模拟火灾实战操作：模拟更真实的火灾场景

目前，真火消防训练方式太过原始，多为一次性的真火消防训练，训练成本过高且模拟火灾的真实性较差，不能满足消防员日益增长的消防训练需求。重庆科技学院的王爽、欧阳泽、王祺、马文源、周帝宏，在2023年第8期《电气技术》上撰文，提出一种自动化真火消防模拟控制系统，通过可编程逻辑控制器（PLC）与电磁阀、点火装置、传感器的连接，完成各个火点火势的大小控制；同时，采用人机界面（HMI）作为上位机监控设备，可实现对火场信息的显示和参数的修改。该系统稳定、环保、高效，能够模拟更真实的火灾场景，并且可以满足消防员多次大量的训练要求。

目前，真火消防模拟训练大多采用燃油燃烧、木头燃烧或者用真实的家具材料燃烧来模拟火灾情景，这种消防模拟训练方式太过原始，无法模拟出真实复杂的火灾环境，而且燃油和家具材料燃烧后会产生有害气体污染环境，并造成资源浪费，无法满足当前消防员的真火消防训练需求。

为了提高真火消防模拟训练的真实性，满足消防员进行多次大量消防训练的需求，提高消防员的消防救援素质，本文设计一种基于可编程逻辑控制器（program- mable logic controller, PLC）和人机界面（human machine interface, HMI）的真火消防模拟控制系统，通过对燃气管道各个电磁阀开口和点火装置的控制，以及对火场参数的采集和修改，该系统可模拟不同火灾场景及火灾发展规律，并且消防训练员能手动控制火势的大小。

1 系统总体方案设计

1.1 真火消防模拟训练系统工作原理

真火模拟装置由燃烧池、一定高度的水位、点火装置、燃气管道构成。燃烧池里有小火、中火、大火对应的燃气管道，它们相互独立不连通。通过控制小火阀、中火阀、大火阀的开合，可实现不同火势的变化。小火、中火、大火的燃气管道底部钻孔并且燃气管道浸没在燃烧池的水中，这样燃气从底部出来通过水的阻力会扩散得更加均匀，更利于燃气燃烧。

消防训练系统配置如图1所示，训练系统由燃气瓶、鼓风机、点火装置、电磁阀等构成。消防训练时，PLC给被控元件指令，火灾模拟装置可模拟火灾的发生及不同火灾火势的变化。

图1 消防训练系统配置

1.2 控制系统工作原理

真火消防模拟训练控制系统由HMI、PLC、温度传感器、液位传感器、电磁阀等构成。HMI和PLC之间采用以太网通信。与消防训练有关的火焰参数可由触摸屏输入，并保存到PLC寄存器中，以满足不同消防训练需要，实现模拟火场环境的多样化。该控制系统的组成如图2所示。

图2 控制系统的组成

2 控制系统硬件设计

2.1 硬件选型

PLC选用西门子S7—1200 CPU 1214C晶体管输出型（14输入/输出和两个模拟量输入通道），该型号的处理器具有稳定和点位多、操作简便的点。HMI选用西门子KTP1200 Basic PN作为上位机输入和监控设备。

增加2个数字量输入输出模块DI 16/DQ 16×24VDC_1和DI 16/DQ 16×24VDC_2（每个模块具有16个数字量输入/输出通道）、2个数字量输出模块DQ 16×24VDC_1和DQ 16×24VDC_2（每个模块具有16个数字量输出通道）、2个模拟量输入模块AI 8×13BIT_1和AI 8×13BIT_2（每个模块具有8个模拟量输入通道）、1个模拟量输出模块AQ 2×14BIT_1（具有2个模拟量输出通道）。模拟量扩展模块用来实现对传感器信号的采集和输出。控制系统硬件组态如图3所示。

图3 控制系统硬件组态

2.2 传感器测量

火焰温度传感器：安装在真火模拟装置上，用于检测真火训练时的火焰温度。液位传感器：用于检测真火模拟装置的液位变化，以确保真火模拟装置有足够的水位。鼓风阀开度传感器：安装在鼓风阀上，用于检测鼓风阀开口大小，以确定不同火势下的送风情况。

传感器参数会传入PLC，PLC接收并处理传感器信号，根据编写的逻辑程序来控制真火消防训练系统。HMI提供了一个人机交互界面，能够实时显示传感器采集的数据，让训练员能够监视和控制整个真火消防训练系统。

3 控制系统程序设计

3.1 控制程序的结构

本文采用西门子博图软件TIA（totally integrated automation）来编写消防训练的梯形图（ladder logic programming language, LAD）控制程序。真火消防训练控制系统的PLC控制程序由主程序块（organization block, OB）和带背景数据块（function, FC）、功能块（function block, FB）构成，这样可以把控制要求相同的输出点编写为FC或FB，从而可以多次调用，避免重复编写相同的代码，提高了代码的重用性和编程效率[8]。控制功能块如图4所示。

图4 控制功能块

3.2 功能块的作用

OB1为主程序块，当PLC上电时会首先循环执行OB1程序块。FC1主要实现对消防训练燃气管路各电磁阀和点火装置的控制。FC2主要实现对各房间温度、液位等模拟量的采集。FC3的作用是控制风机的起停。FC4用于实现对各房间喷淋阀、发烟机感应门等的控制。FC5主要用于各房间自动模拟火灾演变的控制程序。FC6用来选择发生火灾的房间、复位各房间的火点和选择计时器。FC7用来考评消防训练的效果。

3.3 控制程序设计

温度和液位信号分别由传感器采集，并输入扩展模块，扩展模块将采集到的信号输入PLC，经过PLC处理得到实际的额定工程单位值。首先通过设置限值将采集的模拟量限制在0～27648之间，再经过PLC数据处理便可得到温度和液位实际工程值。温度/液位的实际工程值计算公式为

式（1）

式（1）中，LIMIT为温度/液位限值后的模拟量信号。将限制后的模拟量放大1000倍后，再看其在27648中的比例就是实际工程值。图5为火焰温度工程值转换程序。

图5 火焰温度工程值转换程序

鼓风阀开度实际工程值的计算公式为

式（2）

式中，LBV（limit blower valve）为限值后的鼓风阀开度的模拟量。图6为鼓风阀开度工程值转换程序。

图6 鼓风阀开度工程值转换程序

本次以1房间为例，介绍真火模拟训练装置的点火和灭火训练流程。首先进行1火点选择，接着1火点置位，1火点点火阀打开（点火装置得电）。当I0.1火焰检测开关打开并且1火点点火阀打开时，提前设定的小火延时时间达到，小火阀打开，完成小火点燃。当满足小火点火的要求且设定的小火到中火延时时间达到时，打开中火阀，中火点火成功。当满足中火点火的条件且中火到大火的延时时间到达时，打开大火阀，大火点火成功。

当小火、中火、大火全部点燃时，火势达到最高。满足大火的点燃条件，当大火到中火延时时间到达时，大火阀关闭，大火熄灭。

满足大火的点燃条件，当火点实际温度小于等于设定的大火关火温度且火点的液位大于设定的大火关火液位时，大火阀火焰检测关闭，接着大火阀关闭，大火熄灭。满足中火的点燃条件，当中火到小火延时时间到达时，中火阀关闭，中火熄灭。

满足中火的点燃条件，当火点实际温度小于等于设定的中火关火温度且火点的液位大于设定的中火关火液位时，中火阀火焰检测关闭，接着中火阀关闭，中火熄灭。

满足小火的点燃条件，当小火到灭火延时时间到达时，小火阀关闭，小火熄灭。满足小火的点燃条件，当火点实际温度小于等于设定的小火关火温度且火点的液位大于设定的小火关火液位时，小火阀火焰检测关闭，接着小火阀关闭，小火熄灭，训练完成。

根据真火消防训练流程，火焰控制总流程如图7所示。控制程序图能使控制流程更加清晰，使编程更加简单，提高编程效率。

图7 火焰控制总流程

4 人机界面设置

4.1 PLC和HMI通信

上位机KTP1200 Basic PN和S7—1200使用连接通信，可实现对各房间火点的信息显示和控制。上位机和PLC使用PROFINET（process field network）连接协议，该连接协议是一种用于工业自动化领域的实时以太网通信协议。PROFINET接口是指用于连接设备和网络的接口，以实现PROFINET通信。PLC和HMI的连接如图8所示。

图8 PLC和HMI的连接

4.2 HMI画面组态

上位机组态的主界面如图9所示，在该界面可实现对控制系统燃气管道电磁阀的开合，可以根据不同的火灾场景，设置不同阀开合的组合模式。该界面可以显示燃气管道阀的开合、各火点火势大小、各火点温度和液位。

图9 上位机组态主界面

在鼓风机控制界面可以控制鼓风机的起停，显示和控制鼓风阀的开合及其开度大小。火点参数设置界面如图10所示，在该界面可以设置并显示火点火势变化的延时时间、火点火势变化的液位、火点火势变化的温度。

图10 火点参数设置界面

5 系统调试

以1火点为例，真火消防训练模拟训练装置如图11所示。调试时可在触摸屏上依次点击打开燃气瓶开关、鼓风阀、汇合阀开关、1号燃气管道阀开关、1号点火开关，以及1火点的小火阀、中火阀、大火阀开关。通过多次调整测试，该真火消防模拟训练系统能够满足火焰模拟、火势大小的控制要求。

图11 真火消防训练模拟训练装置

6 结论

为满足消防员日益增长的真火消防训练需求，本文提出了一种基于西门子PLC和HMI的真火消防模拟控制系统。与传统的真火消防训练相比，该系统更加智能、稳定、安全、环保，并且能更真实地模拟火灾环境。

本文所设计的系统能够通过触摸屏上的指令对各火点火势进行控制，也能记录并显示消防训练数据，使真火消防训练更加方便、安全、环保、快捷，能够满足消防员多次大量的真火消防训练需求。

本工作成果发表在2023年第8期《电气技术》，论文标题为“一种基于可编程逻辑控制器和人机界面的真火消防模拟控制系统”，作者为王爽、欧阳泽 等。