一种集成式压缩空气泡沫灭火系统及其控制方法

1.本发明属于工业自动化消防技术领域，具体涉及一种集成式压缩空气泡沫灭火系统，还涉及该系统的控制方法。


背景技术：

2.压缩空气泡沫系统(cafs,compressed air foam system)是近年来在国外发展比较迅速的一种新型灭火系统，因为其灭火效率高，能够实现对多种类型火灾的灭火被广泛应用。但传统的cafs是由多模块组合而成，集成度不高导致占地面积较大且成本较高；此外压缩空气泡沫灭火系统内部的发泡原理及设备的动态控制是整个系统的核心，目前如何快速、稳定地产生符合灭火要求的泡沫成为系统发展的难点，而对于cafs设备控制器的设计却研究较少，目前一些针对于cafs设备的基础pid控制器虽已提出，但存在无法灵活面对各种工况的问题，而且基本上都只是对泡沫路和空气路进行调节，并未对水路进行调节，然而水流量的大小同样会影响整个系统的动态稳定，因此水路的pid控制器的设计同样重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种集成式压缩空气泡沫灭火系统及其控制方法，解决了目前cafs设备对于各种工况的灵活适应度、以及对水路的调节有待进一步优化的问题。
4.本发明所采用的一个技术方案是；
5.一种集成式压缩空气泡沫灭火系统，包括用于控制整个系统的控制中枢，供电电源，空气路、水管路、泡沫路以及设置于外部的备用空气压缩机；
6.空气路的空气压缩机通过空气管路连接至泡沫发生器，空气管路配置有单向阀和调压阀；泡沫路配置有泡沫泵，泡沫路通过泡沫管路连接到三通球阀的第一通；水路通过水管路接到三通球阀的第二通，水管路配置有变频离心泵和水流量计；三通球阀的第三通通过混合管接到泡沫发生器；水和泡沫液在混合管中混合形成混合液；在泡沫发生器的前端配置有压力传感器，混合液和空气在泡沫发生器中混合形成压缩空气泡沫溶液，压缩空气泡沫溶液经电动蝶阀输出；备用空气压缩机作为备用、其经单向阀接入空气管路。
7.本发明的另一个技术方案是；
8.系统的控制方法具体包括如下步骤：
9.步骤1、首先确定水流量的大小，水流量与泡沫流量之间存在一阶惯性环节的关系，在确定水流量之后可以确定泡沫溶液的流量；在确定水流量之后变频离心泵开始工作，水流量计开始检测水流量的大小，其中水路中存在pid控制器，通过将测得的输出水流量经过水泵传递函数k1与给定水流量进行比较，将得到的误差信号作为pid控制器的输入，然后利用水路的pid控制器对水路中的变频离心泵进行调节来改变水流量的大小，进而实现固定气液比条件下水流量与压力保持恒定；
10.步骤2、在水流量计检测到水流变化后，泡沫泵开始工作，根据预先设定的流量指标将泡沫溶液输送到泡沫路中，通过泡沫路的pid控制器来实现对泡沫溶液流量大小的控
制，此过程为将泡沫路实际输出流量大小经过泡沫泵传递函数k2后与给定泡沫液流量大小进行比较，将两者的差值作为pid控制器的输入，而pid控制器的输出对泡沫泵进行控制，进而自动调节泡沫溶液流量的大小，以便维持泡沫路的输出量不变；
11.步骤3、在进行步骤1和2的同时，泡沫溶液与水路在进入混合室之前通过管路先进行混合，根据输液管路的特性通过压力传感器可以得到混合液的压力，同时由设定的气液比可以计算出给定的空气流量，而通过单向阀的特性可以将计算得到的空气流量换算成空气压力，空气压力与混合液压力之间也同样存在一阶惯性环节关系，因此通过管路特性、单向阀特性以及气液比可以确定泡沫溶液、水、空气三者之间的关系；
12.步骤4、在确定空气流量之后经过转化得到给定空气压力，而在空气路同样存在pid控制器来调节空气路空气压力的恒定，此过程为将实际输出空气压力的大小与给定输入空气压力大小经比较环节产生误差信号后，将误差信号作为pid控制器的输入，pid控制器的输出对单向阀进行控制，其中系统输出量经过比例阀传递函数和单向阀的限流特性k3与系统输入进行比较，自动调节气相压力来维持压力恒定。
13.本发明的特点还在于；
14.步骤1中，输出压缩空气泡沫的流量指标是根据泡沫混合比r
fw
将泡沫流量与水流量按照泡沫原液的性质分为1％、3％、6％等比例混合来制定的，由此可以确定水路中水流量的pid控制算法具体如下公式(1)所示：
[0015][0016]
步骤2中，泡沫路pid算法具体如下：
[0017]
根据泡沫混合比r
fw
将泡沫流量与水流量按照泡沫原液的性质分为1％、3％、6％等比例混合如下公式(2)和(3)所示：
[0018][0019][0020]
其中，qf为泡沫流量，qw为水流量。
[0021]
步骤4中，空气路pid算法具体如下：
[0022]
根据气液比r
ah
将气液比为4:1或3:1或6:1的空气与泡沫混合液混合产生灭火所需要的泡沫质量，其中灭火要求的，可以得到关于空气路的pid算法具体如下：
[0023][0024]
其中，气液比r
ah
是气体流量和液体流量的比值，qa为空气流量，qh为泡沫原液与水叠加流量，气液比r
ah
即空气流量qa与混合液流量qh的比值；
[0025]
通过空气路压力传感器、混合室压力传感器检测压力的比值：
[0026]
pa＝kph(5)；
[0027]
其中，pa是空气压力，ph是水和泡沫溶液的混合后压力；
[0028]
由上述得出可以通过调节k值调节气液比，其中：
[0029]
1.0≤k≤1.15(6)；
[0030]
利用该关系可以保证空气与泡沫混合液充分混合，由此可以通过改变k值来产生适合各种火灾场景的压缩空气泡沫。
[0031]
本发明的有益效果是，本发明一种集成式压缩空气泡沫灭火系统及其控制方法，与现有技术相比，不仅将空气压缩机、泡沫泵、水泵、及控制和供电模块都集成在一起，在一定程度上减小了体积并且节约了成本，并且系统运行的可靠性大幅提升，同时在设备外部留有备用端口可供外部空气压缩机接入来提升系统输入能力；此外，采用的控制方法是在多pi调节模式下的一种新型pq控制，在已有的一些控制算法只对泡沫路和空气路进行调节的基础上增加了对水路的控制，这样在三路pid控制器共同调节情况下，使得系统在输出更加准确，完全符合灭火的要求。
附图说明
[0032]
图1是本发明一种集成式压缩空气泡沫灭火系统的系统框图；
[0033]
图2是本发明一种集成式压缩空气泡沫灭火系统中水路pid的原理框图；
[0034]
图3是本发明一种集成式压缩空气泡沫灭火系统中泡沫路pid的原理框图；
[0035]
图4是本发明一种集成式压缩空气泡沫灭火系统中空气路pid的原理框图
[0036]
图5是本发明一种集成式压缩空气泡沫灭火系统中pid的控制逻辑框图。
[0037]
图中，1.水注入口，2.泡沫液注入口，3.压缩空气泡沫液输出口，4.变频离心泵，5.泡沫泵，6.三通球阀，7.压力传感器，8.电动蝶阀，9.调压阀，10.单向阀，11.空气压缩机，12.控制中枢，13.供电电源，14.泡沫发生器，15.水流量计，16.备用空气压缩机。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种集成式压缩空气泡沫灭火系统及其控制方法进行详细说明。
[0039]
本发明一种集成式压缩空气泡沫灭火系统，如图1所示，包括泡沫发生器、供电电源、空气压缩机、泡沫泵、变频离心泵、控制中枢、压力传感器以及个种阀门和管路；空气路的空气压缩机11经过调压阀9和单向阀10与泡沫发生器14相连，水路管路经变频离心泵4接到三通球阀6一端，另一端与泡沫泵5相连，两者在管路中混合后同样经管路接到泡沫发生器14中，其中水路中接有水流量计15用于检测水流量的大小，在泡沫发生器前端存在压力传感器7来检测混合液的压力大小，三者最终在泡沫发生器14中混合形成压缩空气泡沫溶液经电动蝶阀8输出，同时外部的备用空气压缩机16经单向阀10接到泡沫发生器中以作备用。
[0040]
如图2所示，关于本系统控制中枢控制算法的相关过程；第一步：根据cafs流量标准得到水流量，而水流量于泡沫溶液流量之间存在定量关系，由此可以得到泡沫溶液流量，同时根据气液比可以得到空气流量；第二步：在对空气路泡沫路进行调节的同时，水路中水流量由于空气流量与泡沫流量也是处于动态变化中，所以将水流量计测得的水流量与设定值进行比较，同样将所得差值送到水路pid控制器中，然后对水路中的变频离心泵进行调节实现水流量大小的可调以达到设定目标。
[0041]
如图3所示，根据流量指标计算得到水流量之后，由水流量与泡沫溶液流量的定量
关系将泡沫路输出的实际泡沫液流量与期望泡沫液流量作比较，将得到的差值送到泡沫液回路的pid控制器中，通过pid控制器的输出对泡沫泵进行调节，减小泡沫液输出误差，使其达到预期期望指标。
[0042]
如图4所示，通过单向阀特性可以得到空气流量与空气压力之间存在换算关系，而空气压力与混合液的压力也同样存在一定算法关系，因此将实际得到的空气压力与预设值进行比较，将所的差值作为空气路pid控制器输入，然后通过pid控制器输出对比例阀和单向阀进行控制，调节空气压力使其达到预期设定目标。
[0043]
如图5所示，控制流程的正常运行模式，第一步：先启动空气路、水路以及输出通道，即启动空气压缩机、离心泵、出口阀，对于泡沫路的开启遵循三段式运行模式，即首先通过音叉传感器检测是否存在残留泡沫液，然后再开启泡沫泵、设置三通球阀并导通泡沫路；第二步，经水路水流量计测出水流量后一方面计算出泡沫液的流量，将计算得到的泡沫液流量转换为模拟量发送到伺服电机，经伺服电机执行发出泡沫原液得操作指令，随后经泡沫路的泡沫流量检测计检测是否达到目标泡沫量，若未达到设定值则返回重新计算泡沫溶液流量；第三步：在泡沫回路单元执行的同时，将水流量计检测到的水流量转化为模拟量发送到变频离心泵，通过实现对泵的转速的调节实现调节水流量的大小，经水流量计检测水流量是否达标，若未达标则返回重新计算水流量大小；第四步：在水路与泡沫路混合后通过压力传感器测出水溶液的压力后计算出对应所需要的空气压力，将所需气压转换为模拟量发送到电气比例阀来调节减压阀控制整个回路的气压大小，最后通过压力变送器检测气压是否达到目标值，若未达到则返回继续计算所需空气压力；第五步：若空气路、水路、泡沫路三个单元算法执行无误且都满足目标设定，则对火警警情进行判定，若警情解除，则再次设置三通球阀来关闭泡沫路和水路，进而关闭泡沫泵、空压机及离心泵，最后关闭出口阀结束设备运行，若火警未解除则返回至第二步继续进行。
[0044]
本发明一种集成式压缩空气泡沫灭火系统及其控制方法，根据泡沫灭火系统的空气流量、压力；泡沫原液流量、压力；水流量、压力几者的相互影响关系，提出一种新型控制方法，使得压缩空气灭火系统更加稳定可靠地运行，具有一定的实用意义。