基于PLC與King SCADA風電機組自動消防系統設計

宋玉標，范福林，仲川平，陳修忠，楊學良

（北京漢能華科技股份有限公司，北京 100070）

0 引言

截至2021年底，中國擁有并網風電場4000余座，累計裝機容量超過3.2 億kW，在運機組數量超過15萬余臺[1]。隨著風電機組裝機量的持續增加，火災事故也多有發生；然而伴隨陸上、海上大機組的發展，風電機組主要設備運行在幾十米甚至上百米的空中，并且多安裝在惡劣的自然環境中，例如山地、丘陵、隔壁、沙漠、沿海等，一旦發生火災，消防人員很難成功救援，給風場造成巨大的經濟損失及安全問題，所以非常有必要安裝風電機組自動消防系統。

風電機組結構復雜、運行環境惡劣，可燃物品種類多樣，結合多起火災事故案例分析[2-4]，其著火點、原因的詳細情況如表1所示。

表1 機組火災特點

國外風電行業發展早，技術較先進，對于風電機組防火問題早已出臺相關標準。為解決風電機組防火問題，中國工程建設標準化協會出臺了CECS 391:2014《風力發電機組消防系統技術規程》，指導風電機組防火規范及消防系統設計選型規范等[5]。國內天津消防所徐大軍等[3]對風電機組的火災特點、火災隱患及風力發電消防技術現狀與趨勢作了詳細研究，并提出若干思考；張晉等[6]研究了多種火災探測器在風力發電機組發生同等火情條件下表現出的性能差異，提出了不同火災探測器的適應條件，同時對熱氣溶膠及二氧化碳滅火介質在風電機組火災的滅火能力方面也做了深入研究[7-8]；胡宜磊[9]對風力發電機組多類滅火介質作了深入對比研究，提出風電機組機艙空間的滅火介質是超細干粉，控制柜最適合的滅火介質是熱氣溶膠的結論。多數研究者只對火災探測裝置或滅火裝置做部分內容研究，暫無整體系統的設計研究，在此背景下，本文提出基于PLC與King SCADA風電機組自動消防系統的設計實現方法。

1 風電機組自動消防系統架構

風電機組自動消防系統，前端主要包括火災探測裝置、火災滅火裝置、自動消防控制器、聲光報警裝置及手動啟停裝置等；后端是裝有基于King SCADA開發的風電機組自動消防系統服務器。風電機組自動消防系統構成如圖1所示。

圖1 自動消防系統構成

1.1 火災探測裝置

火災探測裝置包括感溫探測裝置及感煙探測裝置，主要作用是當風電機組發生火情的早期階段，煙霧或溫度達到閾值后，提供信號給自動消防控制器，作為信號的輸入端。由于點型感溫感煙裝置比其他探測裝置價格低廉，且效果滿足風電機組自動消防的要求，所以均選擇點型感溫感煙裝置。

感溫感煙探測裝置安裝位置應處于機組容易發生火災的區域。機艙塔基等各種控制柜均需安裝感溫探測裝置，并配有熱氣溶膠。感煙探測裝置應該裝在煙霧容易積聚的位置、整體機艙的兩側及發電機上部機艙部位，且可以同時配有感溫探測裝置。

1.2 火災滅火裝置

當前用于風電機組火災的滅火介質，主要有超細干粉、熱氣溶膠、二氧化碳、七氟丙烷、Novec 1230及水系滅火劑等[9]。各種滅火介質性能如表2所示。

表2 滅火介質性能比較

由于風電機組特殊的運行環境，從滅火介質需要的環境要求、存儲方式、占用空間、投資成本及環保性能等考慮，超細干粉及熱氣溶膠滅火介質具有需要濃度較低、撲滅火災快、安裝空間小、安裝簡單方便、適應溫度范圍廣、存儲不需要壓力、規劃成本低等特點，特別適合風電機組消防市場的需求。滅火劑主要作用是發現火災后實現主動或被動滅火，并給出反饋信號。

滅火裝置自然需要安裝在價值高、作用大、易發生火災的區域部位。傳動鏈齒輪箱兩側、發電機區域及塔筒或塔基等業主或主機廠商關心的區域，機艙塔基電氣柜均需要感溫探測裝置與滅火裝置配套使用。

根據CECS 391-2014《風力發電機組防火技術規程》的規定，干粉滅火裝置的滅火劑用量和配置數量應按照CES 322-2012規定中計算確定，且宜采用體積法計算[10]：

式中：N為干粉滅火劑裝置的配置數量（具）；V1為計算體積，m3；M為單具滅火裝置的充裝量；C1為設計滅火溶度，kg/m3，即經過權威機構認證合格的滅火密度的1.2倍。

自動消防系統對機組電氣柜內部的滅火藥劑采用熱氣溶膠滅火介質，進行全淹沒式滅火。根據《氣體滅火系統設計規范》（GB 50370-2005）規定，采用全淹沒式滅火方式時，熱氣溶膠滅火裝置的計算公式為[11]

式中：W為滅火設計用量，kg；C2為滅火設計密度，kg/m3；V為防護區凈容積，m3；KV為容積修正系數，V＜500 m3時KV=1.0，500 m3≤V＜1000 m3時KV=1.1。

根據上述標準，即可計算不同機型需要選用的超細干粉及熱氣溶膠的具體規格及數量，并且考慮機艙或者塔筒通風口面積，適當增加劑量。

2 風電機組自動消防系統控制器

自動消防系統前端采用主動探測裝置對環境數據（溫度、煙霧濃度）進行采集，并將環境數據上傳至消防系統控制器，由控制器判斷機組是否存在預報警，或者主報警，最終通過消防控制器自動或者遠程監控命令產生控制信號，決定是否啟動滅火裝置，并將火災報警信號顯示在服務器專用的監控平臺上。

2.1 自動消防系統的原理

自動消防系統采用兩級火災預報警方式，加強火災報警的準確性，減少誤啟動的概率。首先，前端任意探測裝置監測到火情后，先將信號傳遞給自動消防控制器進行消防預警；當防護區域內溫度持續上升，感溫探測裝置及感煙探測裝置均探測到火情信號時，經過控制器邏輯運算，發送主報警信號并經過一定時間段的延時，自動啟動防護區域內的滅火裝置，同時在服務器端給出報警提示記錄等，且在延遲時間段內現場人員可以快速撤離。自動消防系統可以實現遠程控制啟動，當自動消防控制器接收到中控室緊急滅火啟動信號后，能夠直接啟動滅火裝置，并在滅火后給中控室傳送滅火裝置動作反饋信號。另外，自動消防系統配備有被動式感溫啟動元件，感溫探測裝置所處位置達到溫度閾值時，可以自啟動滅火裝置。另外，自動消防系統將信號傳遞給風電機組主控系統，當消防系統動作時，通過主控系統將風機停機，風門關閉，以實現及時高效的消防效果。自動消防系統邏輯如圖2所示。

2.2 基于S7-200 SMART自動消防控制器的應用開發

S7-200 SMART PLC是針對經濟型自動化市場的全新自動化控制產品，選擇多樣，高速芯片，性能卓越，編程高效且經濟便捷，完全符合風電消防市場的需求[12]。基于S7-200 SMART自動消防控制器實現設計的功能：火情的自動預報警，手動啟動，遠程啟動，控制滅火裝置的延時啟動，驅動聲光報警器等功能。詳細的控制器硬件接線如圖3所示。

圖3 控制器硬件接線圖

3 基于King SCADA風電機組自動消防系統服務器端的應用開發

King SCADA具有集成化管理、模塊式開發、可視化操作、智能診斷及控制、使用簡單方便、運行可靠等特點，開發項目上能夠減少工作量，縮短開發周期，適合風電機組行業的應用[13]。

3.1 King SCADA 軟件的基本架構

King SCADA平臺通過I/O數據采集與現場各種設備實現通信、數據交換，支持上千種現場設備的數據連接；并可實現多種冗余方式，保證數據的安全不間斷。實時數據、歷史數據等通過數據庫方式實現保存、查詢及展示，平臺上層通過界面、實時報警窗等展示現場端實際情況，系統平臺的部署架構如圖4所示。

圖4 King SCADA平臺架構

3.2 人機界面的設計

人機界面是現場工作人員與平臺互動的主要途徑，關系到風電機組自動消防系統的設計成功與否的關鍵。本系統設計登錄界面、主監控界面、單臺機組監控界面、搜索查詢界面等。主界面包括所有機組的計數、預報警計數、語音報警的啟停、每臺機組通信情況及每臺機組的實時狀態，主要界面如圖5所示。

圖5 自動消防系統主界面

3.3 監控數據報表

風電機組的自動消防系統具有風機火情的實時監控功能、歷史數據查詢等功能，如圖6、圖7所示。

圖6 單臺機組實時監控界面

圖7 查詢歷史數據

4 結語

由于風電機組運行環境的特殊性，開發穩定可靠運行、成本較低、容易維護的風電機組自動消防系統十分必要。本文根據《風力發電機組防火技術規程》要求，依據風電機組機型的不同，詳細計算滅火裝置超細干粉及熱氣溶膠的使用量?；赑LC與King SCADA建立風電機組自動消防系統，使用感溫感煙探測裝置實現對風電機組火情的在線采集，通過自動消防控制器實時獲取數據，服務器端上位機平臺進行監測。該系統經過多個風場實際測試，證明其可靠穩定運行，可供相關工程參考。若風場相關網絡安全能夠得到保障，可通過云平臺、手機APP等途徑實時獲取機組消防消息，方便運維人員工作，是接下來的研究方向。