基于PLC和MCGS的地下車庫火災(zāi)報警與滅火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金仁貴 沈 杰 朱 俊

（1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，安徽 合肥 230422；2.銅陵市科學(xué)技術(shù)局，安徽 銅陵 244000）

基于PLC和MCGS的地下車庫火災(zāi)報警與滅火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金仁貴1沈 杰1朱 俊2

（1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，安徽 合肥 230422；2.銅陵市科學(xué)技術(shù)局，安徽 銅陵 244000）

隨著家用轎車的日益普及，地下車庫已經(jīng)成為小區(qū)不可缺少的一部分，在地下車庫設(shè)置火災(zāi)報警和滅火控制系統(tǒng)，可以在火災(zāi)初期起到有效的預(yù)警，并在火災(zāi)發(fā)生后第一時間控制火勢，撲滅火源。詳細(xì)介紹了基于三菱FX2N系列PLC的火災(zāi)報警和滅火控制系統(tǒng)，給出了具體的硬件組成和梯形圖程序，并結(jié)合MCGS開發(fā)了更人性化的人機(jī)交互界面，方便控制室人員進(jìn)行操作。

火災(zāi)報警和滅火控制系統(tǒng)；PLC；MCGS；人機(jī)交互界面

隨著社會的快速發(fā)展，居民收入水平的提高，家用汽車已經(jīng)成為生活必需品。無論是居民小區(qū)還是大型商場，都必須配備地下車庫。而地下車庫一旦發(fā)生火災(zāi)，必然會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐扇藛T傷亡。正因?yàn)槿绱耍诘叵萝噹煸O(shè)置火災(zāi)報警和自動滅火控制系統(tǒng)就非常必要。

早期的火災(zāi)報警控制系統(tǒng)存在著反應(yīng)速度慢、控制精度低等缺點(diǎn)[1]，而基于PLC的火災(zāi)報警和滅火控制系統(tǒng)以PLC為核心控制器，并結(jié)合MCGS設(shè)計(jì)了更加人性化的人機(jī)交互界面，使得整個系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，并且易于操作。

一、系統(tǒng)概述

（一）設(shè)計(jì)思路

由于地下車庫規(guī)模較大，在進(jìn)行防火設(shè)計(jì)時，應(yīng)分區(qū)域進(jìn)行管理，即把地下車庫按照傳感器的感應(yīng)范圍分成若干個區(qū)域，在每個區(qū)域都要安裝傳感器和噴頭。

下面針對一個區(qū)域進(jìn)行說明，當(dāng)煙霧傳感器和溫度傳感器都動作時，系統(tǒng)認(rèn)為發(fā)生了火災(zāi)，此時應(yīng)立即發(fā)出報警信號（報警燈和蜂鳴器），同時打開逃生門，放下地下車庫入口處欄桿，升起出口處欄桿。在經(jīng)過短暫的延時后，打開該區(qū)域的噴頭開始噴水滅火。當(dāng)煙霧傳感器和溫度傳感器都恢復(fù)初始狀態(tài)后，則認(rèn)為火災(zāi)被撲滅，此時應(yīng)停止報警，關(guān)閉噴頭。同時為了防止由于傳感器故障或其他原因使得自動報警和滅火程序不能運(yùn)行，還特別設(shè)置了手動控制程序，可以在控制室里通過人機(jī)交互界面來進(jìn)行手動控制，通過手動按鈕來發(fā)出報警信號，打開噴頭進(jìn)行滅火。

（二）工作原理

本系統(tǒng)由各種傳感器，PLC，電磁閥，電機(jī)，連接線路等硬件設(shè)備和相關(guān)設(shè)計(jì)軟件組成，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此可以考慮采用分層的思路來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，可以將車庫報警系統(tǒng)分成3個層次。最上層為監(jiān)控層，主要由PC機(jī)和監(jiān)控界面組成。通過監(jiān)控界面監(jiān)控所在區(qū)域的情況，并通過對煙霧的濃度和區(qū)域的溫度進(jìn)行實(shí)時檢測并將信號實(shí)時傳送給PLC。煙霧傳感器和溫度傳感器一旦動作，產(chǎn)生報警數(shù)據(jù)并傳送至控制層?？紤]到現(xiàn)實(shí)中實(shí)際情況，增加火情的人工發(fā)現(xiàn)模塊，一旦人為發(fā)現(xiàn)火情，可以通過按下緊急按鈕來發(fā)出報警信號?？刂茖訛橄到y(tǒng)中間層，該層由PLC構(gòu)成。控制軟件采用FXGP-WIN編程軟件設(shè)計(jì)，輸入信號送至控制層后，由PLC接收并處理后可以傳遞至PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與交互，也可直接生成控制信號，驅(qū)動電磁閥和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)最下面為執(zhí)行層，主要由電磁閥和電機(jī)構(gòu)成，為了響應(yīng)控制層的動作請求，實(shí)現(xiàn)實(shí)際的物理操作，比如打開報警燈光，發(fā)出報警聲音，水龍頭噴水，驅(qū)動電機(jī)開始排煙、打開卷閘門、升起或降下車庫欄桿等，該層要求有較快的響應(yīng)速度。

系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

二、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件主要包括傳感器檢測與轉(zhuǎn)換電路、PLC的輸入輸出接口電路，負(fù)載的驅(qū)動電路等，下面主要介紹PLC的輸入輸出接口電路。

（一）PLC和MCGS簡介

1.三菱FX2N系列PLC簡介

FX2N系列PLC是日本三菱公司推出的高性能小型可編程控制器，就目前來說，F(xiàn)X2N系列PLC是PLC家族里比較先進(jìn)的型號，也是三菱PLC里最先進(jìn)的型號之一[2]。具有系統(tǒng)配置靈活、型號多樣、性能穩(wěn)定、易于擴(kuò)展、編程簡單等特點(diǎn)，該系列PLC被廣泛應(yīng)用在自動化控制中。本設(shè)計(jì)所選用的PLC型號為FX2N-48MR。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2.組態(tài)軟件MCGS簡介

組態(tài)技術(shù)是伴隨工控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展形成的，其可以在監(jiān)控層級別上快速采集數(shù)據(jù)，生成監(jiān)控界面，并發(fā)送控制指令。其解決了手工編寫HMI軟件時效率低下，可靠性差，無法拓展升級等問題[3]。常用的組態(tài)有Intouch，Wincc，組態(tài)王，MCGS，三維力控等。本文采用MCGS組態(tài)軟件潛入版進(jìn)行系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。MCGS通過OPC與各種型號的硬件設(shè)備連接，通過DDE（Dynamic Data Exchange動態(tài)數(shù)據(jù)交換）與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。在軟件設(shè)計(jì)中，MCGS自帶的豐富的元件對象庫可以滿足大部分應(yīng)用系統(tǒng)的需求，對于系統(tǒng)控制中的復(fù)雜流程，可以通過自帶類VBA語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，從而滿足多樣性的需求。

（二）PLC硬件接線圖

該系統(tǒng)的輸入信號主要有數(shù)字式煙霧和溫度傳感器，自動和手動檔位開關(guān)及其他各種按鈕，驅(qū)動的負(fù)載有報警燈、蜂鳴器、電磁閥以及各種電機(jī)。具體的PLC輸入輸出接線圖如圖2。

三、軟件設(shè)計(jì)

本文中PLC程序全部使用FXGPWIN軟件設(shè)計(jì)，并且使用三菱公司的FXTRAINER仿真軟件完成調(diào)試，人機(jī)交互界面采用組態(tài)軟件MCGS進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個PLC程序分成三個部分：初始化程序、手動控制程序、自動控制程序。

（一）初始化程序和手動控制程序

初始化程序主要完成IST指令的設(shè)置和輸入信號的處理，手動控制程序主要完成對報警信號和噴頭的手動控制。

圖2 PLC硬件接線圖

1.初始化程序說明

通過M8000設(shè)置原點(diǎn)位置條件繼電器M8044的狀態(tài)并完成IST指令的設(shè)置。在使用IST指令時，由于本系統(tǒng)只使用了手動控制開關(guān)、原點(diǎn)開關(guān)、單步運(yùn)行開關(guān)、單周期運(yùn)行開關(guān)、自動連續(xù)運(yùn)行開關(guān)、回原點(diǎn)啟動按鈕、自動啟動按鈕和停止按鈕中的四個，這就需要對輸入信號使用輔助繼電器重新排序，用到的開關(guān)和按鈕用對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)驅(qū)動相應(yīng)的輔助繼電器，沒有用到的開關(guān)和按鈕則使用M8000的常閉觸點(diǎn)來驅(qū)動相應(yīng)的輔助繼電器。

2.手動控制程序

為了防止傳感器或其他電路出現(xiàn)故障而影響火災(zāi)的報警和滅火，本系統(tǒng)里設(shè)置了手動控制程序。

如果監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)了火災(zāi)而傳感器沒有動作，則在人機(jī)交互界面上立即將控制方式檔位開關(guān)由自動控制切換為手動控制，通過人機(jī)交互界面上的四個手動按鈕來發(fā)出報警信號和打開噴頭進(jìn)行滅火操作。即通過手動報警按鈕（X10）來驅(qū)動報警燈和蜂鳴器來發(fā)出報警信號，通過手動滅火按鈕（X12）來打開噴頭進(jìn)行滅火，結(jié)束后通過手動停止按鈕（X11和X13）來結(jié)束報警和滅火。具體程序如圖3。

（二）自動控制程序

自動控制程序就是PLC根據(jù)從現(xiàn)場采集的傳感器信號自動完成報警和滅火控制。人機(jī)交互界面上的控制模式檔位開關(guān)打在自動控制上，當(dāng)煙霧傳感器（X0）和溫度傳感器（X1）都動作以后，即進(jìn)入自動控制程序，首先發(fā)出報警信號并打開排煙機(jī)，延遲5秒后打開噴頭進(jìn)行滅火，并降下車庫入口處欄桿禁止車輛駛?cè)氩⑸疖噹斐隹谔帣跅U，打開逃生門。當(dāng)煙霧傳感器和溫度傳感器復(fù)位后意味著火災(zāi)被撲滅，則自動斷開報警，關(guān)閉電磁閥和電機(jī)，回到初始狀態(tài)S2。具體程序如圖4所示：

圖3 初始化和手動控制程序

圖4 自動控制程序

（三）人機(jī)交互界面

1.通信及數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

由傳感器采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)化傳至PLC后。添加硬件驅(qū)動并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，主要為串口父設(shè)備屬性中設(shè)置COM波特率為9600kbps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，偶校驗(yàn),采集周期為200ms。通過RS-232接口送至上位機(jī)MCGS程序，MCGS讀取PLC中各種寄存器狀態(tài)，并將具體參數(shù)與交互界面的動作進(jìn)行綁定，生成組態(tài)數(shù)據(jù)庫。PC機(jī)作為上位機(jī)，運(yùn)行MCGS組態(tài)軟件，是顯示和控制的平臺[4]。

2.軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，人機(jī)交互界面需要設(shè)計(jì)主監(jiān)控界面，子區(qū)域監(jiān)控界面，報警窗口，手動控制四個部分，以對車庫現(xiàn)場的火災(zāi)情況進(jìn)行實(shí)時掌控，窗口之間可自由切換。未發(fā)生緊急狀況時，可通過人機(jī)交互界面中的動畫效果及狀態(tài)指示燈查看各區(qū)域的實(shí)時情況。在組態(tài)中要實(shí)現(xiàn)畫面模擬，報警指示燈，報警蜂鳴器等狀態(tài)顯示，各種閥與電機(jī)的狀態(tài)檢測?；馂?zāi)發(fā)生時，除監(jiān)控外，還需要能夠發(fā)送各種操作指令，通過下位機(jī)驅(qū)動控制電路打開消防設(shè)備。這里給出1#區(qū)域的監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)界面。人機(jī)交互界面如圖5所示：

圖5 人機(jī)交互界面

軟件界面設(shè)計(jì)了手動控制和自動控制開關(guān)，在自動控制模式下，添加若干指示燈顯示區(qū)域狀態(tài)，一旦有報警信號被采集并送至本軟件，報警燈亮紅色，并閃爍，若水充足，則電磁閥打開，指示燈亮，噴水。這里需要在組態(tài)中設(shè)計(jì)動態(tài)數(shù)據(jù)庫，并與PLC傳送來的信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成數(shù)據(jù)字典。在程序設(shè)計(jì)時，只需要采用組態(tài)中的數(shù)據(jù)對象即可。大大增加了程序的可讀性。

程序設(shè)計(jì)可以在循環(huán)策略中編寫，循環(huán)時間設(shè)為500ms，當(dāng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)完成并將界面中的控件關(guān)聯(lián)合適的數(shù)據(jù)對象后，開始添加代碼。這里給出系統(tǒng)自動控制的部分響應(yīng)代碼。

四、總結(jié)

從仿真運(yùn)行結(jié)果來看，整個程序運(yùn)行正常，操作簡便，能夠滿足控制要求，同其他控制器（如單片機(jī)）的設(shè)計(jì)相比，該系統(tǒng)采用可視化的編程軟件使得程序設(shè)計(jì)非常方便并且易于進(jìn)行并行處理，而且仿真調(diào)試可以直接在PC上完成，大大節(jié)約了系統(tǒng)的調(diào)試時間。

參考文獻(xiàn)：

[1]程呈.基于PLC的火災(zāi)自動報警與消防系統(tǒng)的開發(fā)[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程,2009（6）：43-46.

[2]趙勝.FX2N-32MR三菱PLC在給煤機(jī)自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].煤礦機(jī)電，2014（6）：120-121.

[3]曹輝，等.組態(tài)軟件技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社. 2009：1.

[4]高麗萍，鄭萍.基于MCGS的PLC虛擬控制系統(tǒng)研究[J].西華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006(25):95.

Fire Alarm and Fire Control System Design of Underground Garage Based on PLC and MCGS

Jin Ren－gui1，Shen Jie1，Zhu Jun2
(1.Anhui Technical College of Industry and Economy，Hefei Anhui 230422 China；2.Tongling Science and Technology Bureau，Tongling Anhui 244000，China)

With the growing popularity of household cars,underground garage has become an indispensable part of the area,in the underground garage fire alarm and fire control system,can play an effective early warning,and the first time after the fire control the fire, put out the fire.This paper introduces the fire alarm and fire control system based on MITSUBISHI PLC series FX2N,and gives the concrete hardware and ladder diagram program,and combines with MCGS to develop a more user-friendly man-machine interaction interface to facilitate the operation of the control room.

Fire alarm and fire control system；PLC；MCGS；Man-manchine interaction interface

TP277

A

1672-0547（2016）01-0111-04

2015－12－10

安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目“基于3D體感交互的虛擬火災(zāi)演練系統(tǒng)應(yīng)用研究”（KJ2015A381）

金仁貴(1962-)，男，安徽樅陽人，安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局、安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：電子和光電子學(xué)。