用可编程控制器实现消防水泵的自动控制系统.docx

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用可编程控制器实现消防水泵的自动控制系统

目录

1．引言1

2．消防水泵联动控制要求1

3．系统主回路2

4．系统控制回路4

4.1控制回路公用部分4

4.2控制回路软启动部分6

5．可编程控制回路8

5.1可编程控制器的确定8

5.2可编程控制器数字量控制回路8

5.3可编程控制器模拟量输入回路11

5.4系统程序编制13

5.5系统人机界面----触摸屏14

6．系统盘面设备布置及柜体结构14

7．结束语14

参考文献14

用可编程控制器实现消防水泵的自动控制系统

摘要：

本文论述了用S7-200系列可编程控制器PLC-CPU224实现的控制系统在消防泵控制中的应用，着重论述了该控制系统控制方案、结构配置、实现的主要功能。

本系统不仅满足现行国家规范中关于消防水泵联动控制的要求，还可以监视每个回路的开关状态信息、故障报警信息、电流、电压等电气参数，定时自动巡检消防泵、显示消防水池液位等。

关键词：

可编程控制器联动控制故障报警自动巡检消防

1．引言

《05D系列建筑标准设计图集》为山西省工程建设标准设计，由山西、天津、河北、内蒙古、河南五省市联合编制，图集编制大纲中要求：

为适应科技和社会快速发展的需要，促进科技成果向现实生产力转化，不断提高建设工程质量和科技含量，新图集中应充分体现现代科技在工程中的作用，并具有一定的超前性和先进性。

因此，在编制标准图《火灾报警与控制》（05D11）消防泵控制系统中，针对消防水泵控制部分，传统的继电器控制系统接线复杂，不具有通讯功能，运行中故障率高，而可编程控制器作为现今控制工程领域中的通用控制器，同样适合于水泵控制系统。

兼于此，在新图集编制中对一用一备和二用一备的消防泵控制系统均采用可编程控制器来实现。

本文以二用一备消防泵控制系统为例,从系统主回路、控制回路、程序编制、硬件配置到系统实施，对可编程控制器实现消防水泵的自动控制系统予以论述。

2．消防水泵联动控制要求

《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116-98）中对消防泵控制要求叙述如下：

1）6.3.1中规定，消防控制室的控制设备应有下列控制及显示功能：

a.控制消防设备的启、停，并应显示其工作状态；

b.消防水泵的启、停，除自动控制外，还应能手动直接控制。

2）6.3.2中规定，消防控制设备对室内消防系统应有下列控制及显示功能：

a.控制消防水泵的启、停；

b.显示消防水泵的工作、故障状态；

消防水泵的故障，一般是指水泵电机断电、过载及短路，对二用一备的消防水泵,只有当三台泵都不能启动时，才显示故障并报警。

《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）中对消防泵控制要求叙述如下：

1）24.6.6中规定：

消防水泵等重要消防用电设备，应采取定期自动试机、检测措施。

2）8.6.3.5中规定：

对于突然断电会导致比因过负荷而造成的损失更大的配电线路，不应装设切断电路的过负荷保护电器，但应装设过负荷报警电器。

《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）中对消防泵电源要求叙述如下：

11.1.5中规定：

消防水泵房等消防用电设备，应在其配电线路的最末一级配电箱处设置自动切换装置。

在消防泵控制系统设计中，无论是哪种控制方式，均应满足国家规范对消防水泵的控制要求，用可编程控制器实现消防水泵的自动控制系统系统主回路、控制回路均应采取最合理的方案、完善的思路实施整个系统。

3．系统主回路

在设计消防泵控制系统主回路中，一方面要考虑电源的可靠切换，另一方面考虑大功率电机的启动。

针对三台消防泵，为满足消防泵的电源要求，按照两路电源进线，一路为主电源，另一路为备用电源，在主回路中采用双电源自动切换装置，正常状态下由主电源给系统供电，当主电源故障，双电源自动切换装置在1.0s内将备用电源投入，保证系统电源的可靠；另外，经调查，在大部分场合消防泵的电机功率大于22kW，属于较大功率电机，而电动机启动时要求母线电压不低于额定电压的85%，所以对大功率电机采用降压启动方式，本系统在主回路中设置软启动器，能够满足消防泵的可靠启动。

主回路的配置是否合理，直接决定系统能否稳定与可靠运行。

考虑到标准图的普遍指导性，对系统主回路采用的软启动器采取一拖一接线方式，这种接线方式能保证消防泵备用灵活，故障率低。

主回路具体设置如下：

1）在主回路进线处设置双电源自动切换装置AT，该双电源自动切换装置属成熟产品，在许多重要负荷的配电中已广泛使用，采用该装置作为系统的主备电源切换，能保证消防设备电源的可靠性，从而保证消防泵控制系统的正常运转，满足《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）中对消防泵电源的要求；

2）每个回路采用断路器QF、接触器KM及软启动器QS，共同对消防泵进行短路保护、过负荷报警以及控制起停，上述元器件及启动装置规格的匹配，在标准图中按照电机功率大小已列表明示，供设计人员正确选用。

本系统采用软启动器作为启动装置，一方面保证消防泵在启动或停止时，电机能够软启动与软停车，以减少液流冲击产生的泵流水锤现象，另一方面当电机过负荷故障时，软启动器能够输出报警信号而不停止运行，满足《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）8.6.3.5中的要求。

按照上述设计思路，本系统主回路配置如图1所示。

图1系统主回路接线图

4．系统控制回路

4.1控制回路公用部分

系统控制回路公用部分是系统正常运行的前提保障，并向消防控制中心发出故障报警回复信号及消防运行确认信号，包含如下主要功能：

4.1.1提供控制回路电源

控制回路电源引自切换装置出线端，一方面提供控制回路中软起动器加电、运行、消防泵信号返回电源，另一方面，通过使用隔离变压器以及开关电源为可编程控制器、触摸屏、压力仪表提供电源。

4.1.2实施软启动器上电及运行

通过可编程输出点的运行，控制软启动器加电及运行，以控制消防泵的启动与停止，完成系统的最终运行。

4.1.3实施消防联动应急控制

根据规范要求，消防控制室应能够手动直接控制消防泵的起停，为满足在消防人员收到火灾报警信号后能够在消防控制室直接控制消防泵，在控制回路公共部分将消防应急控制按钮直接接入软起动器运行回路，保证消防人员对消防泵的远程控制。

此时，无论消防控制系统处于手动还是自动状态，均可以通过消防应急按钮启动消防泵。

满足《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116-98）中6.3.1的要求。

4.1.4故障报警并提供故障报警回复信号及消防返回信号

消防设备的运行状态、故障情况均通过本部分发送至消防控制室，使得消防控制人员全面掌握消防设备的运行情况。

另外，公共部分能够在系统报警后进行报警声光信号的解除。

公用部分作为系统的执行单元，必须可靠地实行系统的控制命令，所以对控制回路公用部分设计，力求接线简单，实施方便。

在完成以上四个功能的前提下，系统控制回路公用部分配置如图2所示。

图2系统控制回路公用部分接线图

4.2控制回路软启动部分

软启动器控制部分具体接线方式主要由所选用软启动器决定，本系统软启动器采用施耐德ATS-46系列软启动器，该系列软启动器采用了自适应软启动控制技术，即先根据用户设定的参数实施启动，在启动过程中不断地检测电机状态及其参数实时地调整控制参数以确保启动性能达到最优，该系列软启动器能实施软启动与软停车，能故障信息存储并输出报警信号，在电流监测方面具有0~20mA实时电流输出功能，运行状态记忆，失电且再来电后自动恢复功能。

另外，该软启动控制器内设微机接口（RS485），能实现上位机控制或遥控功能，自带LED显示和操作键盘实现人机对话，设置各种参数。

该系列软启动器的控制特性、信号处理具有一定的代表性，因此在标准图编制中，对消防泵控制系统选用的软启动器，不仅考虑主回路能满足软启与软停的要求，对控制回路更应适合自动控制与数据传输。

制回路控软启动部分接线如图3所示。

具体配置如下：

4.2.1通过控制“STOP、RUN和PL、LO+”端子的闭合与打开进行软起动与软停车，该功能实施由可编程器输出点控制KA4~6继电器完成，继电器吸合时软启动，继电器打开时软停止。

4.2.2“R1A、R1C”为软启动器自检确认控制点，软启动带电后先进行自检，当确认软启动器可以正常运行时“R1A、R1C”点闭合，为软启动器进入启动过程做好准备。

4.2.3“R1B、R1D”为软启动器故障报警输出点，当软启动器本身出现故障或所带电机过载以及电源缺相等故障时，“R1B、R1D”点闭合，其信号接入可编程控制器输入点，作为判断电机故障及备用泵是否投入的依据。

4.2.4“AO1、COM”为软启动器模拟量输出点，一般设置为输出电机运行电流参数。

该点接入可编程控制器模拟量扩展板，用以监测系统运行电流。

另外，该软启动控制器内设微机接口（RS485），能实现上位机控制或遥控功能，

图3系统控制回路软启动部分接线图

5．可编程控制回路

5.1可编程控制器的确定

按照标准图编制大纲要求，消防泵控制系统采用可编程控制器作为系统的控制核心器件，可编程控制器在现今控制工程领域中已得到充分应用，经性价比较分析，本系统确定使用S7-200系列可编程控制器。

S7-200系列可编程控制器适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化，使用范围从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，具有极高的性价比。

S7-200系列可编程控制器优势主要表现在：

极高的可靠性；

极丰富的指令集；

丰富的内置集成功能；

强劲的通讯能力；

丰富的扩展模块；

易于掌握的便捷的操作

其中CPU-224为S7-200系列可编程控制器的一种较强能力的控制器，可连接7个扩展模块，最大可扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，13k字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHZ高速计数器，2路独立的20kHZ高速脉冲输出，具有PID控制器，1个RS485通讯/编程口。

本系统需要的数字量输入点数量为13个，数字量输出点数量为7个，模拟量输入回路共5个，所以按照系统规模，在本系统中采用S7-200系列可编程控制器CPU-224与模拟量扩展板EM231以及触摸屏TP170组成系统控制及显示中心，来实施系统的控制功能能够满足消防泵工艺控制要求。

5.2可编程控制器数字量控制回路

可编程控制器数字量控制回路是系统控制的主要实施单元，其输出回路完成软起加电及运行、故障报警等功能，输入回路接收各部分信号，主要包括：

水池高低水位信号、水泵检修信号、软启动器故障信号以及接收消防联动模块输送的信号和消防起泵按钮信号等。

PLC-200系列CPU224可编程控制器共有14个数字量输入点，10个数字量输出点，其中输入点共两组，第一组为I0~I7共八个，第二组为I1.0~I1.5共六个，输出点共三组，第一组为Q0.0~Q0.3共四个，第二组为Q0.4~Q0.6共四个，第三组为Q0.7~Q1.1共三个，具体设置如下：

5.2.1.输入点配置：

CPU224I0.0——水池高水位

I0.1——水池低水位

I0.2——1#泵检修

I0.3——2#泵检修

I0.4——3#泵检修

I0.5——1#软启动器故障

I0.6——备用

I0.7——2#软启动器故障

I1.0——3#软启动器故障

I1.1——手动紧急启动

I1.2——消防模块联动外控起泵指令

I1.3——消防模块联动外控停泵指令

I1.4——手动消防解除

I1.5——消防起泵按钮

在本系统开关量输入点配置中，I0.0、I0.1为水池液位信号输入点，I1.2、I1.3接收火灾报警控制系统消防联动外控起停命令，I1.5接收消防起泵按钮外控起停命令，其中I1.2、I1.3、I1.5三个信号为规范所要求的联动控制信号，系统在待令状态下，当I1.2、I1.3或I1.5接到消防联动外控起停命令或消防起泵按钮外控起停命令时，按照程序要求启动消防泵，系统进入运行状态；当系统运行中某回路出现故障时，将通过I0.5、I0.7、I1.0点把故障信号传送至可编程控制器，由可编程控制器按照程序进行相应故障处理；I0.2~I0.4为泵和电机检修输入点，当某台泵检修时，断开该回路断路器，断路器辅助常闭触点闭合，可编程控制器接收到检修信号，系统进入检修状态中。

5.2.2输出点配置：

CPU224Q0.0——1#泵软启加电指令

Q0.1——2#泵软启加电指令

Q0.2——3#泵软启加电指令

Q0.3——备用

Q0.4——1#泵软启运行指令

Q0.5——2#泵软启运行指令

Q0.6——3#泵软启运行指令

Q0.7——故障报警

Q1.0——备用

Q1.1——备用

在本系统开关量输出点配置中，Q0.0、Q0.1、Q0.2为起泵过程中软起动器加电控制点，即系统某主回路接到命令后，该回路接触器吸合，软启动器带电并自检，若软启动器自检无故障，在公用控制回路中，R1A和R1C点即闭合，等待软启动运行信号的到来，为消防泵即将投入运行做好准备；Q0.4、Q0.5、Q0.6为软启动器运行命令控制点，当某回路接到该命令后，软启动投入运行，启动消防泵；Q0.7为故障报警点，故障报警包含了系统主回路中软启动器故障，在平时系统自动巡检过程中，若某回路出现故障，即通过该点输出报警信号，在消防状态中，只有当三台泵都不能启动时，才输出故障报警信号。

可编程控制器数字量控制回路接线如图4所示。

图4可编程控制器数字量控制回路接线图

5.3可编程控制器模拟量输入回路

可编程控制器模拟量输入回路是系统监测各种参数的主要实施单元，主要包括：

各回路电流参数、系统压力参数等。

PLC-EM231是CPU224的模拟量扩展单元，共有4路模拟量输入口，输入信号均为4~20mA模拟信号，本系统采用两块EM231模拟量扩展单元。

模拟量信号分配如下：

第一块EM231：

A+~A-接自1#软启动器AO1~COM端子，为系统第一主回路运行电流；B+~B-接自2#软启动器AO1~COM端子，为系统第二主回路运行电流；C+~C-接自3#软启动器AO1~COM端子，为系统第三主回路运行电流；D+~D-备用。

第二块EM231：

A+~A-接自水池液位变送器，接收水池液位信号；B+~B-接自管网压力变送器，接收管网压力信号；C+~C-备用；D+~D-备用。

模拟量输入点具体设置如下：

第一块EM231A路——1#软启动器运行电流4-20mA信号

B路——2#软启动器运行电流4-20mA信号

C路——3#软启动器运行电流4-20mA信号

D路——备用

第二块EM231A路——管网压力4-20mA信号

B路——备用

C路——备用

D路——水池液位4-20mA信号

以上五种模拟量参数值显示于面板触摸屏，使值班人员能清楚掌握电机运行参数、水池液位及管网压力情况。

可编程控制器模拟量输入回路接线如图5所示。

图5可编程控制器模拟量输入回路接线图

5.4系统程序编制

系统程序编制要充分考虑消防规范要求，并结合水泵运行实际情况，做到控制灵活、简洁，参数显示清晰。

5.4.1系统程序总体要求

1）系统为二用一备，工频软启动运行型式。

2）系统为触摸屏监视控制合一型式。

3）系统应有自动控制和手动控制二种型式，除检修、手动巡检外，其它时间均处于自动状态。

4）控制系统配备CPU224、EM231及TP170A触摸屏。

5.4.2手动控制子程序要求

1）触摸屏上设三台泵的各自起/停按钮，按之对应泵运行/停止。

2）当水池液位已达最低限，控制系统应弹出“水池液位已达最低限，是否必须启动消防泵”的对话框及“是”“否”按钮，按“否”按钮，泵不启动，按“是”按钮，消防泵运转，但该信息应记录。

3）不受条件限制，可以启停任一台消防泵，但不得同时运行三台消防泵。

4）手动控制中，不论消防泵是否正在运转，如有消防指令传来（输入点I1.3、I1.5闭合），系统立即自动退出手动控制，进入消防运行状态，即停转的消防泵立即按自动控制方式启动消防泵运转，如消防泵已在运转中，则按消防运行自控方式继续运转下去，手动停止无效，上述信息应记录。

5.4.3消防运行自动控制子程序要求

1）自动控制是系统主要控制方式，控制系统上电始，自动进入该控制方式。

2）自动控制时消防泵启动条件：

●接收到位于控制柜附近由消防联动模块发来的消防指令，即输入点I1.3闭合；

●接收到由消火栓起泵按钮发来的消防指令，即输入点I1.5闭合；

●手动紧急启动消防按钮动作，即输入点I1.1闭合；

上述三个条件任一条件具备，消防泵必须立即启动，响应时间≯1S。

3）自动控制时消防泵停泵条件

消防泵消防状态结束后时，消防人员按动控制柜面板“消防解除按钮”动作（即I145闭合）；或者接收到位于控制柜附近消防联动模块发来的停泵指令（即I1.2闭合）后，消防泵依次停泵，否则不得自动停泵。

4）消防水池最低水位只报警，不得自动停泵。

5）消防泵故障，程序自动切换至备用泵工作，切换时间≯3s，当三台泵同时故障时，系统输出声光报警信号，否则只记录报警信息不发出报警信号。

5.4.4巡检程序要求

1）巡检分手动巡检和自动巡检两种，触摸屏设手动巡检、自动巡检转换开关，控制系统上电始，系统将按照设定的时间自动进入自动巡检状态，执行自动巡检子程序。

2）系统自动巡检时间间隔可以设定，并可以调整。

3）预定的巡检时间到，若在自动巡检下，自动巡检子程序执行如下：

启动1号消防泵，该泵运行2分钟，时间到，停止该泵运转，该泵断电2s后，再令2号消防泵启动并运转2分钟，时间到，停止该泵运转，该泵断电后2s，再令3号消防泵启动并运转2分钟,时间到,停止该泵运转。

从自动巡检开始起至3号消防泵断电止，程序在屏上弹出告示框，内容为“设备正在巡检中”。

4）若系统接收到手动巡检命令，系统将执行手动巡检子程序如下：

程序在屏上弹出告示框，内容为“请手动启动各台消防泵，各运转2分钟”，该告示一直要保存到巡检结束为止。

程序同时给出声响信号，声响可由操作人员解除。

实际操作中每台消防泵运转不足2分钟停止按钮动作无效。

5）不论哪种巡检方式，巡检中如出现故障，如泵电机故障等均需报警并记录。

6）不论哪种巡检方式，巡检中，如遇消防指令传来，程序立即停止巡检功能，自动进入消防工作。

5.5系统人机界面----触摸屏

良好清晰的人机界面能使系统操作简单、容易掌握，本系统人机界面采用S7-200系列TP170触摸屏，代替了传统的按钮与灯光指示，把可编程控制器采集的各种信息进行加工处理，然后以操作人员所习惯和熟悉的各种控制画面、声光报警等形式提供给操作人员。

不仅控制灵活、显示清晰，而且能记录系统历史数据，比如：

故障信息、水池液位、管网压力、电机电流等，使得系统更加智能化、现代化。

6．系统盘面设备布置及柜体结构

本系统用触摸屏作为人机界面，控制盘面简洁清晰，操作人员容易掌握；而采用传统继电器的消防控制系统盘面复杂，包含各种按钮及信号指示灯，使用中容易造成混乱。

系统盘面设备包括：

自动转换开关显示窗、触摸屏以及控制电源按钮SB2、触摸屏电源按钮SB1和手动紧急启动按钮SE1、消防解除按钮SE2。

系统柜体结构可以按照电机功率采用两种不同尺寸的控制柜，本系统作为标准图应用，给出了15~75kW消防电机所采用的控制柜外形尺寸。

7．结束语

用可编程控制器S7-200/CPU224实现的消防水泵自动控制系统已被列入05D系列建筑标准设计图集《火灾报警与控制》（05D11）消防泵的控制系统中，该系统在多个场合已投入使用，经过近几年运行，系统性能稳定，运行可靠，操作简单，维护工作量小，并且开放性好，易于联网，能够满足规范所要求的消防联动控制要求，更适合于生活小区智能化物业管理，从运行及维护上均优于传统的继电器控制系统。

参考文献

1《火灾自动报警系统设计规范》GB501116-98

2《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92

3《建筑设计防火规范》GB50016-2006

4《S7-200可编程序控制器》西门子中国有限公司出版

5《触摸屏人机界面》人机电子有限公司出版

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