油气化工码头消防控制系统的智能化改进

梁光远

（广西北部湾港能源化工港务有限公司防城港分公司，广西 防城港 538000）

随着城市化进程的迅速推进和工业化水平不断提升，油气化工码头作为重要的产业基地，火灾防控问题日益凸显。保障员工人身安全，保证生产设施的完整性，有效预防和控制火灾风险，迫切需要采用先进的消防控制系统来加强管理。

1 自动化消防系统的联动与连锁控制

1.1 火灾报警控制系统

在现代化的油气化工码头，火灾报警控制系统的准确性和响应速度直接影响整体安全运行。为提高其性能，该文进行深入研究。首先，收集现有系统在不同情境下的响应数据，例如在不同浓度的烟雾及不同速率的温度上升时的响应时间。这些数据提供一个关于系统在各种情境下性能表现的基线[1]。

为了更精确地了解系统的响应，在实验室中模拟油气化工码头的环境。通过模拟不同的火灾情景，测试系统在各种状况下的响应速度。特别关注光电传感器的阈值设置以及使用公式计算温度变化率与系统的实际响应间的关系。感知阶段的时间计算可以通过公式（1）来描述。

式中：T为温度变化率；ΔT为温度变化量；Δt为时间变化量。

火灾报警控制系统的联动功能在紧急情况下至关重要，可以确保信息及时传递到其他关键系统，例如应急广播系统和灭火系统。实时响应是任意2个报警装置报警会同时触发应急广播系统启动。通过内部通信协议，系统可以在毫秒级的时间内完成响应。智能化设计通过高度智能化设计，保证信息精准传递。通过精确的编程逻辑，系统可以判断火源位置和潜在风险，调整灭火和疏散策略。

1.2 七氟丙烷灭火系统

七氟丙烷灭火系统在油气化工码头消防体系中起到至关重要的作用。该系统采用七氟丙烷作为灭火剂，利用其快速、无害和高效的特点，当火源初起时迅速扑灭火势。

自动触发机制是由火灾报警控制系统负责的。当同一室内的烟感或温感中的任意2个报警装置被激活后，系统会自动触发七氟丙烷系统启动灭火。这样的联动控制保证灭火过程及时和准确，有效减少了火灾对人员和设备的危害。系统还具有智能化的监控功能，能够实时监测灭火剂的压力、流量以及灭火区域的温度，从而调整灭火策略。通过该功能进一步提升了系统的灭火效率和可靠性[2]。

1.3 应急广播系统

应急广播系统作为消防控制体系的核心部分，承担着向现场人员提供及时、准确疏散指令的重要任务。为了实现这一目标，该系统采用有线连接以确保信息安全传输，并使用256位加密技术。该系统与火灾报警控制系统有紧密的协同操作功能。当2个或更多的报警装置被激活时，系统的内置算法可以在0.5s内进行判定，并立即启动广播，确保快速且准确地联动响应。

为了增强音质，采用数字音效处理，即使在嘈杂的环境下，广播信息也能清晰传达。应急广播系统能够与火灾报警控制系统的报警信号联动控制，当有2个火灾报警信号触发时，会连锁启动应急广播系统，火灾报警信号通过广播报警，当需要广播语音时，应急广播系统能够强制切换到语音模式。

在操作界面方面，应急广播系统通过麦克风和相关的物理按钮进行操作。系统设计简洁实用，方便操作员快速响应紧急情况。为了适应不同场合，它还具备夜间模式，以减少对操作员的视觉干扰。系统的硬件部分采用模块化设计，使其能够轻松地与各种规模和类型的报警系统进行集成。应急广播系统不仅在设计方面考虑了实用性和功能性，还对技术策略和参数进行优化，确保在紧急情况下能够为现场人员提供最准确、及时疏散指导。

1.4 可燃气体探测系统

该研究的目的是针对化工码头特殊环境设计1个具备高灵敏度、防爆、防腐蚀特点的可燃气体探测系统，能够实现与消防控制体系的无缝连接，提高火灾应对效率[3]。

点型可燃气体探测器采用专用智能传感器技术和零点温度补偿技术精工制造而成。这款探测器利用气体对特定红外光谱的吸收特性进行浓度测量，具有高度灵敏的响应能力。其灵敏度针对甲烷和乙烷可达到0.00001，响应时间小于2秒。该设备排除外部环境因素，例如受温度、湿度等的干扰，这得益于先进的差分检测技术。考虑到化工码头等工业环境的特点，主体材料选用316L不锈钢，具有出色的防腐蚀性能。其防护等级为IP66/IP67，特别适合于石油、化工、燃气以及电力等环境复杂、要求严苛的工业场所。

基于红外检测原理，点型可燃气体探测器能准确地检测绝大部分常见的可燃烷烃气体以及石化行业的特殊气种。测量精度为+1%F.S，且响应时间T90小于25s，确保在紧急情况下能迅速、准确地提供反馈。长期稳定性达到+1%F.S./月，传感器寿命在8～10年（实际寿命受使用环境影响）。该设备具有高防爆等级ExdibIICT6Gb/Ex tD ibD A21 IP66/IP67 T80以及防护等级IP66/IP67，保证在各种苛刻环境下稳定地运行。在电力方面，工作电压为24VDC，最大功耗小于3W。通信方式采用4mA～20mA，触电容量包括2路常开继电器输出，分别为3A/125VAC或3A/30VDC以及1路常开有源触点，为100mA/24VDC。系统内置1个自诊断微控制器，该控制器每隔10min进行一次系统自检，并通过LED指示灯和声音报警的方式，提示操作员系统的工作状态。这款探测器不仅是一个高性能的可燃气体检测设备，还是一个综合性的安全管理系统。在探测到可燃气体泄漏的情况下，可燃气体探测器能在25s内准确反应，并通过4mA～20mA通信方式，迅速将警报信息发送至消防控制中心。该设备还设计一个应急广播模块，当探测到泄漏时自动启动，为现场人员提供疏散指导。

1.5 联动与连锁控制原理

联动控制是指各个系统间根据火源情况和危险程度自动协同工作的过程。例如当火灾报警控制系统检测到异常时，可以自动触发七氟丙烷灭火系统的启动，并同时通过应急广播系统发布警报和疏散指令。

连锁控制是一种更严格的安全保障机制，确保在特定情况下，某些关键操作必须按照预定的顺序和条件进行。例如当检测到可燃气体泄露时，必须先启动灭火系统，再关闭相关的电气设备，最后通知现场人员疏散。

2 PLC控制与Modbus通信协议

2.1 PLC控制

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）在现代消防控制系统中起核心作用。PLC控制原理结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，提供强大的实时控制能力。

基本原理与结构：PLC通过读取现场设备的状态（例如传感器、开关等），执行预先设定的控制程序，然后控制现场的执行元件（例如马达、阀门等）。常见的PLC结构包括中央处理器（CPU）、输入/输出接口（I/O）和存储器等。

消防系统中的应用实例：PLC在消防系统中负责联合各个子系统，如火灾报警、灭火以及疏散等，形成统一、智能的响应。例如当火灾报警探测到火源时，PLC即时解析数据，根据预设逻辑控制灭火装置和疏散导向。

数学模型与控制算法：在PLC控制程序中，系统的动态行为和交互通常可以用几个核心变量和参数来描述，包括系统状态、控制输入和系统输出。

PLC编程与仿真：PLC控制程序通常通过梯形图、指令列表或高级编程语言来编写。现代的PLC编程工具还提供仿真功能，允许在投入使用前对整个消防控制逻辑进行虚拟测试。

现场调试与监控：PLC还提供丰富的现场调试和监控功能，使工程师可以实时观察系统状态，快速定位并解决问题。例如通过人机界面（HMI），操作员可以直观地了解火灾报警系统的工作状态，并进行必要的手动干预。

2.2 Modbus通信协议

Modbus通信协议是一种常用的工业通信协议，应用广泛，尤其在自动化控制和数据采集系统中具有重要作用。

2.2.1 协议简介

2.2.1.1 协议特性

Modbus协议以其开放、简单、健壮的特点而广受欢迎。该协议基于主从结构，可以支持多种通信模式，例如RS-485、TCP/IP等。

2.2.1.2 数据结构

Modbus协议主要通过寄存器和线圈来表示数据。其中，寄存器用于存储16位的数值型数据，线圈用于存储1位的布尔型数据。

2.2.1.3 通信模式

Modbus协议支持RTU（Remote Terminal Unit）和ASCII两种模式。RTU模式以二进制格式传输数据，效率较高；ASCII模式则以ASCII字符格式传输，便于人工识读。

2.2.2 在消防系统中的具体应用

2.2.2.1 系统集成

在消防系统中，需要集成各类设备，例如报警探测器、灭火器材和通风设备等。Modbus协议提供统一的通信接口，使来自不同供应商的设备可以无缝连接。

2.2.2.2 实时数据采集与控制

消防系统需要实时采集温度、烟雾等数据，并做出快速响应。通过Modbus协议，消防控制中心可以迅速读取现场设备的状态，并发送控制命令。

2.2.2.3 远程监控与诊断

通过Modbus协议，消防系统还可以与远程监控中心连接，实现远程监视和诊断。这不仅便于运维人员的工作，还提高了系统的可靠性和及时性[4]。

Modbus通信协议通过其开放、简单和可靠的特性，在消防系统中发挥了关键作用。从系统集成到实时控制，再到远程监控，Modbus协议都为消防系统的智能化和自动化提供强有力的支撑。

3 不间断电源（UPS）

3.1 UPS的重要性

消防控制系统强烈依赖于电源的持续稳定供应，因为任何电力中断都可能使火灾报警、灭火和通风等关键系统失效，所以会导致无法预测的危险后果。幸运的是，当断电时，UPS可以为关键设备提供短暂的电源，确保其无缝运行，从而为人员和财产安全提供一层额外的保障。除了持续供电的功能，UPS还对电源的质量有至关重要的作用。由于UPS能够有效地滤除电网中可能损害消防设备的电压波动和电磁干扰，因此，它确保设备得到清洁、稳定的电源，从而保证其正常且高效地运行。

3.2 具体技术和配置方案

3.2.1 选择合适类型

消防系统对电源的稳定性要求极高，因此需要选择高性能的在线式UPS。与离线式UPS相比，在线式UPS能够提供连续不间断的电源供应，更能保证电源的稳定性。

3.2.2 容量配置

3.2.2.1 计算总功耗

消防系统的每个部件都需要电源供应，因此，首先需要计算整个系统的总功耗，如公式（2）所示。

式中：n为设备数量。

3.2.2.2 考虑安全系数

为防止超负荷运行，还需要乘以一个安全系数。

通常情况下，安全系数为1.2～1.5。

3.2.3 其他参数设计

设计备电时间时，要结合关键部件的运行时间需求、本地电网的可靠性以及备用发电机的启动时间。系统关键部件的运行时间需求决定了在市电中断后，系统至少需要多长时间的电源来维持其基本功能，如果关键部件的持续运行时间至少需要1h，那么备电至少要提供1h的电量。考虑到本地电网的可靠性，如果本地电网经常出现中断，可能需要更长时间的备电。例如一个电网月平均中断2次，每次中断平均30min，为了确保系统连续运行，备电时间至少应为30min。备用发电机启动所需时间也是一个关键参数。如果发电机启动需要5min，那么备电至少要能提供这5min的缓冲时间。

UPS设备在运行过程中会产生大量热量。必须考虑合理的散热设计。设备间距要保持足够的空间，确保热量散发。如有需要，可以配备专门的冷却设备。除此之外，UPS不仅要与消防系统集成，还需要与楼宇自动化、安全监控等其他系统协同工作，实现全面的智能化控制。

4 人机管理界面的研发

人机界面在消防控制系统中的研发与应用至关重要。该文将详细论述触摸式大液晶屏、多重电路保护技术和故障智能诊断功能的具体技术和应用。

触摸式大液晶屏作为人机交互的核心，提供了直观、友好的图形界面，使操作更简单、高效。该界面集成各个子系统的控制和监控功能，具有直观操作、灵活配置、一览无余的特点[5]。

多重电路保护技术为消防控制系统提供了可靠的电路保护，确保系统在复杂环境下安全、稳定地运行。该技术包括电流保护和电压保护。通过监测电路的电流，一旦电流异常超过阈值，系统会自动切断电源，避免电路短路或过载引发火灾。监测电路的电压波动，当电压超过规定范围时，系统会立即采取措施，防止设备受损。

故障智能诊断功能能够实时监测消防控制系统的运行状态，识别并定位故障，提供快速准确的诊断报告，从而提高系统的可靠性和可维护性。实现自动诊断，系统会自动检测设备的运行状态，一旦发现异常，会自动触发诊断过程。诊断结果会以图文形式显示在界面上，操作人员可以快速了解故障原因和解决方案。

5 结论

5.1 研究成果

该文深入探讨消防控制系统中的关键技术以及这些技术在保障火灾安全和控制效率方面的设计策略。从火灾报警控制系统到七氟丙烷灭火系统，再到应急广播系统和可燃气体探测系统，每个子系统的自动化程度和联动功能进一步提升，从而在化工码头等重要场所的火灾防范和控制方面发挥了重要作用。同时，PLC控制原理、Modbus通信协议以及UPS技术的应用，使整个消防系统更智能化、自动化，并提高了系统的稳定性和可靠性。人机界面的研发与应用，使操作人员能够更便捷地监控和控制系统，为消防安全保驾护航。

5.2 未来发展方向

随着人工智能技术的发展，可能会在消防控制系统中引入智能分析算法，实现火灾风险预测、自动判断火源、优化联动控制等功能，提前预防火灾的发生。未来的消防控制系统可能会更网络化，通过云端管理，实现远程监控、维护和数据分析，从而提高管理的效率和响应速度。自动化的故障智能诊断功能有望进一步发展，实现对系统状态的自动监测、自动故障定位以及自动维护等功能，减少人工干预。在UPS技术方面，随着新能源技术的发展，可能会采用更多的可再生能源，如太阳能、风能等，为消防控制系统提供绿色、可持续的电源。未来的人机界面可能会进一步创新，引入增强现实（AR）或虚拟现实（VR）技术，使操作界面更直观、交互性更强。