頻器等儀器組建PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò),組態(tài)圖如圖4所示,該網(wǎng)絡(luò)具有可擴展功能,能夠擴展多個監(jiān)控站和狀態(tài)采集點。系統(tǒng)由1個CPU315-2DP 、5塊數(shù)字輸入/輸出模塊、變頻器等構(gòu)成。SIMATIC S7采用系統(tǒng)功能SFC14DPRD_DAT 和SFC15DPWR_DAT 來實現(xiàn)主從站的數(shù)據(jù)讀寫,在一個輸入/輸出模塊中,使用組態(tài)報文一次可以指定最大128Bytes 的數(shù)據(jù)區(qū)域用于數(shù)據(jù)交換。對于DP 主站(即S7-300上用SFC15所發(fā)送的輸

17、出數(shù)據(jù),在從站(即變頻器上則是由SFC14作為數(shù)據(jù)讀取的。對于DP 主站上的那些來自從站的輸入數(shù)據(jù),情況則正好相反7-8,主、從站初始化程序如下:該系統(tǒng)配置的主、從站通信程序如圖6所示。上位機采用研華工控機IP610,工控機PCI 插槽上裝CP5611卡,通過MPI 電纜與S7-300的MPI 接口相連,S7-300不需要再配通信卡,降低了系統(tǒng)的成本。S7-300與上位機的通信采用MPI 協(xié)議。WinCC 提供了一個名稱為SIMATIC S7Protocol-Suite的驅(qū)動程序。該驅(qū)動程序支持WinCC 站與SIMATICS7自動化系統(tǒng)之間的MPI 通信。2.4上位機設(shè)計西門子公司的WinC

18、C 是視窗控制中心(Windows Control Center 的簡稱。它集成了SCADA 、人機界面(HMI、組態(tài)、腳本語言和OPC 等先進(jìn)技術(shù),被用來在生產(chǎn)和過程自動化中進(jìn)行圖形顯示和完成控制任務(wù)。WinCC 運行于個人計算機環(huán)境,其特性之一是全面開放性,可以與各種自動化設(shè)備及控制軟件集成,具有豐富的設(shè)置項目、可視窗口和菜單選項,使用方式靈活,功能齊全。它具有強大的功能接口、快速畫面更新和安全的歸檔功能,保證WinCC 具有非常高的可靠性。用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理,可形成所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等WinCC 的

19、另一個特點在于其整體開放性,它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起,支持C 腳本和VB 腳本9。該系統(tǒng)的WinCC 6.1采用設(shè)計了消防泵和變頻器狀態(tài)監(jiān)視畫面、故障報警畫面等,系統(tǒng)自動化程度高。圖7 消防泵和變頻器狀態(tài)監(jiān)視圖5主從站PROFIBUS 總線組態(tài)CALL GLOBAL_DP_DIAGCHECK_ACTIV:=TRUEEXTERNAL_DP_INTERFACE:=FALSE DP_MASTERSYSTEM:=1DATA_FIELD:=GLOBAL_DIAG_DB.DATA_FIELDSUM_SLAVES_DIAG:=GLOBAL_DIAG_DB.SUM_SLAVES_DIAGLI

20、ST_SLAVES_NOT_PRESENT:=GLOBAL_DIAG_DB.LIST_SLAVES_NOT_PRESENT LIST_SLAVES_ERROR :=GLOBAL_DIAG_D B.LIST_SLAVES_ERRORRETVAL:=GLOBAL_DIAG_DB.RETVAL BUSY:=GLOBAL_DIAG_DB.BUSY圖6主、從站通信程序機電工程第28卷1366狀態(tài)監(jiān)視畫面如圖7所示,主要監(jiān)控消防泵1和消防泵2的狀態(tài),變頻器的狀態(tài),手動巡檢和自動巡檢工作方式的切換。報警畫面如圖8所示,主要完成水泵過載報警、啟動超時報警、巡檢故障等任務(wù)。2.5變頻器參數(shù)設(shè)置MM430變頻器是

21、風(fēng)機水泵專用型變頻器,可以針對不同的風(fēng)機水泵設(shè)置多組驅(qū)動數(shù)據(jù),根據(jù)需要進(jìn)行切換10。本研究中相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示,其中P*0為90kW 消防泵參數(shù),P*1為30kW 噴淋泵參數(shù),P820控制參數(shù)切換。本研究設(shè)定了變頻器啟動電機的參數(shù),電機啟動參數(shù),保證水泵工作在穩(wěn)定工作狀態(tài)。3結(jié)束語消防泵是消防給水系統(tǒng)的重要組成部分,其主要特點是平時不用,用時必須100%可以投入運行。因此,其基本性能的維護(hù)和日常巡檢至關(guān)重要。目前大多數(shù)消防泵巡檢是通過人工去完成的,人工巡檢過程復(fù)雜,費時費電且難以監(jiān)管,造成消防泵不能正常運轉(zhuǎn)的情況,恰恰大多是復(fù)雜過程導(dǎo)致的誤操作和日常維護(hù)管理不到位。一些自動巡檢設(shè)備自動化程

22、度不高,數(shù)據(jù)歸檔能力差,系統(tǒng)可擴展性差。該系統(tǒng)下位機采用PROFIBUS 總線,系統(tǒng)可靠、可擴展性能好,實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控;上位機與PLC 通信采用MPI 通信,通信可靠、成本低。根據(jù)資料顯示,該系統(tǒng)目前在國內(nèi)處于先進(jìn)水平。該系統(tǒng)自投入運行一年以來,運行穩(wěn)定可靠,能夠正常定期巡檢。這種自動巡檢系統(tǒng)可確保消防水泵不會產(chǎn)生銹蝕、銹死現(xiàn)象,使消防給水設(shè)備在火災(zāi)時能夠可靠地投入運行;本研究通過將系統(tǒng)嵌入到整個大樓的配電監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,不但減少了工作人員的工作量,也降低了用戶在該系統(tǒng)上的維護(hù)成本;采用變頻技術(shù),降低了能源消耗。表1變頻器參數(shù)序號參數(shù)號參數(shù)值備注1P20501應(yīng)用對象2P20511應(yīng)用對象3P30001選擇電動機類型4P30011選擇電動機類型5P3040380電動機額定電壓6P3041380電動機額定電壓7P3050167電動機額定電流8P305156.9電動機額定電流9P307090電動機額定功率10P307130電動機額定功率11P310050電動機額定頻率12P310150電動機額定頻率13P31102970電動機額定