魏立明,田益名,楊 坤,郭秀娟

(1.吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機學(xué)院,吉林 長春 130118;2.吉林建筑大學(xué)藝科建創(chuàng)意中心，吉林 長春 130118)

近年來，隨著我國建筑智能化程度的發(fā)展和不斷加深,由于電氣線路及電氣設(shè)備所造成的電氣火災(zāi)也在逐年上升，據(jù)統(tǒng)計電氣火災(zāi)已經(jīng)成為各類火災(zāi)發(fā)生之首[1-2].現(xiàn)有電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的信息共享系統(tǒng)還不成熟，各系統(tǒng)彼此獨立，當(dāng)出現(xiàn)電氣火災(zāi)險情時，由于人為因素，電氣火災(zāi)預(yù)警能力就會降低，這就可能造成電氣火災(zāi)安全事故[3].本文針對此種情況,設(shè)計了基于PLC的建筑配電火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng).

1 方案設(shè)計

本設(shè)計中現(xiàn)場主控單元采用西門子PLC S7-300系列.當(dāng)有電氣火災(zāi)信號出現(xiàn)時，系統(tǒng)通過溫度、煙霧等傳感器探測系統(tǒng)判斷是否有險情出現(xiàn)，一旦有險情出現(xiàn)，信號將傳遞給PLC，經(jīng)PLC處理后，傳遞給上位機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，此時電腦會顯示電氣火災(zāi)信號出現(xiàn)的位置.[3-4]而當(dāng)火災(zāi)信號出現(xiàn)并被檢測到以后，將立即報警，一方面蜂鳴聲、指示燈亮等信號提醒人們有險情發(fā)生；另一方面控制室觀測到有險情出現(xiàn)，立即查看是否有故障發(fā)生并做相應(yīng)處理.此外，樓道上方也將安裝人體紅外感應(yīng)裝置，當(dāng)有電氣火災(zāi)信號時，平時處于休眠狀態(tài)人體紅外感應(yīng)器將自啟動，探測出人員的位置，同時通過網(wǎng)絡(luò)將顯示位置的組態(tài)界面實時傳遞到相應(yīng)設(shè)備上.圖1為系統(tǒng)流程圖.在信息傳遞方面，由于本次采用的PLC為西門子313C，雖然具有MPI協(xié)議功能，但沒有現(xiàn)成的以太網(wǎng)接口.因此，本文選取EHT-MPI轉(zhuǎn)換器，將PLC的MPI協(xié)議轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)協(xié)議，然后通過建筑網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將PLC、觸摸屏和電腦相連接，構(gòu)成一個以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息的無障礙傳遞.而電腦則通過組態(tài)軟件則更好的監(jiān)控整個系統(tǒng)，觸摸屏有助于安裝調(diào)試和定期維護設(shè)備，能很好預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生.圖2為系統(tǒng)總體框圖.該系統(tǒng)還可以根據(jù)實時溫度進行數(shù)據(jù)分析，若溫度變化異常，系統(tǒng)會進行預(yù)報警，提前提醒觀測人員，觀測人員可調(diào)出預(yù)報警處監(jiān)控系統(tǒng)，檢測是否有異常狀況發(fā)生.

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2 下位機系統(tǒng)硬件選型及程序設(shè)計

硬件是系統(tǒng)控制的重要組成部分，本設(shè)計的現(xiàn)場主控采用西門子S7-300 PLC.包括機架、電源(PS)、中央處理器(CPU)、數(shù)字量擴展模塊(SM321/SM322)、觸摸屏、MPI編程線纜、MPI轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊、溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器等硬件的選型和參數(shù)介紹.表1為電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)硬件選型清單.本文在下位機及編程軟件方面，采用step7作為編程軟件[5-12].圖3為PLC的所有程序塊，其中OB1塊為主程序，下面嵌套了三層：第一層是FC1，為監(jiān)控模塊，上面顯示了所有IO點.當(dāng)程序發(fā)生故障時，可以通過監(jiān)控FC1塊來迅速判斷是哪個IO點出了問題，并到對應(yīng)的程序塊進行查找并修復(fù).第二層為FC2，塊里放置了啟動與停止程序及FB1塊到FB5塊，同時還有啟動與停止程序.第三層為FB1到FB5，其中FB1塊為電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)；FB2塊為溫度、煙霧等測量，用FC105來測量溫度；FB3塊為一樓指示燈系統(tǒng)；FB4塊為紅外探測系統(tǒng)；FB5塊為溫度等歷史數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).DB1塊到DB5塊分別為FB1塊到FB5塊所對應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊.

表1 電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)硬件選型清單

圖3 PLC程序塊

為達(dá)到預(yù)防電氣火災(zāi)的目的，本文針對電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的特點，對溫度、煙霧、漏電流等故障點進行監(jiān)測和程序編寫.以溫度監(jiān)測為例，當(dāng)系統(tǒng)運行時，把溫度所設(shè)定的報警值傳給上位機，PLC設(shè)定初始溫度，放在OB100里，并且可以通過上位機來進行修改，當(dāng)PLC重新上電時溫度報警值會重新恢復(fù)到PLC的初始溫度報警值.同時通過變送器把4～20 mA電流信號給PLC通過FC105轉(zhuǎn)換成實數(shù)再轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)傳送到組態(tài)和觸摸屏上進行顯示和監(jiān)控.圖4為溫度值監(jiān)測程序，圖5所示為故障點的部分程序設(shè)計.

圖4 溫度值監(jiān)測程序

圖5 故障點部分報警程序

3 上位機仿真設(shè)計

本文選用組態(tài)王6.55軟件完成對電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)上位機的仿真設(shè)計.由于該軟件自帶圖庫，并且根據(jù)不同用戶需求能加載更多的圖形，所以在圖形調(diào)用、函數(shù)選取和畫面設(shè)計方面相對快捷.本設(shè)計對上位機組態(tài)界面的設(shè)計主要分為9個主要界面的設(shè)計.圖6為菜單主界面，該頁面包括：火災(zāi)預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)、房間監(jiān)控、環(huán)境控制界面、電源控制界面、供電監(jiān)視界面、報表界面、報警信息窗口、歷史監(jiān)控曲線、連接數(shù)據(jù)庫界面和退出等10個界面.系統(tǒng)登錄后，點擊不同按鈕，會轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的頁面.

圖6 菜單主界面

本設(shè)計以吉林建筑大學(xué)學(xué)校實驗樓一層為模型，根據(jù)數(shù)據(jù)分析當(dāng)線路或用電設(shè)備的溫度在一段時間內(nèi)連續(xù)上升與以往正常數(shù)據(jù)不符時，系統(tǒng)會產(chǎn)生預(yù)報警，藍(lán)色指示燈進行閃爍.頁面自動切換到報警房間所在樓層的平面圖，以便觀察哪個房間產(chǎn)生報警.同時產(chǎn)生報警聲提示控制室觀測人員，直到點擊停止報警.此時觀測人員可調(diào)出該房間的監(jiān)控系統(tǒng)，觀測是否有火災(zāi)發(fā)生.圖7為一樓平面預(yù)報警圖，當(dāng)樓層預(yù)報警后，藍(lán)色燈閃爍.此時，觀測人員點擊房間B111，就會直接進入環(huán)境監(jiān)控界面，進而查看房間B111的各參數(shù)報警指標(biāo)是否異常.

當(dāng)PLC上電后，啟動主電源(只有在應(yīng)急電源啟動后主電源才會關(guān)閉).系統(tǒng)運行，這時會進行溫度等測量，并傳到組態(tài)和觸摸屏上進行顯示，通過組態(tài)進行監(jiān)控,圖8為環(huán)境監(jiān)控界面.當(dāng)線路或用電設(shè)備的溫度等值在額定值工作時，系統(tǒng)正常監(jiān)控，不進行報警.此時的系統(tǒng)正常，綠燈亮；當(dāng)系統(tǒng)的煙霧濃度值異常，紅色燈亮，提醒控制室人員煙霧濃度異常.此外，對房間變電箱漏電流進行監(jiān)控報警設(shè)計，圖9為供電監(jiān)視界面.

圖7 一樓預(yù)報警平面圖

圖8 環(huán)境監(jiān)控界面

圖9 供電監(jiān)視界面

模擬真實環(huán)境漏電流漏電現(xiàn)象，紅燈亮起，表示漏電流異常，監(jiān)控界面自動跳入報警房間電源監(jiān)控界面并報警.通過以上實測，進一步驗證了本文設(shè)計的電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)在火災(zāi)沒發(fā)生或火災(zāi)初期具有針對性的預(yù)防作用，而且能從源頭上控制電氣火災(zāi)隱患，為人員疏散、財產(chǎn)搶救和避免重特大火災(zāi)事故的發(fā)生提供了保障，真正做到從“消”到“防”的轉(zhuǎn)變.

4 結(jié) 論

本文以建筑電氣配電電氣火災(zāi)預(yù)警問題為對象，設(shè)計了基于PLC的建筑電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，詳細(xì)地說明了系統(tǒng)的總體方案，對下位機和上位機從軟件程序到硬件選型進行了詳細(xì)地闡述，為建筑電氣行業(yè)中的火災(zāi)預(yù)警提供了理論參考和實用借鑒.