梁文禎

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510635）

消防泵自動巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁文禎

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510635）

提出一種消防泵自動巡檢系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。實(shí)際結(jié)果表明該方案具有可靠性高、自動化程序高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

自動巡檢；消防泵；設(shè)計(jì)；人工巡檢

0 引言

近年來，深圳等地發(fā)生了特大火災(zāi)，使工廠、倉庫、建筑大廈、水電站等化為灰燼，甚至還會奪去許多人的生命和健康，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失，給人們留下了極其深刻的印象。消防系統(tǒng)的正常工作能夠阻止火災(zāi)的進(jìn)一步蔓延，甚至能夠撲滅火災(zāi)，將損失降到最低程度。因此，消防系統(tǒng)需要定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。國家消防總局在1999年下文要求所有消防設(shè)備必須具有自動巡檢功能，消防控制設(shè)備必須在15天內(nèi)自動啟動一次，防止水泵生銹腐蝕[1]。針對水電站的惡劣工作環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了一種消防泵自動巡檢系統(tǒng)，具有自動巡檢、遠(yuǎn)程巡檢、保存巡檢記錄、自動報警以及查詢和分析報警狀態(tài)等功能，解決輸入輸出隔離、防雷以及抗強(qiáng)電磁干擾等問題。

1 系統(tǒng)總體方案

消防泵自動巡檢系統(tǒng)由控制器、實(shí)時時鐘、消防泵、火災(zāi)報警器、消防水管壓力計(jì)、按鍵、地址撥碼開關(guān)、繼電器、液晶顯示屏、聲光報警、USB轉(zhuǎn)串口、內(nèi)置SD、外部SD接口、RS485接口以及以太網(wǎng)接口組成，如圖1所示。

圖1 消防泵自動巡檢系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

消防泵自動巡檢系統(tǒng)分為人工巡檢和自動巡檢兩種模式[2]。在人工巡檢模式下，值班人員在電氣控制柜面板上點(diǎn)擊“啟動”和“停止”按鈕，檢查消防泵能否正確動作。在自動巡檢模式下，值班員在遠(yuǎn)程組態(tài)軟件里遠(yuǎn)程控制消防泵的啟動和停止。在這兩模式下，控制器讀取消防泵的工作狀態(tài)（包括動行輸入狀態(tài)、停止輸入狀態(tài)和備用輸入狀態(tài)）、火災(zāi)報警器的工作狀態(tài)以及消防水管壓力計(jì)的水壓值，將這些數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，并且保存起來作為歷史運(yùn)行記錄。當(dāng)值班人員沒有按時進(jìn)行巡檢時，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報警。值班人員有兩種方法復(fù)制系統(tǒng)的歷史運(yùn)行記錄，一是使用SD卡進(jìn)行復(fù)制，另一種是在現(xiàn)場使用USB線將系統(tǒng)連到到電腦，通過組態(tài)軟件進(jìn)行復(fù)制。組態(tài)軟件安裝在遠(yuǎn)程工控機(jī)中。本系統(tǒng)與該工控機(jī)之間通過以太網(wǎng)或者RS485進(jìn)行連接，通過地址撥碼開關(guān)設(shè)置其通訊地址。組態(tài)軟件能夠顯示本系統(tǒng)的消防泵、火災(zāi)報警器、消防水管壓力計(jì)、繼電器的運(yùn)行狀態(tài)、遠(yuǎn)程巡檢消防泵、保存歷史運(yùn)行記錄以及查詢和分析報警狀態(tài)。

消防泵有兩種自動巡檢方式，分為工頻巡檢和低速巡檢[3-5]。工頻巡檢是讓消防泵以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行一段時間后自動停泵，能夠檢查到消防泵真實(shí)的工作情況。因?yàn)轭l繁地啟停消防泵會對供電電網(wǎng)造成沖擊，也會減少泵的使用壽命，所以工頻巡檢方式不適于頻繁使用。低速巡檢是采用微機(jī)控制器啟動巡檢子程序，使設(shè)備中的巡檢執(zhí)行器輸出一個較低的頻率去逐一驅(qū)動消防水泵，使消防水泵以一個較低的轉(zhuǎn)速做一段時間的低速運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)橄辣靡缘退龠M(jìn)行轉(zhuǎn)動，噴淋頭不會噴水出來，不會對供電電網(wǎng)造成沖擊，所以消防泵的使用壽命增長，耗電也降低。對于每天都需要進(jìn)行巡檢的情況下，節(jié)約的電能就非?？捎^。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

本系統(tǒng)提供5路消防泵的三種狀態(tài)輸入（運(yùn)行狀態(tài)輸入、停止?fàn)顟B(tài)輸入和備用狀態(tài)輸入）、1路火災(zāi)報警器的工作狀態(tài)輸入、1路用于電流型消防水管壓力計(jì)的ADC、10路繼電器的輸出、1路蜂鳴器、1路發(fā)光二極管、8位地址撥碼開關(guān)、3路分別用于USB轉(zhuǎn)串口、以太網(wǎng)和RS485的串口、2路用于SD的SPI總線，總共需要48根引腳——包括36個普通I/O引腳、1個ADC、3個串口、2個SPI。

為了滿足系統(tǒng)開發(fā)的要求，控制器選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103VET。它采用ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，工作于72 MHz，多達(dá)512 k字節(jié)的程序存儲器，64 k字節(jié)的內(nèi)部RAM，80個普通I/O引腳，擁有豐富的內(nèi)置的硬件外設(shè)，分別有4個16位定時器、2個I2C雙總線、3個SPI三總線、1個SDIO接口、3個16通道的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換和1個2通道的DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2.2 實(shí)時時鐘

實(shí)時時鐘選用DS12C877芯片。它可用作IBM AT計(jì)算機(jī)制時鐘和日歷；自帶晶體振蕩器及電池；在沒有外部電源的情況下可工作10年；可計(jì)算到2100年前的秒、分、小時、星期、日期、月、年七種日歷信息并帶閏年補(bǔ)償；內(nèi)建128字節(jié)RAM；有12和24小時兩種制式；支持MOTOR?OLA和INTEL兩種總線模式。當(dāng)芯片的電源高于4.25 V并且200 ms后，芯片可以被外部程序操作；當(dāng)芯片的電源低于4.25 V時，芯片處于寫保護(hù)，無法讀取內(nèi)部信息；當(dāng)芯片的電源低于3V時，芯片將自動把供電方式切換為內(nèi)部電池供電。

2.3 光耦隔離輸入和輸出

光耦隔離輸入和輸出是嵌入式系統(tǒng)中常見的隔離電路。這種隔離電路具有許多優(yōu)點(diǎn)：一是轉(zhuǎn)換輸入和輸出的電壓值，例如將輸入24 V轉(zhuǎn)換成控制器的3.3 V，將控制器輸出的3.3 V轉(zhuǎn)換成繼電器動作的5 V；二是使被隔離的兩部分電路之間沒有直接的電氣連接，避免強(qiáng)電信號干擾弱電信號，具有很強(qiáng)的共模抑制能力；三是工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。消防泵和火災(zāi)報警器的工作狀態(tài)需要進(jìn)行光耦隔離才能輸入到控制器，其電路如圖2所示。10路繼電器需要進(jìn)行光耦隔離輸出，其電路如圖3所示。輸入光耦選用SHARP公司的PC817，其工作溫度范圍為-30℃～+100℃。輸出光耦選用TOSHIBA公司的TLP627，其工作溫度范圍為-55℃～+100℃，驅(qū)動電流為150 mA。這兩種光耦的性能能夠滿足水電站的工作環(huán)境需要。

圖2 光耦隔離輸入的電路圖

圖3 光耦隔離驅(qū)動繼電器的電路圖

2.4 消防水管壓力計(jì)

消防水管壓力計(jì)屬于電流型設(shè)備，輸出4～20 mA電流表示水壓值。控制器的ADC參考電壓源為3.3 V。根據(jù)R=U/I，采樣電阻R的取值不能超過160Ω。這里采樣電阻R選用120Ω。消防水管壓力計(jì)的采集電路使用電壓跟隨器，可以限制輸入電壓，不容易燒壞控制器的ADC，如圖4所示。電壓跟隨器選用雙運(yùn)放的LM258，其工作溫度范圍為-25℃～+85℃，能夠滿足水電站的工作環(huán)境需要。

圖4 水壓采集的電路圖

2.5 RS485接口

RS485選用SIPEX公司的SP3485芯片，其工作溫度范圍為-65℃至+150℃。為了能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，SP3485電路的控制端和串口全部使用光耦隔離，總線連接端使用1 500 W的TVS管，能夠抵抗一定程序的雷電沖擊。TVS管選用1.5KE12，其工作溫度范圍為-55℃～+175℃。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

圖5 系統(tǒng)巡檢的流程圖

系統(tǒng)上電后，對各硬件進(jìn)行初始化，讀取地址撥碼開關(guān)和系統(tǒng)參數(shù)，運(yùn)行于自動巡檢模式，其流程圖如圖5所示。通過按鍵的操作，在液晶顯示屏上顯示五種界面并執(zhí)行對應(yīng)的內(nèi)容，分別為運(yùn)行、查詢、下載歷史記錄、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)以及手動巡檢。（1）運(yùn)行界面主要顯示消防泵和水災(zāi)報警器的工作狀態(tài)。（2）查詢界面主要用于按時間段進(jìn)行查詢歷史巡檢記錄。（3）下載界面主要把歷史巡檢記錄下載到值班員插入的SD卡。（4）設(shè)置界面主要用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)分操作員和管理員兩種權(quán)限：操作員權(quán)限是設(shè)置時鐘的年月日時分秒，讓系統(tǒng)工作于正確的時鐘下；管理員權(quán)限是需要密碼才能進(jìn)入高級設(shè)置界面，里面的權(quán)限分別為修改密碼、設(shè)置ADC采集時間以及設(shè)置巡檢時間。（5）巡檢界面主要手動啟動和停止各路消防泵。不管工作于哪一種界面，都能夠讀取消防泵和火災(zāi)報警器的工作狀態(tài)以及水壓值，并且保存到歷史巡檢中。如果到達(dá)巡檢時間，就需要執(zhí)行相應(yīng)的操作。最后，系統(tǒng)讀取并處理串口命令。

3.2 巡檢時間子程序的設(shè)計(jì)

如圖6所示，巡檢時間子程序會判斷是否到巡檢時間。如果到達(dá)巡檢時間，就判斷是否已經(jīng)巡檢了。如果沒有巡檢，就發(fā)出聲光報警，提示值班員。在巡檢時間前后1個小時內(nèi)，值班員對設(shè)備進(jìn)行巡檢，就表示已經(jīng)完成巡檢任務(wù)。本系統(tǒng)記錄設(shè)備的工作狀態(tài)以及巡檢時間。

圖6 巡檢時間子程序的流程圖

3.3 串口命令子程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口和RS485接口本質(zhì)使用串口連接。串口命令子程序會判斷命令執(zhí)行相應(yīng)的內(nèi)容。串口命令分別有讀取消防泵和火災(zāi)報警器的工作狀態(tài)、讀取水壓值、讀取時鐘的年月日時分秒、設(shè)置時鐘的年月日時分秒、讀取巡檢時間和ADC采集時間、設(shè)置巡檢時間和ADC采集時間以及遠(yuǎn)程巡檢消防泵。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的消防泵自動巡檢系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行幾個月，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。實(shí)踐應(yīng)用表明，這種巡檢系統(tǒng)可以檢查到消防泵能否正確動作，也可以檢查消防水管壓力是否處于正確范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程巡檢消防泵，滿足了水電站的消防系統(tǒng)管理要求。

［1］GB50016-2006.建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.

［2］李軍奇.消防給水系統(tǒng)中消防泵自檢方式的分析［J］.鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2007，34（5）：249-252.

［3］李長萌.消防泵自動巡檢在工程中的應(yīng)用［J］.科學(xué)之友，2012（2）：92-93.

［4］王洪立，陳國棟.消防泵的低頻自動巡檢技術(shù)［J］.低壓電器，2009（4）：25-27，35.

［5］張輯，陳天翔，孫園，等.消防泵自動巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.機(jī)電工程，2011，28（11）：1363-1367.

Design and Implementation of Automatic Tour Inspection System for Fire Pump

LIANG Wen-zhen
（Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou510635，China）

This article introduces a new method of automatic tour inspection system for fire pump.It has been proved that the system gets good index of the high reliability，high automation，good expansibility and high stability in practice.

automatic tour Inspection；fire pump；design；manual inspection

TP274+.5

B

1009－9492(2014)05－0109－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.028

梁文禎，男，1984年生，廣東江門人，碩士，實(shí)驗(yàn)師。研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)以及自動化控制。已發(fā)表論文6篇。

(編輯：向 飛)

2013－11－08