基于PLC的火灾自动报警与消防系统的开发

程　呈

(广西大学电气工程学院,广西南宁　530004)

　　摘　要:随着石油化工生产装置建设越来越多,易燃易爆化学产品引发的火灾时有发生。为了保证石化生产装置安全可靠,应用功能齐全、可靠的自动报警与消防系统进行集中管理和控制是很有必要的。以P LC为核心控制器的火灾自动报警与消防系统为例,介绍了其设计思路、火灾自动报警与消防系统的组成及工作原理、联动控制系统的硬件布置及软件编程。

关键词:火灾报警;自动报警;消防;P LC;自动化控制系统

中图分类号:TP277　　文献标识码:B　　文章编号:1009-1904(2009)06-0043-03

　　化工生产装置多为易燃易爆场所,一旦发生火灾,人员疏散和扑救都十分困难,人员伤亡和财产损失更为严重。因此,为了保证石油化工生产装置安全可靠,避免造成人员伤亡和财产损失,必须应用稳定、可靠的火灾自动报警与消防系统进行联锁控制。该系统是以被监测的各类建筑物或场所为警戒对象,通过自动化手段实现早期火灾探测、火灾自动报警和消防设备联动控制的自动消防系统。基于P LC (Pr ogra mmable Logic Contr oller,可编程逻辑控制器)的火灾自动报警与消防系统,以P LC为核心控制器,具有安全性高、稳定性好及灵活性强等特点。

1　系统设计思路

笔者所述的火灾自动报警与消防系统是以现代楼宇建筑火灾自动报警系统为研究背景,以Sie mens S7-200为硬件基础,以南京某化工厂生产单元(一栋三层楼房和一个化学品仓库)为研究对象,按照现代石油化工企业对火灾报警系统的具体要求对其进行设计开发。

1.1　设计目的和原则

设计目的:为了及早发现和通报火灾,防止和减少火灾危害,保护人身和财产安全。

设计原则:安全可靠,实用方便,技术先进,经济合理。

1.2　设计要求

1、控制消防设备的启、停,并显示其工作状态。

2、消防水泵、防烟和排烟风机的启、停,除自动控制外,还能手动直接控制。

3、显示保护对象的重点部位、疏散通道及消防设备所在位置的平面图或模拟图等。

4、显示系统供电源的工作状态。

5、当有火情时能及时准确地发出火警信号,并显示火情发生的地点。

6、及时切断有关部位非消防电源,接通报警装置及火灾应急照明灯和疏散标志灯。

7、经查实确认火情后,立即启动消防系统灭火和排烟。

8、及时通报消防队救火,并通告火灾区域内人员,从安全通道疏散。

2　系统组成及工作原理

2.1　火灾自动报警系统

火灾自动报警系统一般由火灾探测器、火灾报警器以及相应的信号指示灯、排烟系统、灭火系统等四部分组成。

火灾探测器的工作原理:火灾发生时必然会产生烟雾、火焰或高温,探测器对这些现象都很敏感;当其探测到这些现象时就会改变工作状态,使电流、电压或机械部分发生变化或位移,再通过信号放大与传输等过程,向消防中控室发出火灾信号。

笔者所述的消防系统采用的是离子感烟探测器,它主要是利用烟雾粒子改变电离室电流原理而设计的火灾探测器。探测器内部装有α放射源的电离室为传感器件,现今使用大多为单源双室结构(补偿室和测量室),再配上相应的电子电路或CP U 芯片所构成。

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2009年第6期　　　　　　　　　

硫磷设计与粉体工程

S P&BMH RE LATE D E NGI N EER I N G

火灾报警器、相应的信号指示灯及排烟系统位于各楼层和控制室。在易燃易爆区设置本安型感烟探测器,当探测到火情时,相应器件电路接通并指示。中控室根据发送火灾信号的报警探测器所在的位置获取火灾发生的地点,同时通过火灾报警控制器启动警报装置,告诫现场人员投入灭火战斗或从火灾现场应急疏散;启动断电控制装置、防排烟设备、防火门、防火卷帘、消防电梯、火灾应急照明、消防电话等减灾装置,防止火灾蔓延、控制火势和求助消防部门支援;启动消火栓、水喷淋、水幕及气体灭火系统装置,及时扑灭火灾,减小火灾损失。

水灭火系统由喷头、阀门、检验与报警装置(报警阀、控制阀、水力警铃、系统检验装置和压力表组成)、监测装置和管道组成。本设计重在模拟过程,可采用雨淋喷水灭火系统,保持供水管道一直有水,不必使用水泵、压力表、水力警铃等器件。2.2　消防联动控制2.2.1　消防联动控制设备的组成火灾自动报警与联动系统装置包括:①火灾探测(感烟器);②排烟系统;③火灾事故广播系统;④灭火系统(用电磁阀模拟)。

消防联动包括检测监视、控制和执行三个部分。本系统的监视设备为感烟器;P LC 作为控制设备;电磁阀、排烟系统、火灾事故广播等为执行元件。消防联动在整个系统中占有重要的地位,当探测器探测到火灾信号并发送至报警控制中心,经主机分析确认后,向联动设备发出信号。联动设备(执行元件)收到信号立即接通广播系统,提醒人员从安全通道疏散,同时启动灭火设备扑救火灾,启动排烟设备阻止火灾蔓延。2.2.2　消防联动控制系统的工作原理

该系统是针对一栋三层楼房和一个化学品库的消防安全设计的火灾自动报警与联动系统。每个楼层均安装排烟系统、语音广播系统、安全疏散指示灯(牌);室内每一个房间都安装有火灾探测器、灭火用的消火栓(系统中消火栓用电磁阀代替)。化学品库内安装本安型感烟探测器、本安型指示灯和本安型手动报警按钮。监控室内有相应的信号指示灯,绿灯亮表示正常情况(正常供电和照明)。消防联动控制系统的工作原理见图1。

当有火灾情况发生时,火灾探测器把探测到的信号发送到P LC 控制中心,如果现场人员发现火灾也可按下手动报警按钮。控制中心确认事件的真实性后立即启动消防系统。

这时火灾区域相应的红色

图1　消防联动控制系统的控制原理示意

指示灯亮,广播系统播放火灾地点,并通知该区域的

人员从安全通道疏散,接着启动排烟系统、打开消火栓灭火。灭火完成后按下复位按钮,系统便恢复正常供电照明。

3　控制系统的硬件布置及软件编程

3.1　硬件布置

本工程的化学生产单元由一座办公楼和一个化学品仓库组成。办公楼共分三层8个房间,总面积约为300m 2

,其中一层有2个房间,二层和三层各3

个房间,每个房间面积在20m 2

左右。依据《火灾自动报警系统设计规范》,每房间设置两个喷淋装置,走廊每7m 设置一个喷淋装置;化学品仓库长30m 、

宽13m 、高5m ,占地约400m 2

,该仓库仅为一层,主要存放催化剂,属于甲类仓库,单独设为一个防火区。仓库内共安装4个本安型声光报警器、4个本安型手动报警器以及12个本安型感烟器。

控制中心主要采用西门子公司为小型控制系统而制造的Sie mens S7-200P LC,它以质量可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用技术成熟等优点在工业控制中得到广泛的应用。该系列P LC 是超小型化的P LC,它适用于各行各业,各种场合中的自动检测、监控等。Sie mens S7-200P LC 的强大功能使其无论单机运行,或连成网络都能实现复杂的控制功能。

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44・硫磷设计与粉体工程

S P &B MH RE LATE D E NGI N EER I N G

2009年第6期

3.2　软件编程

消防联动控制系统使用STEP 7编程软件进行

程序编辑和硬件设置,与P LC 之间的通信连接使用了力控软件。STEP 7是用于Sie mens S7-200可编程逻辑控制程序的标准软件。它们支持自动化项目创建过程的各个阶段,如建立和管理项目、对硬件和通信组态及参数赋值、管理符号、创建程序、下载程序到P LC 、测试自动化系统和诊断设备故障等。STEP7编程具有其自身的特点,在编程之前需要在

符号表中对所有输入输出的全局变量进行定义,使程序具有可读性。其中包括:I/O 地址、数据块命名、注释等。

设计主要采用P I D (Pr oporti on I ntegrati on D iffer 2entiati on,即比例积分微分)控制系统来实现报警、喷水,通过变频器输入信号来控制送风。总的来说,实现了现场设备的实时、准确报警和可靠的联动控制。实践表明,系统可靠性高、灵活性强。

编好后的程序通过RS485串口线下载到P LC 。设置状态开关,使P LC 处于RUN (运行)状态。当感烟探测器探测到烟雾信号便反馈给P LC,P LC 的输出端即驱动执行元件执行各自的任务。利用力控软件与P LC 通信可观察现场系统的动作情况。3.3　力控软件的系统组态利用力控软件按照系统要求进行界面组态,系统界面分为两个部分:主控界面与消防控制界面组态,其中消防控制界面如图2所示

。

图2　消防控制界面示意

在主控界面上可以看出,总共三层楼,每层楼均设置有手动报警开关、感烟探测器、排烟机、报警灯

和疏散指示灯、复位按钮。

在三维力控组态软件与西门子S7-200P LC 的硬件连接中,用编程电缆直接连到P LC 的串口,中间不必使用其他通信设备。组态上的通信协议可以直接选择PP I (Point t o Point I nterface )协议,也可以使用OPC (OLE f or Pr ocess Contr ol )标准。

4　系统运行结果

当监控的现场发生火灾或者按下手动报警按钮时,火灾广播系统发出报警声,相应楼层指示灯亮,排烟机开动,电磁阀打开使消火栓洒水灭火。操作员可以在力控界面看到系统各部件的动作情况,并可通过力控组态界面对火灾发生后的处理工作做出相应的操作。如发现火灾报警动作为误操作,或灾情处理完成则可以按下复位按钮,恢复所有元件初始状态。

本系统的开发是一个设计性的课题,最终目的是设计出的火灾自动报警与联动系统能实时、准确报警,并可靠地联动消防控制,对系统设备进行监控、调试。从最后的运行结果来看已经基本达到了最初的设计目标。

如果将系统的核心控制器改用单片机,也同样能够很好地达到最终的目标和要求。由于时间和精力所限,以单片机为核心控制器的系统仅进行了硬件仿真[限于仿真条件,仅用LE D (发光二极管)的亮灭代替相应的信号]。结果所编控制程序通过,状态良好。

通过比较,很容易发现在编程方面用P LC 方便许多。这主要是因为P LC 的编程可以用可视化较强的梯形图来进行,而且非常方便进行并行处理;而用单片机的编程软件KE I L 编程时,在处理并行问题上稍显麻烦,需要用到中断。不过在经济性方面单片机会比较经济,一台51系列或者是96系列的单片机只需用100～200元,而一台P LC 就比较贵了。另外,在系统的设计与开发过程中,有时遇到例如P LC 死机等这类意想不到的问题,往往都是由于操作过程中的疏忽所致,比如电缆的损坏、电源的干扰和故障、原程序触发了死循环甚至数据溢出、步长过大等。因此,理论上的成功不代表实践的成功,这也是系统实际应用时需注意的问题。

作者简介:程　呈(1988-),男,广东中山人,就读于广西大学

电气工程学院自动化专业。

(收稿日期:2009-09-10)

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54・2009年第6期

程　呈1基于P LC 的火灾自动报警与消防系统的开发

　B i m onthly Total No.93,No.62009;Published on Nov.30,2009ABSTRACTS 　　　　　　　(I nitial Issue in Dec.of1991)

C h in a’s M a gn e s ium2b a se d R e sou rce s a n d F lu e G a s

D e su lfu r iza t ion b y M a gn e s ium O x id e

GUO Ru2xi n(Tianjin Soda Plant,Tianjin300450,China)

Abstract:　The overview of China’s magnesiu m2based res ources and status of flue gas desulfurizati on by magnesiu m oxide are com2 mented on.Magnesiu m2based res ources include magnesite,brucite,hydr omagnesite,dol om ite,salt lake brine,bitter brine as byp r oduct fr om salt p r oducti on using sea water,as well as the p ri m ary sludge fr om a mmonia2s oda industry,and boric sludge as byp r oduct fr om p r o2 cessing of bor on and magnesiu m ore.D ifferent magnesiu m agents are used in the flue gas desulfurizati on by magnesiu m oxide,including synthesis method magnesiu m hydr oxide,magnesite,brucite and light calcined magnesiu m oxide.App licati on p r os pect is forecast f or ap2 p licati on of different types of flue gas desulfurizing magnesiu m2based agents.

Key words:　flue gas desulfurizati on+magnesiu m method;desulfurizing agent;magnesiu m2based res ource;overvie w

A p p lica t ion of A m m on ia D e su lfu r iza t ion in Ta ilga s T re a tm e n t of a S u lfu r2b u rn in g S u lfu r ic A c id P la n t

WANG J i a2m i ng(Sichuan Che m icalWorksL td.,Chengdu610301,China)

Abstract:　The a mmonia desulfurizati on is a conventi onal p r ocess a mong l ow concentrati on S O2flue gas desulfurizati on p r ocesses.It u2 ses liquid ammonia or a mmonia as the abs orbent.It offers features like high desulfurizati on efficiency,free of envir on mental polluti on, l ow operating cost,high value of byp r oducts.It can fully utilize the abundant liquid a mmonia res ource in China.And apart fr om desulfu2 rizati on,it als o p r oduces agricultural sulfate fertilizers and fine che m icals as byp r oducts,which have huge market de mand.The basic p rinci p les,p r ocess fl ow,main equi pment and p r oducti on app licati on effect of using wet type three2stage a mmonia desulfurizati on technol2 ogy t o treat tailgas fr om a large2sized ne w sulfur2burning sulfuric acid p r oducti on p lant,with byp r oduct s olid a mmoniu m sulfite,are intr o2 duced.It is als o pointed out that there is a wide app licati on p r os pect t o use a mmonia desulfurizati on in lieu of conventi onal calciu m des2 ulfurizati on.

Key words:　tailgas fr om acid p r oducti on;a mmonia desulfurizati on;p rinci p le;p r ocess;app licati on

C le a n P rod u c t ion Te ch n o logy in th e P u r if ica t ion S e c t ion of S om e S u lfu r ic A c id P la n t

DUAN F u2ga ng(Compound Fertilizer Plant of Huashan Che m ical I ndustry Gr oup Co.,L td.,Huaxian714100,China) Abstract:　W ith the p r oducti on p ractice by the Co mpound Fertilizer Plant of Huashan Che m ical I ndustry Gr oup Co.,L td.,the clean p r oducti on technol ogy used in the purificati on secti on of a sulfuric acid p lant is outlined,which mainly include the foll owing f our ite m s: change of effluent p r ocess of the degassing colu mn,and use of p late type heat exchanger t o rep lace the inter mediate cooler,use of CN filter t o rep lace Gore filter,and use of all red effluent containing high sludge in the purificati on secti on f or the p r oducti on of wet2p r ocess phos phoric acid.Its operating effect and benefit is als o analyzed and evaluated.

Key words:　sulfuric acid p r oducti on;purificati on secti on;effluent treat m ent;recovery and utilizati on;effect

Te ch n ica l A n a lys is of S ta r t2up P roce ss of a S u lfu r2b u rn in g S u lfu r ic A c id P rod u c t ion P la n t WANG Ge ng2ya(Operati on Depart m ent of Sinopec Nanjing Che m ical I ndustrial Co.,L td.,Nanjing210048,China) Abstract:　The key of the start2up technol ogy f or sulfur2burning sulfuric acid p r oducti on p lant is the te mperature rise of the conversi on syste m,which als o includes boiler dry2out boiling out,sulfur s p ray,p re2saturati on of vanadiu m catalyst and operati on,etc.The methods f or p r oducing the hot air required by the te mperature rise of the conversi on syste m,and their advantages and disadvantages are intr o2 duced.W ith considerati on of the ti m e required f or the p lant start2up,cost,and stable operati on,auxiliary te mperature rise method is rec2 ommended.Operating experiences are als o intr oduced,such as the operati on of dry2out and boiling out,deter m inati on of sulfur s p ray ti m e,contr ol of sulfur s p ray quantity,p re2saturati on of new catalyst and operati on,as well as secondary cleaning of the dry abs orber.It is considered that such operating experiences offer str ong app licability.

Key words:　sulfuric acid p r oducti on;sulfur2burning sulfuric acid p r oducti on p lant;start2up p r ocess;experience su mmary

D e ve lopm e n t of PL C2b a se d A u tom a t ic F ire A la rm a n d F ire F igh t S ys tem

CHE NG Cheng(Electrical Engineering School of Guangxi University,Nanning530004,China)

Abstract:　W ith increased constructi on of petr oche m ical p r oducti on p lants,fire caused by fla mmable and exp l osive che m icals often oc2 curs.To ensure safety and reliability of the petr oche m ical p r oducti on p lant,it is necessary t o have centralized manage ment and contr ol u2 sing an aut omatic alar m and fire fighting syste m with comp lete and reliable functi ons.Based an aut omatic fire alar m and fire fighting sys2 te m using a P LC as the core contr oller,its design phil os ophy,compositi on and working p rinci p le of the aut omatic fire alar m and fire fighting syste m,hard ware confir mati on and s oft w are p r ogra mm ing of the interl ock contr ol syste m is intr oduced.

Key words:　fire alar m;aut omatic alar m;fire fighting;p r ogra mmable l ogic contr oller;aut omatic contr ol syste m