基于PLC和MCGS的地下车库火灾报警与灭火控制系统设计

金仁贵 沈 杰 朱 俊

（1.安徽省地质矿产勘查局，安徽 合肥 230422；2.铜陵市科学技术局，安徽 铜陵 244000）

基于PLC和MCGS的地下车库火灾报警与灭火控制系统设计

金仁贵1沈 杰1朱 俊2

（1.安徽省地质矿产勘查局，安徽 合肥 230422；2.铜陵市科学技术局，安徽 铜陵 244000）

随着家用轿车的日益普及，地下车库已经成为小区不可缺少的一部分，在地下车库设置火灾报警和灭火控制系统，可以在火灾初期起到有效的预警，并在火灾发生后第一时间控制火势，扑灭火源。详细介绍了基于三菱FX2N系列PLC的火灾报警和灭火控制系统，给出了具体的硬件组成和梯形图程序，并结合MCGS开发了更人性化的人机交互界面，方便控制室人员进行操作。

火灾报警和灭火控制系统；PLC；MCGS；人机交互界面

随着社会的快速发展，居民收入水平的提高，家用汽车已经成为生活必需品。无论是居民小区还是大型商场，都必须配备地下车库。而地下车库一旦发生火灾，必然会造成重大的经济损失，甚至会造成人员伤亡。正因为如此，在地下车库设置火灾报警和自动灭火控制系统就非常必要。

早期的火灾报警控制系统存在着反应速度慢、控制精度低等缺点[1]，而基于PLC的火灾报警和灭火控制系统以PLC为核心控制器，并结合MCGS设计了更加人性化的人机交互界面，使得整个系统具有很高的可靠性和稳定性，并且易于操作。

一、系统概述

（一）设计思路

由于地下车库规模较大，在进行防火设计时，应分区域进行管理，即把地下车库按照传感器的感应范围分成若干个区域，在每个区域都要安装传感器和喷头。

下面针对一个区域进行说明，当烟雾传感器和温度传感器都动作时，系统认为发生了火灾，此时应立即发出报警信号（报警灯和蜂鸣器），同时打开逃生门，放下地下车库入口处栏杆，升起出口处栏杆。在经过短暂的延时后，打开该区域的喷头开始喷水灭火。当烟雾传感器和温度传感器都恢复初始状态后，则认为火灾被扑灭，此时应停止报警，关闭喷头。同时为了防止由于传感器故障或其他原因使得自动报警和灭火程序不能运行，还特别设置了手动控制程序，可以在控制室里通过人机交互界面来进行手动控制，通过手动按钮来发出报警信号，打开喷头进行灭火。

（二）工作原理

本系统由各种传感器，PLC，电磁阀，电机，连接线路等硬件设备和相关设计软件组成，由于系统结构较为复杂，因此可以考虑采用分层的思路来进行结构设计，根据系统的设计思路，可以将车库报警系统分成3个层次。最上层为监控层，主要由PC机和监控界面组成。通过监控界面监控所在区域的情况，并通过对烟雾的浓度和区域的温度进行实时检测并将信号实时传送给PLC。烟雾传感器和温度传感器一旦动作，产生报警数据并传送至控制层。考虑到现实中实际情况，增加火情的人工发现模块，一旦人为发现火情，可以通过按下紧急按钮来发出报警信号。控制层为系统中间层，该层由PLC构成。控制软件采用FXGP-WIN编程软件设计，输入信号送至控制层后，由PLC接收并处理后可以传递至PC机进行数据分析与交互，也可直接生成控制信号，驱动电磁阀和电机运转。系统最下面为执行层，主要由电磁阀和电机构成，为了响应控制层的动作请求，实现实际的物理操作，比如打开报警灯光，发出报警声音，水龙头喷水，驱动电机开始排烟、打开卷闸门、升起或降下车库栏杆等，该层要求有较快的响应速度。

系统的工作原理如图1所示。

二、系统硬件结构

本系统硬件主要包括传感器检测与转换电路、PLC的输入输出接口电路，负载的驱动电路等，下面主要介绍PLC的输入输出接口电路。

（一）PLC和MCGS简介

1.三菱FX2N系列PLC简介

FX2N系列PLC是日本三菱公司推出的高性能小型可编程控制器，就目前来说，FX2N系列PLC是PLC家族里比较先进的型号，也是三菱PLC里最先进的型号之一[2]。具有系统配置灵活、型号多样、性能稳定、易于扩展、编程简单等特点，该系列PLC被广泛应用在自动化控制中。本设计所选用的PLC型号为FX2N-48MR。

图1 系统工作原理图

2.组态软件MCGS简介

组态技术是伴随工控技术和计算机技术的发展形成的，其可以在监控层级别上快速采集数据，生成监控界面，并发送控制指令。其解决了手工编写HMI软件时效率低下，可靠性差，无法拓展升级等问题[3]。常用的组态有Intouch，Wincc，组态王，MCGS，三维力控等。本文采用MCGS组态软件潜入版进行系统的人机交互界面设计。MCGS通过OPC与各种型号的硬件设备连接，通过DDE（Dynamic Data Exchange动态数据交换）与其他应用程序交换数据。在软件设计中，MCGS自带的丰富的元件对象库可以满足大部分应用系统的需求，对于系统控制中的复杂流程，可以通过自带类VBA语言进行程序设计，从而满足多样性的需求。

（二）PLC硬件接线图

该系统的输入信号主要有数字式烟雾和温度传感器，自动和手动档位开关及其他各种按钮，驱动的负载有报警灯、蜂鸣器、电磁阀以及各种电机。具体的PLC输入输出接线图如图2。

三、软件设计

本文中PLC程序全部使用FXGPWIN软件设计，并且使用三菱公司的FXTRAINER仿真软件完成调试，人机交互界面采用组态软件MCGS进行设计。整个PLC程序分成三个部分：初始化程序、手动控制程序、自动控制程序。

（一）初始化程序和手动控制程序

初始化程序主要完成IST指令的设置和输入信号的处理，手动控制程序主要完成对报警信号和喷头的手动控制。

图2 PLC硬件接线图

1.初始化程序说明

通过M8000设置原点位置条件继电器M8044的状态并完成IST指令的设置。在使用IST指令时，由于本系统只使用了手动控制开关、原点开关、单步运行开关、单周期运行开关、自动连续运行开关、回原点启动按钮、自动启动按钮和停止按钮中的四个，这就需要对输入信号使用辅助继电器重新排序，用到的开关和按钮用对应的输入继电器的常开触点驱动相应的辅助继电器，没有用到的开关和按钮则使用M8000的常闭触点来驱动相应的辅助继电器。

2.手动控制程序

为了防止传感器或其他电路出现故障而影响火灾的报警和灭火，本系统里设置了手动控制程序。

如果监控人员发现了火灾而传感器没有动作，则在人机交互界面上立即将控制方式档位开关由自动控制切换为手动控制，通过人机交互界面上的四个手动按钮来发出报警信号和打开喷头进行灭火操作。即通过手动报警按钮（X10）来驱动报警灯和蜂鸣器来发出报警信号，通过手动灭火按钮（X12）来打开喷头进行灭火，结束后通过手动停止按钮（X11和X13）来结束报警和灭火。具体程序如图3。

（二）自动控制程序

自动控制程序就是PLC根据从现场采集的传感器信号自动完成报警和灭火控制。人机交互界面上的控制模式档位开关打在自动控制上，当烟雾传感器（X0）和温度传感器（X1）都动作以后，即进入自动控制程序，首先发出报警信号并打开排烟机，延迟5秒后打开喷头进行灭火，并降下车库入口处栏杆禁止车辆驶入并升起车库出口处栏杆，打开逃生门。当烟雾传感器和温度传感器复位后意味着火灾被扑灭，则自动断开报警，关闭电磁阀和电机，回到初始状态S2。具体程序如图4所示：

图3 初始化和手动控制程序

图4 自动控制程序

（三）人机交互界面

1.通信及数据库设计

由传感器采集到的实时数据通过转化传至PLC后。添加硬件驱动并进行相关参数的设定，主要为串口父设备属性中设置COM波特率为9600kbps，8位数据位，1位停止位，偶校验,采集周期为200ms。通过RS-232接口送至上位机MCGS程序，MCGS读取PLC中各种寄存器状态，并将具体参数与交互界面的动作进行绑定，生成组态数据库。PC机作为上位机，运行MCGS组态软件，是显示和控制的平台[4]。

2.软件设计

根据系统设计的结构，人机交互界面需要设计主监控界面，子区域监控界面，报警窗口，手动控制四个部分，以对车库现场的火灾情况进行实时掌控，窗口之间可自由切换。未发生紧急状况时，可通过人机交互界面中的动画效果及状态指示灯查看各区域的实时情况。在组态中要实现画面模拟，报警指示灯，报警蜂鸣器等状态显示，各种阀与电机的状态检测。火灾发生时，除监控外，还需要能够发送各种操作指令，通过下位机驱动控制电路打开消防设备。这里给出1#区域的监控组态设计界面。人机交互界面如图5所示：

图5 人机交互界面

软件界面设计了手动控制和自动控制开关，在自动控制模式下，添加若干指示灯显示区域状态，一旦有报警信号被采集并送至本软件，报警灯亮红色，并闪烁，若水充足，则电磁阀打开，指示灯亮，喷水。这里需要在组态中设计动态数据库，并与PLC传送来的信号进行关联，生成数据字典。在程序设计时，只需要采用组态中的数据对象即可。大大增加了程序的可读性。

程序设计可以在循环策略中编写，循环时间设为500ms，当数据库设计完成并将界面中的控件关联合适的数据对象后，开始添加代码。这里给出系统自动控制的部分响应代码。

四、总结

从仿真运行结果来看，整个程序运行正常，操作简便，能够满足控制要求，同其他控制器（如单片机）的设计相比，该系统采用可视化的编程软件使得程序设计非常方便并且易于进行并行处理，而且仿真调试可以直接在PC上完成，大大节约了系统的调试时间。

参考文献：

[1]程呈.基于PLC的火灾自动报警与消防系统的开发[J].硫磷设计与粉体工程,2009（6）：43-46.

[2]赵胜.FX2N-32MR三菱PLC在给煤机自动控制系统中的应用 [J].煤矿机电，2014（6）：120-121.

[3]曹辉，等.组态软件技术及应用[M].北京:电子工业出版社. 2009：1.

[4]高丽萍，郑萍.基于MCGS的PLC虚拟控制系统研究[J].西华大学学报（自然科学版），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

安徽省高校自然科学研究项目“基于3D体感交互的虚拟火灾演练系统应用研究”（KJ2015A381）

金仁贵(1962-)，男，安徽枞阳人，安徽省地质矿产局、安徽工业经济职业技术学院副教授，研究方向：电子和光电子学。