基于PLC的自动灭火器系统设计Word文件下载.docx

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（3）火灾的可探测性火灾都伴有不同的火灾参数。

在明火燃烧中，主要的火灾参数有温参数、火焰参数及烟参数等。

这些参数随着火灾的发展而变化，基本呈增大的趋势，且各参数间存在着一种相辅相成的逻辑关系。

根据这些火灾参数特征可以实现火灾探测报警，避免火灾发生。

1.4火灾自动灭火技术及探测报警的发展和概况

早在1847年美国牙科医生钱林（Charming）和缅因大学教授华迈尔（Farmer）研究出世界上第一台用于城镇火灾报警的发送装置，1890年英国又研制成功了感温式火灾探测器。

从此人类开创了火灾自动探测报警技术的新纪元。

一百五十年来，世界上科学技术取得了突飞猛进的发展，火灾探测技术也相应迅速发展，各种感温、感烟、感光等类型的火灾探测器相继问世，一并日臻完善。

从19世纪40年代至本世纪40年代，经过漫长的一百年来，感温探测器一直占主导地位，火灾自动报警系统处于初级发展阶段。

定温和差温探测器有双金属型、水银接点型、易熔合金型、玻璃球膜胀型、热电偶型以及半导体型等等。

由于其灵敏度比较低，探测火灾的速度也比较慢，尤其对阴燃火灾往往不响应，因此，它一直无法较好地实现火灾早期报警的要求。

直到本世纪50年代初，瑞士物理学家埃斯特。

迈里（ErnstMeili）研究离子型感烟探测器获得成功，感烟火灾探测器开始登上历史舞台。

火势蔓延往往始于烟，感烟探测技术使人类在实现火灾早期报警向前迈进了一大步，立刻引起了人们的重视并得到广泛应用。

从此，感温探测器被排挤到次要地位。

随着电子工业的发展，场效应晶体管代替了阴极射线管，使电路电压能够从220V_降低到24V，用电池也可为探测器供电。

加之集成电路和微机的出现，又为离子感烟探测器的智能化提供了广阔的前景。

据统计，至1970年，整个欧洲已安装了近百万只。

迄今，它在全世界范围内仍占己安装探测器的90%左右。

可以说，它以绝对优势占据中心地位长达三十年之久。

70年代末，因高寿命的光电元器件技术取得突破，光电感烟探测器才应运而生，使离子感烟探测器面临新的挑战。

十多年来，尽管人们对两种探测器性能上差异的评价众说纷纭，但国外却一直在大力研制和发展光电感烟探测器，并取得长足的进展、如在日本、瑞士它的销售量己上升到90%以上，欧洲也在大幅度减少离子感烟探测器。

同样，我国也开始出现类似的倾向。

现在这两种探测器每年的销售量大约平分秋色了。

80年代中期，在总线制火灾自动报警系统出现后不久，随着微处理器、计算机及智能技术的最新发展，又推出了智能化模拟量报警系统。

90年代初，我国的智能化系统也取得较大进展，各种智能型系列产品相继问世。

灭火系统最常用的有喷水灭火和泡沫灭火两种。

泡沫灭火主要用在针对性强的灭火过程，即手动灭火，而且泡沫产生后不适合远距离传送，所以泡沫发生装置也要在火灾现场，再则，泡沫灭火的泡沫发生装置和原料成本都比较贵，所以泡沫灭火不太适合用于只能控制，而且在任何场合我们设置火灾报警灭火系统都是为了以防不测，也不可能大量堆积泡沫发生装置的，所以论文中我们不采用该灭火方法。

喷水灭火主要是在火灾安全隐患出或者灭火的关键点处设置喷水喷头，当检测到火灾发生后，控制器会向灭火系统发送喷水命令进行喷水灭火。

喷水系统是和蓄水池连接，所以不用担心会像泡沫发生器一样在火灾扑灭前穷尽。

本论文中才用的是喷水灭火。

2、本设计的整体思路和方案

2.1本设计的主要内容和要求

（1）设计的主要技术指标

1）设计探测器的方案、各个点至少应有烟雾和温度两种探测器探测火灾，即可自动动灭火，也可手动灭火。

2）能够显示各点的情况。

3）分布点与总监控点的距离最远为380米。

4）电源的设计能在电网220V波动20%的情况下使用。

（2）设计内容

1）灭火系统方案设计。

2）灭火系统方案的运行框图设计。

3）灭火系统检测方法的设计。

4）灭火系统软件设计。

（3）设计的基本要求

1）用电子技术、检测技术作出火灾探测器的设计。

2）灭火系统检测要求，上机调试通过主要的程序。

2.2系统设计思路

火在人类生活中是不可缺少的，但火灾也给人类带来了巨大的灾难。

特别是自本世纪80年代开始：

，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。

为了避免火灾。

一方面要减少引起火灾的因素；

另一方面要在发生火灾时，及时报警，并采取有效措施控制火情的发展，将火灾消灭在萌芽状态。

确保人身安全。

最大限度地减少社会财富的损失。

所以采用各种先进的探测器对楼层的各个地方进程检测，并通过PLC对数据进行处理反馈给报警装置和灭火装置实施报警和灭火。

然而在探测器不起作用而灾情发生时未启动报警器和灭火器的时候，可以由人工按下报警与灭火按钮提示火情发生警示人们尽快疏散与此同时灭火器对可控制的火进行灭火。

所以在本设计中我采取探测器检测和人工手动相结合的方式来实现火灾探测、报警和灭火。

在人机对话上采用北京亚控公司的组态王来做上位机实现。

2.3灭火控制系统组态监控设计构想

随着现代网络技术的发展，实时监控，人机交换得到了飞速的发展。

现代的控制系统与以往的最大区别就是交互性越来越高，传统的控制方式需要很多工作人员分布在现场，而现在只需一名工作人员坐在控制室计算机前便可对整个大楼的安全控制系统进行全方位的监控。

由于工业自动化得发展人工智能化技术的进一步向前推进在这样的情景之下各国在这类自动化的行业投入了大量的精力，各国加大了在这类技术上的研究。

由此，各国在资金方面也大力偏向这类技术。

为了适应现代工业和经济的发展，各国不仅在研究这一类技术上取得了划时代的进展。

并且，在对这一类技术的更新和改进方面上也提出了不同的意见。

经过各国科技技术人员的不懈努力终于将这类技术用软件的形式展现在世人面前，这就是我们先所用的软件组态王的前身。

组态软件的发展为实现系统的监视、控制与管理等功能带来了极大的方便。

组态监控比以往使用专用机开发的工业控制系统更具通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。

本系统采用的组态王是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，能够在WindowsXP平台上运行。

通过对现场智能设备PLC数据的采集处理，检验系统的运行情况。

利用组态软可完成对画面的设计、动画的连接等工作。

用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I／0服务程序的数据交换，通过实时数据库管理从一组现场控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、灭火、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件如图2—1所示。

图2—1灭火示意图

利用组态王软件设计监控系统的主要步骤有：

新建一个工程目录和一个工程称；

在设备组态窗口中新建逻辑设备，在本设计中选择西门子PLC、PPI通讯协议、设备地址和通讯口，并正确设置其属性；

命名新I／O设备名称并优化设备信息。

正确设置组态软件中数据变量与PLC数据地址的连接，即可实现PLC与组态软件的通讯，将PLC中的串口驱动程序与组态软件的需求响应相结合，PLC发出的信号有响应。

在组态软件的用户窗口中，制作一个动画界面。

在界面上设置各个控件的属性，使设置的控件按照真实的情况动作，检验和测试报警控制系统的运行状态的控制效果。

组态王用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面。

组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，可以对实时数据进行可视化处理。

实践证明，将PLC、传感器和组态王软件结合即可达到较好的控制效果又可方便地监控灭火控制系统的运行。

过程数据的存储功能对于任何一个工业自动化系统来说都是至关重要的，随着自动化程度的进一步普及和提高，用户对重要数据的存储和使用的要求也越来越高。

面对对大批量实时数据的存储，必须解决同步存储速度响应慢、数据易丢失、存储时间短、存储占用空间大、数据读取访问速度慢等用户最关心的问题。

因为用户需要一个实时的、记录准确地、高效的、可节约用户硬件成本的工业过程数据存储方案。

组态王6.5顺应这种用户的期望，提供支持毫秒级高速历史数据的存储和查询功能的工业过程数据库。

真正的企业级生产过程数据仓库。

采用最新数据压缩和搜索引擎技术，数据压缩比优于20%，节约用户硬件成本；

一个月内数据（单点，记录间隔10秒）按照每小时间隔，在百毫秒内即可完成查询。

真正实现历史库数据的数据追记、数据合并。

可以将特殊设备中存储的历史数据片段通过组态王驱动程序完整的合并到历史数据服务器中；

也可以将远程站点上的组态王历史数据片段合并到历史数据服务器上。

对于一个自动化系统来说，关键参数的实时状态跟踪是至关重要的，灭火功能作为实现的手段是必不可少的。

如何能及时准确的获取火灾信息对工程人员来说存在很大的挑战，因为人不能时刻守着，一刻不停不知疲倦的运行的设备周围等待火灾信息的输入。

为解决这个问题在本次设计中通过：

视频：

记录现场实时生产过程画面，支持本地或远程实时播放、保存、多画面、回放。

同时可以对云台和摄像头进行远程控制。

超视距的现场监控得以实现。

短信息：

进行短消息设置报警项目，如报警对象、短消息的发送时间、接收对象、发送内容等，发送给指定人员。

在第一时间将最关键的信息发送给最关心的人。

电子邮件：

进行电子邮件报警项目，如报警对象、电子邮件地址、邮件服务器地址、发送内容等，发送给指定人员。

通过无所不在的网络，您可以随时了解现场设备的运行情况，一切仅在掌握。

语音：

也可以通过电话，当报警产生时呼叫事前设置好的电话号码，报告您最关心的内容，您还可以进行报警确认和报警状态查询。

2.4灭火系统总体方案

自动灭火控制系统由探测、灭火和报警三部分组成，它完成了对火灾预防与控制的功能。

火灾探测部分主要由探测器组成，是火灾自动灭火系统的检测元件，它将火灾发生初期所产生的烟、热、转变成电信号，然后送入报警系统与此同时启动灭火器对着火点进行实质性的灭火。

报警控制有各种类型报警器组成，它主要将收到的报警电信号加以显示和传递，给在场的人一个疏散的提示警示在该地区的人尽快转移。

根据来自传感器收集的数据，经过分析处理后，启动灭火设备进行灭火。

2.5灭火控制系统设计

可编程序控制器即PLC是以微处理器为核心，综合了计算机控制、自动化、通讯网络等技术的一种通用的工业控制装置。

PLC控制系统有如下的特点：

1、PLC是基于工业环境下设计的控制装置，环境适应性强，可靠性高；

2、PLC最常用的编程语言是梯形图语言，编程语言形象、直观，编程简单，便于广大现场工程技术人员掌握；

3、PLC控制系统的体积小，重量轻，便于安装，维修方便；

4、PLC具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能，可以方便的实时监视系统的运行状态；

5、现代PLC具有传统控制系统无法比拟的远程数据传送、交换、控制和监视的网络通讯功能。

本灭火系统的控制系统结构图如下图所示,主要硬件包括：

可编程控制器PLC、温度和烟雾传感器、计算机、自动灭火器、报警器及其它电气元件如图4—1所示。

图4—1系统整体结构图

本设计根据控制要求可选S7-200系列的PLC

S7-200系列是PLC 

家族中较先进的系列，其最大优点包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制性能力。

因S7-200系列的PLC具有良好的性价比，其不但具有硬件上较好的配置性能和功能性能，还具有丰富的软件功能指令集，是目前小型PLC中

优秀代表，同时它拥有较高的速度、功能较齐全、逻辑选件以及定位控制等特点，输入/输出具有多种选择方案。

其灵活的配置、高速运算、突出的寄存器容量、丰富的元件资源、尤其适合小点数的过程控制。

S7-200属于小型可编程序控制器，但也可以用于复杂的自动化控制系统。

I／0点数是PLC的一项重要指标，合理选择I／0点数既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资降低。

2.6系统其它器件

本系统系统的输入总线连接报警输入信号，报警输入信号包括各种探测器的报警电信号，现场人员通过手动报警按钮发出的报警信号，以及水流指示发出的水流信号，消防栓按钮发出消防水泵的启动信号，压力开关发出的管路中水压、气压信号。

联动控制器的输出总线连接被控防火、灭火设备，如各类电磁阀口、声光报警装置、各楼层的空调、风机、防火卷帘、防火门以及消防泵、喷淋泵、中央空调、集中的送风机、电梯等。

火灾报警系统、联动控制器通过输入、输出总线与现场设备连接还需要一些相关的系统设备与器件。

2.6.1短路隔离器

短路隔离器是用于二总线火灾灭火控制器的输入总线回路中，安置在每一个分支回路的前端，当回路中某处发生短路故障时，短路隔离器可使该部分回路与总线隔离，保证总线回路其它部分能正常工作。

2.6.2底座与编码底座

底座是火灾灭火系统中专门用来与感烟探测器、感温探测器配套使用的。

在二总线制火灾灭火系统中为了给探测器确定地址，通常由地址编码器完成，有的地址编码器设在探测器内，有的设在底座上，有地址编码器的底座称编码底座。

2.6.3输入模块

输入模块由灭火系统中两种探测器组成，输入线连接专用器件，其主要作用是将所探测到的信息及时传输给PLC让PLC发出命令启动相应的装置。

2.6.4输出模块

输出模块是有由报警器、灭火器、计时器以及计算机组成,其也是该系统的最终执行机构。

2.7火灾现场装置

手动报警按钮、消防器按钮

手动报警按钮是由现场人工确认火灾后，手动输入报警信号的装置。

有的手动报警按钮内装配有手报输入模块，其作用是与火灾报警控制器之间完成地址及状态信息编码与译码的二总线通信。

灭火器按钮与手动报警按钮一样，由现场人工确认火灾后，手动输入报警信号的装置。

灭火器按钮安装在灭火器内，通常和灭火器一起使用。

按下灭火器按钮时灭火器启动计算机监视现场计时器开始计时。

3、系统硬件设计

3.1传感器概述

国家标准GB7665—87对传感器的定义：

能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和装换元件组成。

传感器是一种检测装置，能感受到被检测量的信号，并能将检测到得信号按一定的规律转变成电信号或其他所需的信号输出，以满足信号的输出、处理、储存、显示、记录和控制等要求。

其是实现自动检测和自动控制的首要环节。

3.2传感器的选择

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、对象以及测量环境合理选用传感器，是在进行某个测量首先要解决的问题。

（1）灵敏度的选择：

通常在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好，应为只有灵敏度高时，这样与被测量变化对应的输出信号才比较大有利于信号处理。

但要注意的是传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入同样会被放大系统放大，从而影响测量精度，因此要求传感器本身具有很高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号传感器的灵敏度是有方向性的。

（2）频率响应特性：

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许范围内保持不失真的检测条件，实际上传感器的响应总有一定的延迟。

传感器的响应频率越高其检测到的范围就越大。

（3）线性范围：

传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。

从理论上讲在这个范围内，灵敏度保持一定的值，由此可知道传感器的线性范围越宽其量程就越远，并且可以保证一定的精度。

在选择传感器的时，当传感器的种类确定以后还要看的是其量程是否满足要求。

但实际上任何的传感器都不能保证绝对的线性，其线性也是相对的。

当所要求测量精度较低时，在一定的范围内可以将非线性误差较小的传感器近似看作线性，这也会给测量带来极大的方便。

（4）稳定性：

传感器在用过一段时间之后，其性能保持不变的能力即为稳定性。

影响传感器长期稳定的因素除了其本身的结构外，还有；

传感器使用的环境。

因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其环境进行调查，减少环境的影响。

（5）精度：

精度是传感器的一个重要指标，其是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器的精度越高其价格也就越贵，因此传感器的德精度只要能满足整个测量系统的精度要求就可以。

如果测量目的是定性分析的可选用重复精度高的传感器即可不必选用绝对精度高的。

根据本设计的要求则选用了PL100温度传感器。

PT100传感器，又叫铂电阻传感器；

是一种性能较好的温度传感器其性能参数如下表2—1。

表2—1温度传感器参数

探头直径

安装方式标准

引线长度

温度检测范围

Φ5mm

M8×

1.0螺纹固定

标准2m

-200～400度

3.3感烟传感器

感烟式火灾探测器是利用一个小型烟雾传感器响应悬浮在其周围附近大气中的燃烧和（或）热解产生的烟雾气溶胶（固态或液态微粒）的一种火灾探测器。

一般有离子式和光电感烟火灾探测器。

本系统选用光电式感烟探测器。

光电式感烟探测器有由一个烟雾检测室，里面设有一个光源和一个感光元件。

光源的光线一般不能照射到感光元件上，但是当有烟雾进入后，光线在烟雾中产生散射，从而有部分光线射到感光元件上，烟雾越浓，散射到感光元件上的光线就越多，感光元件再把光信号转换为电信号进行输出火灾控制器。

3.3.1烟雾传感器的选择

（1）离子感烟式探测器是点型探测器

它是在电离室内含有少量放射性物质，可使电离室内空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间的空气中通过，射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性。

当烟粒子进入电离化区域时，它们由于与离子相接合而降低了空气的导电性，形成离子移动的减弱。

当导电性低于预定值时，探测器发出警报。

（2）光电感烟探测器也是点型探测器，

它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。

根据烟粒子对光线的吸收和散射作用。

光电感烟探测器又分为遮光型和散光型两

（3）红外光束感烟探测器是线型探测器，

它是对警戒范围内某一线状窄条周围烟气参数响应的火灾探测器。

它同前面两种点型感烟探测器的主要区别在于线型感烟探测器将光束发射器和光电接受器分为两个独立的部分，使用时分装相对的两处，中间用光束连接起来。

红外光束感烟探测器又分为对射型和反射型两种。

3.3.2烟雾探测器工作原理

现在最常用的烟雾探测器，光电烟雾探测器和电离烟雾探测器。

电离探测器的内部结构。

常会看到一个光束探测器。

商店一侧靠近门的地方有光线（可以是白光和透镜或者是一道低能激光），另一侧则是一个光探测器，可以“看到”光线。

当您通过光束时，会把它挡住。

光探测器感应到光线的缺失，因此触发响铃。

如果商店里烟雾浓得足以有效挡住光束，响铃就会响起。

这个烟雾探测器会相当大。

它不是很敏感。

警报响起前要有很大的烟雾——烟雾必须浓得足以完全挡住光线。

这需要有大量的烟才行。

因此，光电烟雾探测器采用了不同的方法来利用光线。

在烟雾探测器内部有一道光和传感器，二者成90度角放置，在正常情况下，左侧的光源发出的光会直接射出，不经过传感器。

但是，当有烟雾进入腔体时，烟雾微粒会使光线散开，一部分光会射到传感器：

然后传感器会启动烟雾探测器中的喇叭。

光电探测器在感应有烟火灾（如垫子闷烧）时的效果比较好。

3.4PLC的概况

可编程序控制器即PLC是当今自动控制系统中较为先进的器件在世界上生产这类产品的公司很多然而产品性能较好的就只有德国的西门子日本的三菱和欧姆龙这三家PLC制造商。

其中SIMATICS7-200系列可编程序控制器是由德国西门子（siemens）公司生产的具有高性能价格比的微型可编程序控制器。

由于它具有结构小巧，运行速度高，价格低廉及多功能多用途等特点，依次在工业企业中得到了广泛应用。

SIMATIC系列PLC有S7—400、S7—300和S7—200三种子系列，分别为S7系列的大、中、小（微）型PLC系统。

这里以S7—200系列PLC为为主介绍一下小型PLC系统的构成，编程用的元器件，寻址方式等PLC应用的基础知识。

S7—200系列PLC系统由基本单元（主机）、I/O扩展单元、功能单元和外部设备等组成。

S7—200PLC基本单元（主机）的机构方式为整体式结构。

S7—200系列PLC有CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。

小型PLC系统由（主机箱）、I/O扩展单元、文本、图形显示器、编程器等组成。

3.5PLC机型的选择

随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多，而且功能也日趋完善。

近年来，从德国、日本、美国等引进的PLC产品和国内厂家组装自行开发的产品，已有几十个、上百种型号。

PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系系统、编程方式、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。

因此，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统技术经济指标有着重要意义。

SIMATICS7-200系列可编程序控制器是德国西门子（