消防泵自動巡檢系統的設計與實現

梁文禎

（廣東水利電力職業技術學院，廣東廣州 510635）

消防泵自動巡檢系統的設計與實現

梁文禎

（廣東水利電力職業技術學院，廣東廣州 510635）

提出一種消防泵自動巡檢系統，給出了系統的硬件和軟件的設計。實際結果表明該方案具有可靠性高、自動化程序高、可擴展性強、運行穩定等優點。

自動巡檢；消防泵；設計；人工巡檢

0 引言

近年來，深圳等地發生了特大火災，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。消防系統的正常工作能夠阻止火災的進一步蔓延，甚至能夠撲滅火災，將損失降到最低程度。因此，消防系統需要定期進行維護保養。國家消防總局在1999年下文要求所有消防設備必須具有自動巡檢功能，消防控制設備必須在15天內自動啟動一次，防止水泵生銹腐蝕[1]。針對水電站的惡劣工作環境，本文設計了一種消防泵自動巡檢系統，具有自動巡檢、遠程巡檢、保存巡檢記錄、自動報警以及查詢和分析報警狀態等功能，解決輸入輸出隔離、防雷以及抗強電磁干擾等問題。

1 系統總體方案

消防泵自動巡檢系統由控制器、實時時鐘、消防泵、火災報警器、消防水管壓力計、按鍵、地址撥碼開關、繼電器、液晶顯示屏、聲光報警、USB轉串口、內置SD、外部SD接口、RS485接口以及以太網接口組成，如圖1所示。

圖1 消防泵自動巡檢系統的結構框圖

消防泵自動巡檢系統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，值班員在遠程組態軟件里遠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（包括動行輸入狀態、停止輸入狀態和備用輸入狀態）、火災報警器的工作狀態以及消防水管壓力計的水壓值，將這些數據顯示在液晶屏上，并且保存起來作為歷史運行記錄。當值班人員沒有按時進行巡檢時，系統進行聲光報警。值班人員有兩種方法復制系統的歷史運行記錄，一是使用SD卡進行復制，另一種是在現場使用USB線將系統連到到電腦，通過組態軟件進行復制。組態軟件安裝在遠程工控機中。本系統與該工控機之間通過以太網或者RS485進行連接，通過地址撥碼開關設置其通訊地址。組態軟件能夠顯示本系統的消防泵、火災報警器、消防水管壓力計、繼電器的運行狀態、遠程巡檢消防泵、保存歷史運行記錄以及查詢和分析報警狀態。

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速運行一段時間后自動停泵，能夠檢查到消防泵真實的工作情況。因為頻繁地啟停消防泵會對供電電網造成沖擊，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控制器啟動巡檢子程序，使設備中的巡檢執行器輸出一個較低的頻率去逐一驅動消防水泵，使消防水泵以一個較低的轉速做一段時間的低速運轉。因為消防泵以低速進行轉動，噴淋頭不會噴水出來，不會對供電電網造成沖擊，所以消防泵的使用壽命增長，耗電也降低。對于每天都需要進行巡檢的情況下，節約的電能就非常可觀。

2 系統硬件設計

2.1 控制器

本系統提供5路消防泵的三種狀態輸入（運行狀態輸入、停止狀態輸入和備用狀態輸入）、1路火災報警器的工作狀態輸入、1路用于電流型消防水管壓力計的ADC、10路繼電器的輸出、1路蜂鳴器、1路發光二極管、8位地址撥碼開關、3路分別用于USB轉串口、以太網和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。

為了滿足系統開發的要求，控制器選用意法半導體公司生產的STM32F103VET。它采用ARM公司的Cortex-M3內核的32位處理器，工作于72 MHz，多達512 k字節的程序存儲器，64 k字節的內部RAM，80個普通I/O引腳，擁有豐富的內置的硬件外設，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模數轉換和1個2通道的DAC數模轉換。

2.2 實時時鐘

實時時鐘選用DS12C877芯片。它可用作IBM AT計算機制時鐘和日歷；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償；內建128字節RAM；有12和24小時兩種制式；支持MOTOR?OLA和INTEL兩種總線模式。當芯片的電源高于4.25 V并且200 ms后，芯片可以被外部程序操作；當芯片的電源低于4.25 V時，芯片處于寫保護，無法讀取內部信息；當芯片的電源低于3V時，芯片將自動把供電方式切換為內部電池供電。

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中常見的隔離電路。這種隔離電路具有許多優點：一是轉換輸入和輸出的電壓值，例如將輸入24 V轉換成控制器的3.3 V，將控制器輸出的3.3 V轉換成繼電器動作的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，避免強電信號干擾弱電信號，具有很強的共模抑制能力；三是工作穩定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。消防泵和火災報警器的工作狀態需要進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境需要。

圖2 光耦隔離輸入的電路圖

圖3 光耦隔離驅動繼電器的電路圖

2.4 消防水管壓力計

消防水管壓力計屬于電流型設備，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放的LM258，其工作溫度范圍為-25℃～+85℃，能夠滿足水電站的工作環境需要。

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℃。為了能夠滿足系統的設計需要，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 系統軟件設計

3.1 系統主程序的設計

圖5 系統巡檢的流程圖

系統上電后，對各硬件進行初始化，讀取地址撥碼開關和系統參數，運行于自動巡檢模式，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行對應的內容，分別為運行、查詢、下載歷史記錄、設置系統參數以及手動巡檢。（1）運行界面主要顯示消防泵和水災報警器的工作狀態。（2）查詢界面主要用于按時間段進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）設置界面主要用于設置系統參數。設置系統參數分操作員和管理員兩種權限：操作員權限是設置時鐘的年月日時分秒，讓系統工作于正確的時鐘下；管理員權限是需要密碼才能進入高級設置界面，里面的權限分別為修改密碼、設置ADC采集時間以及設置巡檢時間。（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報警器的工作狀態以及水壓值，并且保存到歷史巡檢中。如果到達巡檢時間，就需要執行相應的操作。最后，系統讀取并處理串口命令。

3.2 巡檢時間子程序的設計

如圖6所示，巡檢時間子程序會判斷是否到巡檢時間。如果到達巡檢時間，就判斷是否已經巡檢了。如果沒有巡檢，就發出聲光報警，提示值班員。在巡檢時間前后1個小時內，值班員對設備進行巡檢，就表示已經完成巡檢任務。本系統記錄設備的工作狀態以及巡檢時間。

圖6 巡檢時間子程序的流程圖

3.3 串口命令子程序的設計

本系統的以太網接口和RS485接口本質使用串口連接。串口命令子程序會判斷命令執行相應的內容。串口命令分別有讀取消防泵和火災報警器的工作狀態、讀取水壓值、讀取時鐘的年月日時分秒、設置時鐘的年月日時分秒、讀取巡檢時間和ADC采集時間、設置巡檢時間和ADC采集時間以及遠程巡檢消防泵。

4 結語

本文設計的消防泵自動巡檢系統已經運行幾個月，運行穩定可靠。實踐應用表明，這種巡檢系統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，能夠實現遠程巡檢消防泵，滿足了水電站的消防系統管理要求。

［1］GB50016-2006.建筑設計防火規范［S］.

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

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

［4］王洪立，陳國棟.消防泵的低頻自動巡檢技術［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的設計與實現 ［J］.機電工程，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，實驗師。研究領域：嵌入式系統應用技術以及自動化控制。已發表論文6篇。

(編輯：向 飛)

2013－11－08