浅谈消防泵自动巡检系统研究现状及展望

一、消防自动巡检技术和产业发展背景和必要性

泵是现代工业中重要的设备之一，广泛的运用于各种输水、输油的管道中。其中，消防水泵是用于加压消防水源的重要装置，满足灭火时对水压和水量的要求。但近年来，各地消防部门在日常防火检查中经常发现消防给水设备不能正常运转，不仅如此，在发生火灾后消防给水设备不能正常使用的火灾案例也屡见不鲜，这固然有人为原因，但大多数的情况下都是由于消防水泵在长期停用过程中因维护管理不当而造成消防泵严重锈蚀、锈死、损坏，导致出现火灾时，消防水泵不能正常运转。针对上述问题，国家出台的多种防火、消防规定中明确指出，消防水泵应定期运转检查，检查内容包括水泵的流量和压力，检验电控系统和水泵机组本身是否正常，能否迅速启动。

消防泵巡检的常见方法有人工巡检和自动巡检。人工巡检是靠巡检人员定期对消防泵进行人工启停操作，以检查水泵能否正常运转，并作记录。这种方式虽然能完成全工况的试验任务，但是由于人工巡检依靠人的行为，往往存在管理不善和无人监督的弊端。自动巡检是采用工业计算机控制技术，对消防给水设备进行系统的动态监测，根据设定的周期重复地自动地完成对消防泵的检查，记录数据并反馈到消防控制中心。当发生火灾时它能自动切换至消防状态，并与建筑物的火灾报警系统结合，实现对消防供水全系统的整体监控。自动巡检无需人为特意巡检，提高了消防给水系统的安全可靠性，比较高效地解决了消防泵长期停用时造成故障无法及时启动的问题。

因此，通过相应的自动巡检控制设备对消防泵自动巡检，在极大地程度上降低了消防管理者的工作量，也确保了消防设备的科学化管理，是消防事业不可缺少的设备之一。不仅消防泵需要定期的自动巡检，其他通用水泵、柴油机水泵、高压电机水泵、排烟风机等设备也同样需要进行定期的检测，因此近年来，水泵自动巡检生产企业研发和生产的新型自动巡检控制设备系列产品，以消防泵的自动巡检为主导，兼顾其他类型泵或风机的自动巡检产品，是现有技术的衍生，符合市场实际需求。

1、消防自动巡检技术的国内外研究和知识产权状况及发展趋势

国际上，欧美等发达国家在水泵控制上起步早，对于各种类型泵的控制有着丰富的经验。虽然发达国家在泵的控制上技术先进，但是由于其相应产品价格较高，难以满足国内企业对于低成本的追求。

国内企业在水泵自动巡检、自动控制领域虽然起步晚，但主动消化、吸收国外经验和技术之后，同样具备生产自动巡检控制产品的技术条件和设备条件，而且国内技术成本低，产品具有价格优势，因此，国内产品市场占有率高。

同样以消防泵为例，目前现有的消防泵自动巡检设备，可大致归为两类：低频巡检和工频巡检。低频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，如：以低于300转/分钟的速度做低速运转。而工频巡检是定期将消防泵以额定转速运行一段时间。

这两种自动巡检方式都能在一定程度上检查消防水泵的状态，防止水泵生锈，且各有优缺点。工频巡检能反映出消防泵的实际运行工况，但巡检时耗电量大，使用成本高，且可能出现管网超压等不利影响，所以这种巡检方式并不经常使用。而低频巡检是在电机启动不完全的工况下实现，无法检验处消防泵机组轴的问题，检查项目较少，但是这种巡检方式耗电量小，且不会对管网增压，无需更改输水管网的设计。

由于消防泵的低频巡检和工频巡检都无法完全满足日常巡检要求，所以如何安排消防泵的自动巡检，成为消防泵自动巡检设备生产厂家普遍关注的问题。不仅如此，国内生产的众多消防泵巡检设备中，仅仅是检查泵机组电器主回路监测、电源电压、电流、缺相、绝缘阻值、耐压等内容，并作简单的记录，而并没有对相应的数据进行分析，对泵的运行过程做故障诊断。

2、技术突破对产业技术进步的重要意义和作用及市场前景。

诸如消防泵等泵类设备，在长期停用过程时仍需要进行检查以保证紧急状态下能正常启动，这使得泵自动巡检控制设备成为必需品。实际上，目前由国外引进的先进的泵控制设备均比较昂贵，限制了其应用。而国内产品在功能上仍有缺陷，若能通过自主研发、掌握核心技术，一方面通过对现有自动巡检控制设备的改进升级，注重实现设备的多功能化、快速化、自动化、信息化，满足市场需求；另一方面通过对国外先进设备的消化、吸收、掌握并再创新，在保证设备正常功能的条件下大幅降低生产、使用成本；将非常有利于相关企业自动巡检、自动控制水平的提高，并有利于扩大自动巡检控制设备的国产化率与市场占有率，其市场前景将非常广阔。

欧菱电气作为一家专业的电气自动化企业，专注消防巡检领域，为消防巡检系统在国内的推广应用，技术研发作出路很多贡献。着重针对消防事业对自动巡检控制产品的需求，立足于其取得的一系列核心知识产权，开发包括消防泵、通用水泵、柴油机水泵、高压电机水泵、排烟风机等设备的巡检或控制设备。在传统产品的基础上创新改进，以基本原理为依据，研制更加高效、自动化、快速、功能更加齐全的产品，为消防事业、城市建设、建筑行业提供更加完善的水泵巡检服务。

二、消防泵自动巡检主要科技攻关、研究开发的内容

研究内容：

目前国内对消防泵自动巡检研发内容主要代表性的设备为消防泵自动巡检控制仪（OL-HMI-1型嵌入式人机界面）和OL-XFXJ-10智能消防泵巡检控制设备的研发和完善。长远的研究涉及到带故障诊断功能的自动巡检设备、其他泵类巡检控制设备的技术改进和产业化。目前成熟产品主要的研究内容已基本完成，已完成的研究内容主要包括以下几方面：

1、完成消防水泵组巡检控制仪小型化的研究。传统的巡检控制系统均必须配置变频调速器和可编程序控制器及相应的配套设备才能实施巡检，变频调速器的采用不但使生产成本难以降低，而且占据体积大，必须为此配备巡检专用电气控制柜，这不但要占据消防水泵房的空间，而且增加了使用成本。而采用单片机简化控制系统，并集成在一个小型的机箱内，能有效的缩小巡检控制仪的体积。产品外形尺寸小，将极大地便于安装在用户现有的消防控制设备中，简化消防水泵组的控制系统。

2、完成提高消防水泵组巡检控制仪可靠性能和适用性能的研究。传统的巡检控制系统由于电气元器件多、控制过程复杂，不但增加了使用和维护难度，而且降低了控制系统的可靠性。而基于单片机技术的控制系统控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活、使用方便、有效地提高了控制系统的可靠性。

3、完成对消防泵自动巡检控制仪两种巡检方式的嵌入。市场上传统或常见的巡检控制仪通常只有低频巡检方式，然而低频巡检无法完全反映消防泵的实际运行情况。因此，若使巡检控制仪同时具有低频巡检和工频巡检功能，在低频无压巡检时水泵通过变频器低频供电，水泵在10周的频率下运行，由于水泵的转速低不会对管网产生压力；而带压巡检时水泵在工频电流下运行，带压巡检可以通过检测管道的压力反映水泵的工作性能；能更加充分的利用巡检仪设备。同时，无论是在工频恒压状态还是在低频巡检状态，当需要消防时巡检仪立即退出巡检使控制设备自动转入消防状态，保证灭火的正常进行。

4、完成对巡检控制装置的远程控制优化。由于消防设备比较分散，离消防控制中心较远，消防控制中心要实现对巡检控制装置的远程监控需要通过电缆连接，并需要配备总线模块、通讯模块；通过以太网进行监控的系统还要配备以以太网交换机、通讯处理器等一系列硬件同时对相关软件也有较高的要求。而通过GPRS通讯，简化了巡检装置与控制中心的监控连接，降低了成本，有利于对消防泵的巡检实现全天候的监控。

5、完成对巡检仪保护、记录、通讯、人机交互等功能的优化升级。消防泵自动巡检仪除对水泵进行巡检之外，还需具备保护、记录、通讯、人工控制等多项功能，为了使巡检仪更加符合用户的使用需求，需要不断结合市场反馈来调整优化巡检仪。

以上巡检仪小型化、可靠化、多适用性化、以及常用功能的产品优化已经完成或接近完成。产品获得消防产品强制性认证证书，通过国家消防电子产品质量监督检验中心的全性能委托检测，具有高新技术产品认定证书。产品拥有自主知识产权，一项发明专利、两项实用新型专利和一项软件著作权（一种消防水泵组的控制和巡检一体化电气系统，ZL201110061419.4；ZL201120066837.8；基于单片机的消防水泵组小型巡检控制仪，ZL201320272114.2）。此外基于GPRS通讯的消防水泵组远程巡检监控系统也已进入最后阶段。项目设计的关键产品（消防泵自动巡检控制仪、OL-XFXJ-10智能消防泵巡检控制设备）也取得了良好的市场评价。

下一步研发的内容有：

1、实现消防泵自动巡检控制仪对消防泵及其所在管路的故障诊断。市场上消防泵巡检设备中，仅仅是检查泵机组电器主回路监测、电源电压、电流、缺相、绝缘阻值、耐压等内容，并作简单的记录，巡检仪将记录的参数信息发送给控制中心后，还需要人为通过其他手段分析参数是否正常，或者判断故障的来源。若能将这种对所搜集参数的二次分析集成到巡检仪的单片机程序中，使巡检仪能够对泵及所在管路的数据进行分析，并对泵的运行过程做故障诊断，将是巡检仪功能的重大突破。

2、完成泵常见故障的理论分析和故障参数的实验测量。巡检仪对泵自动巡检过程中搜集参数的自动分析和对故障的诊断是基于单片机上的控制程序，然而为了使故障诊断更为准确，需要搜集泵发生故障时各参数的变化规律以及该故障可能的起因。以下是已完成的部分故障诊断内容：

表1泵部分故障诊断

故障类型

可能原因

故障类型

可能原因

水泵不出水

1、电机运行方向不对 2、吸入管漏气 3、泵没灌满液体 4、泵腔内有气体存在

真空表指针摆动过大；真空表读数过大

1、泵入口发生汽化 2、泵入口阀堵塞、卡住 3、吸水池水位降低

出口压力表读数过低；

1、压力表失灵 2、密封环磨损 3、过滤器堵塞 4、泵或吸入管内漏入空气 5、电机转速不够

流量不足

1、电压偏低 2、叶轮磨损 3、阻力过大，选型不当 4、管道或泵叶轮流道部分堵塞 5、阀门开度不足

功率过大

1、工作状态超出额定流量使用范围 2、吸程过高 3、泵轴承磨损

电流表读数过大

1、流量过大 2、定转子之间产生摩擦

泵机组产生过大振动

1、水泵和电机轴心线不对中 2、水泵或电机底座螺栓松动 3、泵小流量运行 4、输送介质内混有气体 5、汽蚀

压力表达不到规定值，伴有间歇抽空现象

1、压力表故障 2、电机转速不够 3、进液量不足 4、液体温度过高或汽化 5、叶轮流道堵塞

轴承温度过高（或者伴有杂音）

1、润滑油过少或过多 2、轴承间隙过小严重磨损 3、轴承弯曲或倾斜 4、润滑油内还有杂质 5、输送液体温度过高

密封填料处漏失量大

1、密封填料压盖松动或没有压紧 2、填料磨损严重 3、轴套磨损严重

密封调料冒烟

1、填料压盖偏磨轴套 2、填料过多 3、填料压盖过紧

····

以上对巡检仪自带故障诊断功能的研发是基于泵运行、控制的基本原理及实验数据，获得故障类型及其原因，同时通过编程软件将相应的分析程序写入巡检仪的单片机芯片中，该技术完全具有自主知识产权，是在技术上、功能上都有所突破。

解决的关键技术：

1.面向水泵自动巡检仪的小型化、可靠化技术。传统的巡检控制设备均必须配置变频调速器和可编程序控制器及相应的配套设备才能实施巡检，这使得巡检设备内部控制系统元件多、控制复杂，且巡检设备占据体积大，生产成本高。而根据单片机高集成度、体积小等特点，将控制系统主程序写入单片机芯片中，并采用简单的集成电路控制，可以简化了巡检仪控制系统，缩小了自动巡检仪的体积，使产品更加轻便、成本更低，可安装位置更广；利用单片机较高的抗干扰能力，可以使得巡检仪控制系统运行环境稳定可靠，从而提高巡检仪的可靠性。

2.基于单片机的水泵巡检仪控制技术。该技术致力于解决单片机为核心的集成电路替代原有巡检仪的控制电路，通过设在小型机箱内的基于单片机MCU的控制板及其元件控制巡检仪的日常工作。该技术的核心是合理的集成驱动电路、信号处理电路、开关电路等系列关键电路及其作用元件，使得基于单片机的水泵巡检仪成为可能。这种技术在巡检仪上的应用，有利于简化巡检仪，同时由于单片机高性能、强抗干扰能力、广适用性、低成本等特点，使得巡检仪更具有核心竞争力。

3.消防泵自动巡检仪双模式控制技术。在原有低频巡检控制系统的基础上，增加工频巡检控制模式，这种拥有自主知识产权的控制技术，将增加消防泵巡检仪的适用范围，提高其市场应用潜力。

4.消防水泵组的GPRS远程巡检监控技术。GPRSDTU采用高性能工业级嵌入式处理器，相应的操作软件为其提高支撑平台，并内嵌TCP/IP协议栈，实现与计算机之间的数据远程透明传输。通过消防水泵组的GPRS远程巡检监控技术可以简化监控系统的控制回路，提高了控制的可靠性；减少控制设备降低了设备的成本；并对消防泵的巡检实现全天候的监控。

5.可嵌入的自主开发的泵故障诊断信息数据库技术。根据实验测量得到的泵故障异常信号与其对应的故障原因，采用核心的数据库编写技术，建立全套的具有自主知识产权的泵故障诊断信息数据库，数据库给出了每一种声、光、电流、电压等信号发生异常时所对应的泵故障原因，每一种异常信号都对应多种故障原因。

6.基于单片机技术的故障诊断技术。通过自主知识产权的核心技术开发故障诊断程序及系统，故障诊断系统能够自动分析传入巡检仪的信号，并着重分析出现异常的信号，根据信号调取数据库中的故障原因并输出；当只有一种信号出现异常时，诊断系统可给出可能的故障原因及发生概率；当同时有好几种信号出现异常时，故障诊断系统能够自动缩小故障原因范围，给出合理的故障原因及发生概率。配置有故障诊断系统的巡检仪能够通过搜集的到的巡检数据进行简要分析，为用户提供故障原因的参考集，使用于更容易解决故障问题。

产品技术特点和创新点：

技术特点：综合起来，这些系列仪器具有以下突出特点：

1.结构简单、体积小。利用单片机简化控制系统后，巡检仪具有较小的体积，便于安装。

2.制造成本更低、操作更简便、使用寿命更长。在消防泵自动巡检控制仪上采用单片机技术后，系统变得简便，产品的制造成本更低；采用单片机后系统更可靠，使用寿命更长，同时人机友好的交互界面使操作更加简单。

3.适用性强。单片机为核心的控制系统与其他控制系统的兼容性强，产品的使用范围扩大；同时，消防泵自动巡检控制仪采用两种模式的巡检方式，为巡检工作更加便利，扩大了市场应用范围。

4.功能齐全。相比于传统的巡检仪，新型消防泵巡检控制仪增加了故障诊断功能，为用户判断泵故障原因提供参考，缩短了检查排错的范围，更有利于巡检人员对水泵的维护和检修。

除此之外，本项目研发/改进的各类泵的自动巡检控制装置普遍具有低成本、高性能的特点，为用户在巡检泵及所在管路时提供全面、准确的数据。

产品的主要创新点包括：

1.创新性地将单片机技术用于自动巡检设备，增加了自动巡检设备的科技含量。在保证原有功能的情况下，使得产品更轻巧、简单、可靠。

2.在巡检仪的巡检模式上创新地提出双模式控制技术，使巡检仪同时拥有低频巡检和工频巡检能力。

3.将GPRS数据传输技术应用与远程巡检控制，实现远程控制的简单化与实时性。

4.突破性的将泵故障诊断系统集成到巡检仪中，使得巡检仪具备自动故障诊断功能，提高了产品的科技含量，

与国内外同类产品的水平比较

1、与国外产品的比较

相比于国外产品，本项目的自动巡检控制设备普遍具有低成本的优势。

2、与国内产品的比较

从文献调研的情况来看，现有技术文献“一种微机控制自动巡检消防给水设备控制柜（ZL95207683.7）”，现有技术文献“一种消防给水设备数字智能巡检控制器（ZL200620001068.2）”，现有技术文献“一种消防水泵组的控制和巡检一体化电气系统（ZL201110061419.4）”，所述的消防水泵组巡检控制设备在实际使用中存在如下不足：

第一，巡检控制系统均必须配置变频调速器和可编程序控制器及相应的配套设备才能实施巡检，变频调速器的采用不但使生产成本难以降低，而且占据体积大，必须为此配备巡检专用电气控制柜，这不但要占据消防水泵房的空间，而且增加了使用成本。第二，巡检控制系统电气元器件多、控制过程复杂，不但增加了使用和维护难度，而且必然降低了控制系统的可靠性。

而本项目中的基于单片机的小型消防水泵组巡检控制仪革除了变频调速器等控制设备，从而降低了生产和使用成本。与此同时，采用单片机简化控制系统，有效提高了控制系统的可靠性。与传统的同类巡检控制设备相比，本项目中的产品基于并采用了体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便的单片机，而且集成在一个小型的机箱内，外形尺寸小，便于安装在用户现有的消防控制设备中，简化了消防水泵组的控制系统，加之，安装中接线简要，使用中人机界面简明，巡检操作简易，有效提高了控制系统的可靠性。

从市场上的同类产品分析，市场上已有的XFH-XJ数字智能自动巡检消防控制设备、HCS—XJ—4型消防电气控制装置（消防泵自动巡检控制设备）、TH-F-IV-55/6消防巡检设备等一系列产品均只有低速巡检方式，巡检结果无法完全反映出泵的情况。相比于这些产品，本项目的自动巡检设备具有两种巡检模式，巡检结果的准确性更高、产品的适用性更广，同时，本项目产品采用GPRS的数据传输方式，更有利于控制中心的远程监控与实时监控。更重要的是，本项目正在研发的产品具有对泵的故障诊断功能，通过搜集的数据给出相应的分析，便于泵发生故障时巡检人员及时排除故障，这一特点将使的本项目产品相比同类市场产品更具有优势，竞争力更大，也必将有更大的市场占有率。