消防泵自动巡检系统的设计与实现

梁文祯

（广东水利电力职业技术学院，广东广州 510635）

消防泵自动巡检系统的设计与实现

梁文祯

（广东水利电力职业技术学院，广东广州 510635）

提出一种消防泵自动巡检系统，给出了系统的硬件和软件的设计。实际结果表明该方案具有可靠性高、自动化程序高、可扩展性强、运行稳定等优点。

自动巡检；消防泵；设计；人工巡检

0 引言

近年来，深圳等地发生了特大火灾，使工厂、仓库、建筑大厦、水电站等化为灰烬，甚至还会夺去许多人的生命和健康，给国家和人民的生命财产造成了巨大的损失，给人们留下了极其深刻的印象。消防系统的正常工作能够阻止火灾的进一步蔓延，甚至能够扑灭火灾，将损失降到最低程度。因此，消防系统需要定期进行维护保养。国家消防总局在1999年下文要求所有消防设备必须具有自动巡检功能，消防控制设备必须在15天内自动启动一次，防止水泵生锈腐蚀[1]。针对水电站的恶劣工作环境，本文设计了一种消防泵自动巡检系统，具有自动巡检、远程巡检、保存巡检记录、自动报警以及查询和分析报警状态等功能，解决输入输出隔离、防雷以及抗强电磁干扰等问题。

1 系统总体方案

消防泵自动巡检系统由控制器、实时时钟、消防泵、火灾报警器、消防水管压力计、按键、地址拨码开关、继电器、液晶显示屏、声光报警、USB转串口、内置SD、外部SD接口、RS485接口以及以太网接口组成，如图1所示。

图1 消防泵自动巡检系统的结构框图

消防泵自动巡检系统分为人工巡检和自动巡检两种模式[2]。在人工巡检模式下，值班人员在电气控制柜面板上点击“启动”和“停止”按钮，检查消防泵能否正确动作。在自动巡检模式下，值班员在远程组态软件里远程控制消防泵的启动和停止。在这两模式下，控制器读取消防泵的工作状态（包括动行输入状态、停止输入状态和备用输入状态）、火灾报警器的工作状态以及消防水管压力计的水压值，将这些数据显示在液晶屏上，并且保存起来作为历史运行记录。当值班人员没有按时进行巡检时，系统进行声光报警。值班人员有两种方法复制系统的历史运行记录，一是使用SD卡进行复制，另一种是在现场使用USB线将系统连到到电脑，通过组态软件进行复制。组态软件安装在远程工控机中。本系统与该工控机之间通过以太网或者RS485进行连接，通过地址拨码开关设置其通讯地址。组态软件能够显示本系统的消防泵、火灾报警器、消防水管压力计、继电器的运行状态、远程巡检消防泵、保存历史运行记录以及查询和分析报警状态。

消防泵有两种自动巡检方式，分为工频巡检和低速巡检[3-5]。工频巡检是让消防泵以额定转速运行一段时间后自动停泵，能够检查到消防泵真实的工作情况。因为频繁地启停消防泵会对供电电网造成冲击，也会减少泵的使用寿命，所以工频巡检方式不适于频繁使用。低速巡检是采用微机控制器启动巡检子程序，使设备中的巡检执行器输出一个较低的频率去逐一驱动消防水泵，使消防水泵以一个较低的转速做一段时间的低速运转。因为消防泵以低速进行转动，喷淋头不会喷水出来，不会对供电电网造成冲击，所以消防泵的使用寿命增长，耗电也降低。对于每天都需要进行巡检的情况下，节约的电能就非常可观。

2 系统硬件设计

2.1 控制器

本系统提供5路消防泵的三种状态输入（运行状态输入、停止状态输入和备用状态输入）、1路火灾报警器的工作状态输入、1路用于电流型消防水管压力计的ADC、10路继电器的输出、1路蜂鸣器、1路发光二极管、8位地址拨码开关、3路分别用于USB转串口、以太网和RS485的串口、2路用于SD的SPI总线，总共需要48根引脚——包括36个普通I/O引脚、1个ADC、3个串口、2个SPI。

为了满足系统开发的要求，控制器选用意法半导体公司生产的STM32F103VET。它采用ARM公司的Cortex-M3内核的32位处理器，工作于72 MHz，多达512 k字节的程序存储器，64 k字节的内部RAM，80个普通I/O引脚，拥有丰富的内置的硬件外设，分别有4个16位定时器、2个I2C双总线、3个SPI三总线、1个SDIO接口、3个16通道的ADC模数转换和1个2通道的DAC数模转换。

2.2 实时时钟

实时时钟选用DS12C877芯片。它可用作IBM AT计算机制时钟和日历；自带晶体振荡器及电池；在没有外部电源的情况下可工作10年；可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息并带闰年补偿；内建128字节RAM；有12和24小时两种制式；支持MOTOR⁃OLA和INTEL两种总线模式。当芯片的电源高于4.25 V并且200 ms后，芯片可以被外部程序操作；当芯片的电源低于4.25 V时，芯片处于写保护，无法读取内部信息；当芯片的电源低于3V时，芯片将自动把供电方式切换为内部电池供电。

2.3 光耦隔离输入和输出

光耦隔离输入和输出是嵌入式系统中常见的隔离电路。这种隔离电路具有许多优点：一是转换输入和输出的电压值，例如将输入24 V转换成控制器的3.3 V，将控制器输出的3.3 V转换成继电器动作的5 V；二是使被隔离的两部分电路之间没有直接的电气连接，避免强电信号干扰弱电信号，具有很强的共模抑制能力；三是工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。消防泵和火灾报警器的工作状态需要进行光耦隔离才能输入到控制器，其电路如图2所示。10路继电器需要进行光耦隔离输出，其电路如图3所示。输入光耦选用SHARP公司的PC817，其工作温度范围为-30℃～+100℃。输出光耦选用TOSHIBA公司的TLP627，其工作温度范围为-55℃～+100℃，驱动电流为150 mA。这两种光耦的性能能够满足水电站的工作环境需要。

图2 光耦隔离输入的电路图

图3 光耦隔离驱动继电器的电路图

2.4 消防水管压力计

消防水管压力计属于电流型设备，输出4～20 mA电流表示水压值。控制器的ADC参考电压源为3.3 V。根据R=U/I，采样电阻R的取值不能超过160Ω。这里采样电阻R选用120Ω。消防水管压力计的采集电路使用电压跟随器，可以限制输入电压，不容易烧坏控制器的ADC，如图4所示。电压跟随器选用双运放的LM258，其工作温度范围为-25℃～+85℃，能够满足水电站的工作环境需要。

图4 水压采集的电路图

2.5 RS485接口

RS485选用SIPEX公司的SP3485芯片，其工作温度范围为-65℃至+150℃。为了能够满足系统的设计需要，SP3485电路的控制端和串口全部使用光耦隔离，总线连接端使用1 500 W的TVS管，能够抵抗一定程序的雷电冲击。TVS管选用1.5KE12，其工作温度范围为-55℃～+175℃。

3 系统软件设计

3.1 系统主程序的设计

图5 系统巡检的流程图

系统上电后，对各硬件进行初始化，读取地址拨码开关和系统参数，运行于自动巡检模式，其流程图如图5所示。通过按键的操作，在液晶显示屏上显示五种界面并执行对应的内容，分别为运行、查询、下载历史记录、设置系统参数以及手动巡检。（1）运行界面主要显示消防泵和水灾报警器的工作状态。（2）查询界面主要用于按时间段进行查询历史巡检记录。（3）下载界面主要把历史巡检记录下载到值班员插入的SD卡。（4）设置界面主要用于设置系统参数。设置系统参数分操作员和管理员两种权限：操作员权限是设置时钟的年月日时分秒，让系统工作于正确的时钟下；管理员权限是需要密码才能进入高级设置界面，里面的权限分别为修改密码、设置ADC采集时间以及设置巡检时间。（5）巡检界面主要手动启动和停止各路消防泵。不管工作于哪一种界面，都能够读取消防泵和火灾报警器的工作状态以及水压值，并且保存到历史巡检中。如果到达巡检时间，就需要执行相应的操作。最后，系统读取并处理串口命令。

3.2 巡检时间子程序的设计

如图6所示，巡检时间子程序会判断是否到巡检时间。如果到达巡检时间，就判断是否已经巡检了。如果没有巡检，就发出声光报警，提示值班员。在巡检时间前后1个小时内，值班员对设备进行巡检，就表示已经完成巡检任务。本系统记录设备的工作状态以及巡检时间。

图6 巡检时间子程序的流程图

3.3 串口命令子程序的设计

本系统的以太网接口和RS485接口本质使用串口连接。串口命令子程序会判断命令执行相应的内容。串口命令分别有读取消防泵和火灾报警器的工作状态、读取水压值、读取时钟的年月日时分秒、设置时钟的年月日时分秒、读取巡检时间和ADC采集时间、设置巡检时间和ADC采集时间以及远程巡检消防泵。

4 结语

本文设计的消防泵自动巡检系统已经运行几个月，运行稳定可靠。实践应用表明，这种巡检系统可以检查到消防泵能否正确动作，也可以检查消防水管压力是否处于正确范围，能够实现远程巡检消防泵，满足了水电站的消防系统管理要求。

［1］GB50016-2006.建筑设计防火规范［S］.

［2］李军奇.消防给水系统中消防泵自检方式的分析［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2007，34（5）：249-252.

［3］李长萌.消防泵自动巡检在工程中的应用［J］.科学之友，2012（2）：92-93.

［4］王洪立，陈国栋.消防泵的低频自动巡检技术［J］.低压电器，2009（4）：25-27，35.

［5］张辑，陈天翔，孙园，等.消防泵自动巡检系统的设计与实现 ［J］.机电工程，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

梁文祯，男，1984年生，广东江门人，硕士，实验师。研究领域：嵌入式系统应用技术以及自动化控制。已发表论文6篇。

(编辑：向 飞)

2013－11－08