PLC在主变压器自动灭火系统中的应用.docx
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PLC在主变压器自动灭火系统中的应用
摘要
火灾报警系统主要包括探测、控制两部分。
探测器探测其周围温度、烟的浓度，经A/D转换变成数字信息并传送给报警控制器，控制器将数字信息进行比较、判别，确认火警后发出声、光报警信号并启动联动模。
本文介绍的变压器水喷雾联动控制系统，具有能自动接收火灾报警信号、自动灭火、消防水泵的定期自动主备互投、消防水泵和电动蝶阀的定期自动巡检、远程通信等功能，有效的解决了水喷雾固定灭火系统的灭火设备定期巡检、防锈死、防误喷等难题。
采用的PLC为FP0-32CT。
它可以灵活应用于多种场合，可对联动控制系统进行全面的检测及灵活的控制。
其面板上有状态指示灯LED,显示个联动控制点的状态。
内置CPU智能处理芯片，具有逻辑判断、数值运算、数据转换、延时、计数、时钟/日历、联网通信等多种功能。
系统整体可靠性高。
关键词：
PLC；变压器；自动控制；巡检；远程通信
Abstract
Firealarmsystemsincludingdetectionandcontrolintwoparts.Detectortemperature,concentrationofsmokearoundthem,thea/dconversionintodigitalinformationandsendittothealarmcontroller,controller,digitalinformation,identification,confirmingthatfireemitssoundandlightalarmsignal,andstarttheinteractionmodule.
Introducedwaterspraycontrolsystemoftransformer,isabletoautomaticallyreceivethefirealarmsignalandautomaticfireextinguishing,firepumpsofregularautomaticexchange,firepumpsandelectricbutterflyvalveregularlymonitor,remotecommunicationfunction,effectivelysolvethewatersprayfixedfireextinguishingsystems,fire-fightingequipmentinspection,rustproblemssuchasdeath,errorproofingspray.
PLCusedforFP0-32CT.Itcanbeflexiblyappliedinmanyoccasions,detectionoflinkagecontrolsystemcanbecomprehensiveandflexiblecontrol.ThestatusindicatorLEDonthePanel,displaysthestatusofalinkagepoint.Built-inintelligentCPUprocessingchip,logic,numericalcomputation,dataconversion,delay,count,clock/calendar,networking,communicationsandotherfunctions.Highoverallsystemreliability.
Keywords：
PLC；transformer；Auto-Control；On-SiteInspection；Remotecommunication
第1章主变压器自动灭火系统功能
1.1系统功能
采用的PLC为FP0-32CT。
它可以灵活应用于多种场合，可对联动控制系统进行全面的检测及灵活的控制。
其面板上有状态指示灯LED,显示个联动控制点的状态。
内置CPU智能处理芯片，具有逻辑判断、数值运算、数据转换、延时、计数、时钟/日历、联网通信等多种功能。
系统整体可靠性高。
自动接收火灾报警盘的信号，并发出信号给消防水泵控制及保护屏，联动消防水泵和水喷雾电动蝶阀，对变压器进行水喷雾自动灭火。
对消防水泵的定期自动主备互投。
两个消防水泵、水喷雾电动蝶阀、注水电动蝶阀、泄水电动蝶阀的定期自动巡检。
与上位机实时双向通信。
配有蓄电池备用电源，能保证系统在联动控制状态下工作30min，监视下工作8h[1]。
1.2按钮和指示灯
控制按钮为系统启动、系统复位、手动巡检、手动/自动、消音。
指示灯为PLC运行、PLC故障、系统启动、系统复位、手动巡检、巡检故障、手动/自动、保护回路动作、1#泵运行、1#泵故障、2#泵运行、2#泵故障、水喷雾电动蝶阀开、水喷雾电动蝶阀故障、注水电动蝶阀故障、泄水电蝶阀故障[2]。
1.3报警状态
火灾发生后，火灾报警盘发出报警信号给PLC联动控制系统，PLC联动控制系统自动启动变压器保护回路，系统接收到变压器保护回路动作信号后发出控制信号，启动消防主泵和水喷雾电动蝶阀，对变压器进行水喷雾灭火。
这种探测器和变压器保护动作信号双重互锁的电控系统，非常适用于对变压器进行保护，有效的防止误喷。
若变压器处于检修状态，则此时可以按下手动/自动按钮，将联动控制盘设定于手动状态，手动LED灯亮，则自动报警有效但联动输出无效。
联动控制盘接收火灾报警盘的报警信号后，消防值班人员撤离后，按下手动/自动按钮，手动LED灯熄灭，联动控制盘启动变压器保护回路，联动控制盘接收变压器保护回路动作信号后立即发出控制信号，启动消防水泵和水喷雾电动蝶阀，对变压器进行水喷雾灭火。
1.4监视状态
1.消防水泵的定期主备互投
一用软件设定巡检时间，可定期对1#和2#消防水泵进行主备互投，从而保证每台水泵均能处于良好的状态，防止因长期不用而锈蚀等。
2.定期自动巡检
利用软件设定巡检时间，可以定期对消防水泵和水喷雾电动蝶阀进行自动巡检。
联动控制盘发出10s的声光报警信号，提示消防值班人员自动巡检开始。
10s后联动控制盘自动关闭注水阀，打开泄水阀，自动启动消防主泵，运行1min后，停止消防主泵。
消防主泵巡检完10min后，联动控制盘对水喷雾电动蝶阀自动巡检开始，自动打开水喷雾电动蝶阀。
1min后，关闭水喷雾电动蝶阀，打开注水阀，关闭泄水阀。
若此时发现消防泵或任一电动蝶阀故障，则巡检自动中断，联动控制盘发出声光报警信号，提示消防值班人员检修相应设备。
检修无故障后，消防值班人员按系统复位按钮，声光报警停止，联动控制系统进入正常监视状态。
在自动巡检过程中，如有火灾发生，联动控制盘立即自动停止巡检，启动消防系统实施灭火。
3.手动巡检
在非自动巡检期间，若要求试运行消防水泵、水喷雾电动蝶阀、注水电动蝶阀、泄水电动蝶阀，可采用手动巡检方式。
在联动控制盘上按下手动巡检按钮，联动控制盘便可以立即执行预定程序，巡检消防水泵、水喷雾电动蝶阀、注水电动蝶阀、泄水电动蝶阀，巡检过程同上述。
如果断路器及操作单元、变压器、差动保护屏、变压器防雷接地系统等均为不含智能单元及计算机接口的常规设备，那么只需将变压器控制屏部份选用可编程（PLC）变压器自动化屏，就能构成比较完备的变压器自动化系统。
其系统框图如图1所示，变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变压器自动化屏通过电缆直接连接，进行信息交换。
中控室或远方的主计算机监控系统通过对可编程变压器自动化屏的监控来实现对变压器的监控，其中的信息交换由主计算机监控系统中的工控机（IPC）与可编程变压器自动化屏中的PLC通过工业现场通讯网络来实现。
这种变压器自动化系统一般适用于改造旧站或建设资金规模不大的自动化新站。
如果断路器及操作单元、变压器、差动保护屏、变压器防雷接地系统等均已含有智能单元及计算机接口，那么变压器控制屏部份选用可编程（PLC）变压器自动化屏，就可以非常方便地构成功能强大的变压器自动化系统。
其系统框图如图2所示，变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变压器自动化屏通过工业现场通讯网络与中控室或远方的主计算机监控系统进行信息交换。
可编程变压器自动化屏与变压器及配套设备之问仅有极少量的电缆连接，整个系统显得非常简单。
可编程变压器自动化屏的硬件设备一般包括：
PLC，PLC输入/输出信号隔离继电器，近地操作按钮及故障事故指示灯、报警器、智能变压器油温度巡检仪，智能信号测试议，小直流电源，通讯适配器等。
其系统框图如图3。
软件主要由PLC自动化监控程序和与监控主计算机（上位机）的通讯程序组成可编程变压器自动化屏在变压器的自动化运行中处于实时监控的重要位置，它通过输入∕输出信号隔离继电器按变电站变电设备（隔离刀闸、断路器、电压互感器、电流互感器、变压器防雷接地系统等设备）的状态∕控制信号，可编程逻辑控制器（PLC）将上述信号按具体的自动化流程进行实时控制，并与监控主计算机通过网络传递数据。
完成变压器的开、停，运行维护与继电保护（过电流保护、电流速断保护、差动保护、瓦斯保护和过负荷保护等）。
它不仅使变压器处于闭环自动控制之中，而且使变压器自动化与测控保护系统协调运行，从而使整个变压器处于最佳运行状态。
由于PLC自身的特性，每个输入∕输出信号都有指示灯，使得变电站这个信号比较分散的场所维护检修工作变得异常容易[3]。
第2章PLC在主变压器自动灭火系统中的特点及主要部件
2.1基于PLC在主变压器自动灭火系统的特点
基于PLC控制的主变压器自动灭火系统反应快，由于采用火灾传感器探测火灾信号传递给PLC（中央控制器），PLC来控制系统的开启，从火灾传感器探测火灾信号传递给PLC（中央控制器），PLC来控制电磁阀的开启喷水灭火的时间短，其反应快。
自动喷水灭火系统控制面积大，用水量大。
由于电磁式喷头向系统保护区域同时喷水，能有效的控制住火灾，防止火灾蔓延，初期灭火用水量很大
完善系统自身的可靠性。
主变压器自动灭火系统将在发展中得到完善。
一方面表现在，通过喷水灭火机理的研究，对不同火灾场所的火灾负荷，发展，蔓延过程，决定采用不同类型的喷水灭火方式。
通常根据系统中所使用的喷头形式不同，分为闭式自动喷水灭火、开式自动喷水灭火。
闭式主变压器自动灭火系统采用闭式喷头，它是一种常闭喷头，喷头的感温闭锁装置只有在预定的温度环境下才会脱落，开启喷头。
因此，在发生火灾时，这种喷头灭火系统只有处于火焰之中或临近火源的喷头才会开启灭火。
开式主变压器自动灭火系统采用的是开式喷头，开式喷头不带感温闭锁装置，处于常开状态。
发生火灾时，火灾所处的系统保护区域的所有开启式喷头一起出水灭火[4]。
2.2基于PLC在主变压器自动灭火系统中的主要部件
基于PLC控制的自动灭火系统是由自动喷水灭火系统、自动报警系统、控制系统，这三个子系统组成。
现代的控制器主要是指PLC控制器，它是在传统的基础之上加以改进的控制系统，是新一代的控制管理装置，这种控制器在应用的过程中存在安装简单、性能安全的优势，同时可靠性比较高，适应能力较强，特别是在通信和控制功能方面，可以达到最佳的效果。
一般来说，在PLC系统的操作中，包含大量的控制管理设备，使得机器能够在工作中独立运用和发展，完成各种复杂的工作。
通常，PLC设备的运行需要一定的投入，主要是人为计算，也就是说在操作之前，需要对计算机进行整体的处理，使其能够达到最佳的精确的管理程度。
各种特殊工艺和配置的PLC可以满足人们基本的需要，在应用领域方面大为拓展。
目前，我国的PLC存在体积小，结构简单，编程方便的优势，这是传统的设备没有的优点。
因此，实现智能一体化的电气设备，使用PLC是必然的选择。
表2.1系统主要部件及其用途
编号
名称
用途
1
S7-200PLC
中央控制器，控制整个系统
2
高位水箱
存储初期用水
3
报警器
发出音响、灯光等报警信号
4
喷淋泵
为灭火系统提供灭火用水
5
感烟探测器
感知火灾信号
6
感温探测器
感知火灾信号
7
放水阀
检修系统时放空系统中的水
8
进水管
水源管
9
排水管
末端试水装置排水
10
末端试水装置
试验系统功能
11
开式喷头
喷水灭火
12
压力表
指示系统压力
13
水表
计量末端试验装置出水量
14
过滤器
过滤水中杂质
15
单项阀
控制液体的单项流动
16
溢流阀
控制系统的压力
17
水池
存储火灾用水
18
电磁阀
控制各区域喷水灭火系统中水流的开启与关闭
常见的变电站中，可供编程的模式很多，主要是在自动化控制和管理方面，达到了最佳的控制效果。
可编程的自动化控制在发展的过程中，要依据一般的编程程序，进行中央信号的处理和屏蔽。
在智能装置方面，面对最核心的任务，可通过遥感方式进行问题的分析和处理，改变传统的模式。
如果断路器及操作单元、变压器、差动保护屏、变压器防雷接地系统等均为不含智能单元及计算机接口的常规设备，那么只需将变压器控制屏部份选用可编程（PLC）变压器自动化屏，就能构成比较完备的变压器自动化系统。
变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变压器自动化屏通过电缆直接连接，进行信息交换。
中控室或远方的主计算机监控系统通过对可编程变压器自动化屏的监控来实现对变压器的监控，其中的信息交换由主计算机监控系统中的工控机（IPC）与可编程变压器自动化屏中的PLC通过工业现场通讯网络来实现。
这种变压器自动化系统一般适用于改造旧站或建设资金规模不大的自动化新站。
自动喷水灭火系统中包含管道系统、喷淋泵和各种给水开关，自动报警系统中包含报警器和各种电源装置，控制系统中包含可编程序控制器和各种开关。
自动喷水灭火系统、自动报警系统、控制系统，这三个系统之间是通过线路系统联系在一起，自动喷水灭火系统的开启与关闭、自动报警系统的开启与关闭都是由控制系统通过其与各系统之间的控制线路来实现对其余两个子系统的控制。
其主要部件及用途如表2.1所示。
主变压器自动灭火系统的开启过程：
当各区域的火灾探测器，探测到火灾信号，通过线路将火灾信号传递给PLC，PLC接收到火灾信号后，根据其控制程序的要求，控制喷淋泵启动和与之相对应的区域电磁阀开启，电磁阀开启后，与之相对应区域的开式喷头喷水灭火。
同时，在传感器失灵的情况下也可以按下各火灾区域的手动启动按钮，将该区域的启动信号传递给PLC，PLC在接收到火灾信号后，也可以控制喷淋泵启动和与之相对应的区域电磁阀开启，电磁阀开启后，开式喷头喷水灭火。
自动灭火消防系统的开启过程：
在按下各着火区域的关闭按钮和系统复位按钮后，主变压器自动灭火系统关闭并复位[5]。
第3章控制系统硬件设计及PLC选择
3.1PLC的介绍
可编程序控制器（Programmablecontroller）简称PLC，由于PLC的可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单，所以PLC的应用领域在迅速扩大。
对早期的PLC，凡是有继电器的地方，都可采用。
而对当今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC。
尤其是近几年来，PLC的成本下降，功能又不段增强，所以，目前PLC在国内外已被广泛应用于各个行业[7]。
3.2PLC型号的选择
3.2.1PLC控制系统硬件配置的关键问题
选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题，目前，生产PLC的厂家很多，如西门子，三菱，松下，欧姆龙，，LG，ABB公司等，不同厂家的PLC产品虽然基本功能相似，但有些特殊功能，价格及使用的编程指令和编程软件都不相同，而同一厂家生产的PLC产品又有不同系列，同一系列中又有不同的CPU型号，PLC的功能应强大，要具有开关量逻辑运算，定时，计数，数据处理等基本功能，鉴于本设计对控制速度要求不是很高，主要是开关量控制的应用系统。
选用小型PLC就可满足要求。
PLC的结构主要有整体式和模块式，本设计属于单机控制系统宜选用整体式PLC结构。
综上所述比较各厂家的整体式小型PLC可知，西门子系列PLC具有性价比高、抗干扰能力强、性能稳定、输入输出点数多等优点。
从上述的被控对象（变压器）的电气特性看出，这个系统几乎是对开关量进行监控。
温度模拟量及信号模拟量均有智能仪表对其监控,智能仪表的输出触点开关量进入PLC，因此PLC只需选用基本模块及通讯模块，而不需特殊模块。
接下来应确定PLC输入∕输出点数，统计可编程变压器自动化屏对变压器及配套设备的监控点数，一般输入不超过64点数，输出不超过40点。
在实际中我们选用了北京安控科技发展有限公司研制的Rock系列PLC产品：
RockE20系列PLC产品。
此产品采用先进的16位CPU，配置嵌入式实时多任务操作系统，可实现采集、运算、逻辑、定时、控制、通讯等功能，其单CPU＋扩展模块，可承载32模块，测控500个I∕O点。
以RS485或Intranet进行本地扩展，以拨号Modem或GPRS等方式进行远程扩展。
该产品采用插拨方式扩展、模块尺寸小巧，安装使用方便、维护简单，具有应用灵活、安全、可靠等特点[8]。
表3.1I/O分配表
输入
输出
符号
地址
功能描述
符号
地址
功能描述
HV1
I0.0
区域1感温探测器
YV1
Q0.0
区域1电磁阀开关
HV2
I0.1
区域1感温探测器
HL1
Q0.1
区域1报警器
HV3
I0.2
区域1感温探测器
YV2
Q0.2
区域2电磁阀开关
HA1
I0.3
区域1感烟探测器
HL2
Q0.3
区域2报警器
SB1
I0.4
区域1启动按钮
YV3
Q0.4
区域3电磁阀开关
SB2
I0.5
区域1关闭按钮
HL3
Q0.5
区域3报警器
HV4
I0.6
区域2感温探测器
KM1
Q0.6
控制1号泵启停
HV5
I0.7
区域2感温探测器
KM2
Q0.7
控制2号泵启停
HV6
I1.0
区域2感温探测器
HA2
I1.1
区域2感烟探测器
SB3
I1.2
区域2启动按钮
SB4
I1.3
区域2关闭按钮
HV7
I1.4
区域3感温探测器
HV8
I1.5
区域3感温探测器
HV9
I1.6
区域3感温探测器
HA3
I1.7
区域3感烟探测器
SB5
I2.0
区域3启动按钮
SB6
I2.1
区域3启动按钮
根据本系统的设计要求、工作环境、服务对象等方面考虑，西门子PLC完全可以满足本系统的设计要求。
现在西门子PLC有S7-200、S7-300、S7-400三个系列，其中S7-300PLC、S7-400PLC是以S7-200PLC为基础发展而来的，成本比S7-200略高，且S7-200CPU226PLC完全可以满足本系统的设计要求，所以本次设计选用西门子S7-200CPU226PLC作为本系统的控制器。
1.根据控制要求和I/O点数确定I/O分配表如表3.1。
2.根据I/O分配表画出PLC外部接线图如图3.1。
3.喷淋泵的主电路接线图如图3.2
S7-200CPU226PLC
图3.1PLC外部接线图
图3.2喷淋泵主电路图
3.2.2内存容量的选择
每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致为：
开关量输入元件：
10～20B/点；
开关量输出元件：
5～10B/点；
定时器/计数器：
2B/个；
通信接口：
一个接口一般需要300B以上。
PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。
根据经验，在选择存储容量时，一般按实际要求的10％～25％考虑裕量。
3.3电源模块的选择
3.3.1对电源的处理
电源模块的选择一般只需考虑输出电流，电流模块的额定输出电流必须大于机器模块，I/O模块等消耗电流的总和。
选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块，所有I/O模块，各种智能模块等总消耗功率之和，并预留30％的余量。
3.3.2安装布线的注意事项
电源往往是干扰进入PLC是主要途径。
PLC系统的电源有两类：
外部电源和内部电源。
外部电源用来驱动PLC输出设备（负载）和提供输入信号，又称用户电源。
同一台PLC的外部电源可能有多种。
外部电源的容量与性能由输出负载和PLC的输入电路决定。
内部电源是PLC的工作电源，既PLC内部电路的工作电源。
他的性能好坏直接影响到PLC的可靠性。
因此，为了保证PLC的正常工作，对内部电源有较高的要求。
一般PLC的内部电源采用开关式稳压电源或一次侧带低通滤波器的稳压电源。
动力部分、PLC以及I/O电源应分别配线。
系统的动力线应足够粗，以降低大容量设备启动时引起的线路压降。
PLC输入电路用外接直流电源时，最好采用稳压电源，以保证正确的输入信号，否则可能使PLC接收到错误的信号。
I/O线与动力线及其他控制线应分开走线，并保持一定距离，尽量不要在同一线槽中布线,交流线与直流线、输入线与输出线最好也分开走线。
第4章PLC控制系统的软件设计
4.1PLC程序的控制要求
系统电源接通以后，当区域1中如有一只传感器探测到火灾信号或按下启动按钮SB1，区域1的自动报警系统立即启动，灭火系统延时启动，向管理者提供火灾确认时间，如管理员在延时时间之内没有按下关闭按钮，系统将自动启动；按下关闭按钮SB2，区域1自动报警灭火系统关闭。
系统电源接通以后，当区域2中如有一只传感器探测到火灾信号或按下启动按钮SB3，区域2的自动报警系统立即启动，灭火系统延时启动，向管理者提供火灾确认时间，如管理员在延时时间之内没有按下关闭按钮，系统将自动启动；按下关闭按钮SB4，区域2自动报警灭火系统关闭。
系统电源接通以后，当区域3中如有一只传感器探测到火灾信号或按下启动按钮SB5，区域3的自动报警系统立即启动，灭火系统延时启动，向管理者提供火灾确认时间，如管理员在延时时间之内没有按下关闭按钮，系统将自动启动；按下关闭按钮SB6，区域3自动报警灭火系统关闭。
在3个自动报警灭火区域中，如有一个区域的烟雾传感器首先发现发现烟雾信号，启动了该区域的自动报警灭火系统，那么其余两个区域的烟雾传感器在探测到火灾信号后，将不能启动该区域的自动报警灭火系统，避免因烟雾扩散而引起的错误报警与灭火。
当3个自动报警灭火区域中，有一个或一个以上的自动报警区域被启动，1号喷淋泵将自动启动；当1号喷淋泵因故障停止运转时，速度继电器自动启动定时器，定时5秒后，2号喷淋泵自动启动。
当按下复位按钮SB7，系统复位，恢复到初始状态。
根据《自动报警灭火系统的设计手册》规定，自动报警灭火系统的连续工作时间不得超过1小时。
4.2介绍编程方法思路及程序流程图和梯形图
在该设计中主要采用基本位逻辑指令，中间继电器，定时器和加计数器通过一定的时序逻辑组合来完成本次的程序设计。
依据程序控制要求，自动灭火系统监控程序即为三个程序的并联组合，且三个区域的烟雾传感器互锁，这就避免了因烟雾在仓库中的扩散而引起其它区域的误报警灭火整体程序简单而不繁琐，功能网络清晰。
4.2.1程序流程图
是
否
是
否
图4.1程序流程图
4.2.2系统梯形图
在该设计中主要采用基本位逻辑指令，中间继电器，定时
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