基于PLC控制的自动报警喷水灭火系统毕业设计报告Word文档下载推荐.docx
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基于PLC控制的自动报警喷水灭火系统毕业设计报告Word文档下载推荐.docx
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自动报警灭火系统将在发展中得到完善。
一方面表现在,通过喷水灭火机理的研究,对不同火灾场所的火灾负荷、发展、蔓延过程,决定采用不同类型的喷水灭火方式。
自动报警灭火系统中的自动喷水灭火装置,根据被保护建筑物的性质和火灾发生,发展特性的不同,可以有许多不同的系统形式。
通常根据系统中所使用的喷头形式不同,分为闭式自动喷水灭火、开式自动喷水灭火。
2.3自动报警喷水灭火系统在火灾中的三个主要任务
1、把足够的水量喷洒直达燃烧面,至少要淋湿火源周围的可燃物,才能实现灭火控火的目标。
喷淋系统通过洒水冷却,扑灭有焰燃烧,其喷水强度首先应满足扑灭火焰的需要[5]。
喷头洒水对火源燃烧面热释放速率的影响,美国NIST方程提出喷头洒水时间与火源热释放速率的数学方程式见公式2.1所示:
(2.1)
——计算时刻t的火源热释放速率(kw);
——喷淋启动时刻的初始热释放速率(kw);
——计算时刻(s);
——喷淋启动时刻;
——喷淋启动后至计算时刻的喷水时间(s);
——喷淋系统的喷水密度(mm/s);
2、防止建筑火灾发生轰燃,是减少人员伤亡和财产损失的重要目标。
火灾发生到一定状态时,会发生轰燃,轰然是局部火灾向全面火灾发展的分界点,轰燃发生后不但会造成更大的人员伤亡和财产损失,而且难以救援,建筑结构也会遭到更大破坏。
因此,防止和延缓其发生是设置自动报警灭火系统的重要目标。
3、喷头洒水应连续的打湿距溅水盘或吊顶一定高度以下的墙面,有利于控制火势,保护建筑结构。
国标GB5135.12《扩展覆盖面积(EC)喷头》标准规定:
每一只EC喷头在规定的湿墙试验中,应连续打湿试验室四周的墙面,打湿部位距吊顶的距离不应大于1.5m。
2.4自动报警喷水灭火系统的组成
基于PLC控制的自动报警喷水灭火系统是由自动喷水灭火系统、自动报警系统、控制系统,这三个子系统组成。
如图2.1所示。
图2.1系统框图
自动喷水灭火系统是由洒水喷头、报警阀组、水流报警装置(水流指示器或压力开关)等组件,以及管道、供水设施组成,并能在发生火灾时喷水的自动灭火系统。
自动报警系统是由触发装置、火灾报警装置以及具有其它辅助功能的装置组成,它具有能在火灾初期,将燃烧产生的烟雾、热量、火焰等物理量,通过火灾探测器变成电信号,传输到火灾报警控制器,并同时显示出火灾发生的部位、时间等,使人们能够及时发现火灾,并及时采取有效措施,扑灭初期火灾,最大限度的减少因火灾造成的生命和财产的损失,是人们同火灾斗争的有力工具。
控制系统包括可编程序控制器和各种开关。
自动喷水灭火系统、自动报警系统、控制系统,这三个系统之间是通过线路系统联系在一起,自动喷水灭火系统的开启与关闭是由控制系统通过其与各系统之间的控制线路来实现对其余两个子系统的控制。
2.5自动报警系统区域划分
本仓库是一个小型仓库,房间1堆放一批办公用纸,房间2堆放一些电气设备,房间3堆放一些办公桌椅,通常没有专人看管,因此需要安装自动报警装置。
小型仓库的使用面积共176平米,坡度为0~3米,高度5米,有很好的通风环境。
根据仓库的具体情况,把仓库分成三个有自动报警灭火装置的房间,每个房间的面积为40平米,互相之间不连通,并且每个房间之间的间隔为2米,在各房间的外面还有一条1米宽的走廊,避免探测区域的交叉重叠。
仓库的区域划分如图2.2所示:
图2.2仓库房间分布图
第3章可编程控制器的简介
3.1可编程控制器的发展历程
可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的,虽然也采用了计算机的设计思想,但当时只能进行逻辑计算,故称为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicContrnller,简称PLC)。
后来随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,可编程逻辑控制器更多地具有了计算机的功能,不仅用逻辑编程取代硬连线逻辑,还增加了运算、数据传送和处理等功能,而且做到了小型化和超小型化,这种采用微电脑技术的工业控制装置的功能远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围,故称为可编程控制器(ProgrammableContrnller,简称PC),但由于PC容易和个人计算机(PersonalComputer,简称PC)混淆,所以人们仍习惯用PLC作为可编程控制器的缩写。
20世纪60年代以前,汽车流水线的自动控制系统基本上都采用传统的继电器控制。
在60年代初,美国汽车制造业竞争越发激烈,汽车每一次的更新周期越来越短,这样对汽车流水线的自动控制系统更新就越来越频繁,原来的继电器控制就需要经常地重新设计和安装,从而延缓了汽车的更新时间。
所以人们就想用一种通用性和灵活性较强的控制系统来替代原有的继电器控制系统。
1986年,美国通用汽车公司首先提出了可编程控制器的概念。
在1969年,美国数字设备公司(DEC)终于研制出世界上第一台PLC。
这是由一种新的控制系统代替继电器的控制系统,它要求尽可能地缩短汽车流水线控制系统的时间,其核心采用编程方式代替继电器方式来实现生产线的控制。
1971年,日本引进了这项技术,并开始生产自己的PLC。
1973年,欧洲一些国家也研制出了自己的PLC。
1974年,我国也开始仿照美国的PLC技术研制自己的PLC,终于在1977年研制出第一台具有实用价值的PLC。
3.2可编程控制器的发展前景
21世纪,PLC会有更大的发展。
从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;
从产品规模上看,会进一步向超小型及超大型方向发展;
从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全,完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;
从市场上看,各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言;
从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
计算机集散控制系统DCS(DistributedControlSystem)中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
3.3可编程控制器的特点
PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物,所以在工业控制方面,它具有继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点[1]。
(1)可靠性高,抗干扰能力强
在硬件方面,由于采用性能优良的开关电源,并且对采用的器件进行严格的筛选,加上合理的系统结构,最后加固、简化安装,因此PLC具有很强的抗振动性能;
无触点的半导体电路来完成大量的开关动作,就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题;
所有的输入/输出(I/O)接口都采用了光电隔离措施,使外部电路和PLC内部电路能有效的进行隔离;
PLC模块式结构,可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换,这样就能尽量缩短系统的维修时间。
在软件方面,PLC的监控定时器可用于监视执行用户的专用运算处理器的延迟,保证在程序出错和程序调试时,避免因程序错误而出现死循环;
当CPU、电池、I/O口、通信等出现异常时,PLC的自诊断功能可以检测到这些错误,并采取相应的措施,以防止故障扩大;
停电时,后备电池和正常工作时一样,进行对用户程序及动态数据的保护,确保信息不丢失。
(2)编程简单,操作方便
模块化的PLC设计,使用户能根据自己控制系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需的PLC的模块并进行资源配置和PLC编程。
这样,控制系统就不再需要大量硬件装置,用户只需根据控制需要设计PLC的硬件配置和I/O的外部接线即可。
而在PLC控制系统中,当控制要求改变时,不改变PLC外部接线,只需修改程序即可。
这种面向控制过程的编程方式,与目前微机控制常用的汇编语言相比,虽然在PLC内部增加了解释程序,增加了程序执行时间,但对大多数的机电控制设备来说,这种时耗是微不足道的。
(3)系统的设计、安装、调试工作量少,维护方便
PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
同时PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试,用模拟试验开关代替输入信号,其输出状态可通过PLC上的发光二极管指示出来。
模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,进行联机调试,这样既安全,又快捷方便。
(4)体积小,能耗低
由于PLC内部电路主要采用微电子技术设计,因此它具有体积小、重量轻等优点。
而它的配线比继电器控制系统的配线少的多,故可以省下大量的配线和附件,从而减少大量的安装接线工时,加上开关柜体积的缩小,也可以节省大量的费用。
3.4可编程控制器的分类
3.4.1 按结构分类
PLC按其硬件的结构形式可分为整体式和组合式。
3.4.2按控制规模分类
PLC的控制规模主要是指开关量的输入/输出点数及模拟的输入/输出路数。
但主要以开关量的点数计数,模拟量的路数可以折算成开关量的点数。
按照此项进行分类主要包括小型、中型和大型。
3.5可编程控制器的结构
3.5.1 中央处理器
中央处理器简称CPU。
与一般计算机一样,CPU是核心,在整机中起到类似人类的神经中枢的作用,可编程控制器的整机性能有着决定性影响。
随着微电子技术的性能价格比高等优势受到了人们的特别关注,目前小型PLC都用8位或者16位单片机作CPU。
3.5.2 存储器
(1)系统程序存储器
系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其它各种管理程序。
(2)用户存储器
用户存储器是专门提供给用户存放程序和数据的,所以用户存储器通常又分为用户程序存储器和数据存储器两个部分。
3.5.3 输入接口电路
开关量输入输出接口电路的主要参数是输入电流。
现场开关闭合时,必须有足够的电流流入光耦输入端,使光敏三极管完全导通;
而当现场开关段开时,必须保证流入光耦输入端的电流足够小,保证光耦输出光敏三极管可靠截止。
3.5.4 输出接口电路端
可编程控制器的输出有三种形式:
一种是继电器输出,一种是晶闸管输出(SSR型),一种是晶体管输出。
3.5.5 电源
PLC对电源的基本要求是:
(1)能有效控制、消除电网电源带来的各种噪声。
(2)不会因电源发生故障而导致其他部分产生故障。
(3)能在较宽的电压波动范围内保持输出电压稳定。
(4)电源本身的功耗应尽可能低,以降低整机的温升。
(5)内部电源及PLC向外提供的电源与外部电源间应完全隔离。
(6)有较强的自动保护功能。
第4章自动报警喷水灭火系统硬件设计
4.1硬件的组成
4.1.1火灾探测器
火灾探测器是火灾自动报警消防系统的传感部分,是组成各种火灾自动报警系统的重要组件,是该系统的”感觉器官”。
他能对火灾参数(如烟、温度、火焰辐射、气体浓度等)响应,并自动产生火灾报警信号,或向控制和指示设备发出现场火灾信号的装置。
火灾探测器是系统中的关键元件,它的稳定性、可靠性和灵敏度等技术指标都会受到诸多因素的影响,因此火灾探测器的选择和分布应该严格按照规范进行。
它是消防火灾自动报警系统中,对现场进行探查,发现火灾的设备。
按对现场的信息采集类型分为:
感烟探测器、感温探测器、火焰探测器和特殊气体探测器。
考虑到本次适用的环境是一个小型仓库,因此选择感烟探测器和感温探测器。
4.1.2火灾探测器的选择
火灾探测器的选择应符合下列要求:
(1)对火灾初期有阴燃阶段,产生大量的烟和少量的热,很少或没有火焰辐射的,选用感烟探头;
(2)对火灾法阵迅速,产生大量热、烟和火焰辐射的,选用烟感探头,感温,火焰探头或他们的组合;
(3)对火灾发展迅速,有强烈火焰辐射和少量烟,热的,选用火焰探头;
(4)对情况复杂或火灾形成特点不可预料的,可进行模拟实验,根据实验选用合适的探头;
(5)不同高度的房间设置火灾探测器时可参照表2-1。
房间高度(m)
感烟探测器
感温探测器
一级
二级
三级
12<h≤20
不合适
8<h≤12
合适
6<h≤8
4<h≤6
h≤4
表2-1火灾探测器参数表
(6)本系统采用SD6800感烟探测器、OT503智能感温探测器作为火灾探测器。
4.1.3火灾探测器的设置
(1)一个探测区域内至少应布置一只火灾探测器。
(2)在宽度小于3m以内的过道顶棚上设置探测器时宜居中布置。
感温探测器的安装间距L不应超过10m,感烟探测器的安装间距L不应超过15m,探测器至端墙的距离不应大于探测器间距的1/2。
(3)感烟探测器、感温探测器的保护面积和保护半径应该满足表4-1的规定。
(4)探测器至墙壁、梁的水平距离不应小于0.5m,并且探测器的周围0.5m内不应有遮挡物。
(5)探测器宜水平安装,如必须倾斜安装时,倾斜角不应大于45。
当屋顶坡度θ大于45时,应加木台或类似方法安装探测器。
表4-1感烟、感温探测器的保护面积和保护半径
火灾探测器的种类
地面面积h(m)
房间高度h(m)
一只探测器的保护面积A和保护半径R
房间坡度θ
θ≤15°
15°
<θ≤ 30°
θ>30°
A(m2)
R(m)
S≤80
h≤12
80
6.7
7.2
8
S>80
6<h≤12
100
120
9.9
h≤6
60
5.8
9
S≤30
h≤8
30
4.4
4.9
5.5
S>30
20
3.6
40
6.3
4.1.4喷淋头
在发生火灾时,消防水通过喷淋头均匀洒出,对一定区域的火势起到控制作用。
它是喷水系统的重要组成部分,因此其质量,性质和安装的优劣直接影响火灾初期灭火的成败,可见选择时必须注意。
喷淋头可分为开启式和封闭式两种。
综合课题背景,选用开式喷淋头。
其使用参数见表4-2所示。
表4-2喷淋头的保护面积与喷头距离
喷淋头数量计算:
本仓库共176平米,划分为3个自动报警灭火区,每个自动报警灭火区40平米,根据《火灾自动灭火系统设计规范》,在一个火灾探测区域内所需的喷头最小数量应该由公式4.1决定:
N≥S/A(4.1)
式中:
N——一个火灾探测区域内所需喷头数量;
S——一个火灾探测区域的面积(m²
)
A——一个喷头的保护面积(m²
又因为从表4-2中得之喷头保护面积为7.4m²
-18m²
,由公式(4.1)得
S=40m²
N≥S/A=2
4.1.5电磁阀
实现自动灭火系统水管喷与不喷的执行器件为电磁阀。
电磁阀是用电磁铁推动阀门的开启与关闭动作的电动执行器,主要优点是:
体积小、动作可靠、维修方便、价格便宜。
通常用于口径在100mm以下的两位控制中,尤其多用于接通、切断或转换气路或液路等。
追朔电磁阀的发展史,电磁阀从原理上分为三大类:
直动式、分步直动式和先导式。
直动式电磁阀:
通电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开。
断电时,电磁力消失,弹簧力把关闭件压在阀座上,阀门关闭。
特点为在真空、负压、零压时能正常工作,但一般通径不超过25mm。
分步直动式电磁阀:
它是一种直动和先导式相结合的原理,当入口与出口压差≤0.05Mpa,通电时,电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起,阀门打开。
当入口与出口压差>
0.05Mpa,通电时,电磁力先打开先导小阀,主阀下腔压力上升,上腔压力下降,从而利用压差把主阀向上推开。
断电时,先导阀和主阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件,向下移动,使阀门关闭。
先导式电磁阀:
通电时,电磁力把先导孔打开,上腔室压力迅速下降,在关闭件周围形成上低下高的压差,推动关闭件向上移动,阀门打开。
断电时,弹簧力把先导孔关闭,入口压力通过旁通孔迅速进入上腔室在关阀件周围形成下低上高的压差,推动关闭件向下移动,关闭阀门。
特点为流体压力范围上限很高,但必须满足流体压差条件。
综合课题背景,选用先导式电磁阀。
4.1.6蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”(旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等)表示。
蜂鸣器结构图如图4.1所示:
图4.1蜂鸣器结构图
4.1.7喷淋泵
安装在消防车、固定灭火系统或其他消防设施上,用作输送水或泡沫溶液等液体灭火剂的专用泵。
它将原动机的机械能或其它外部能量传送给液体,使液体能量增加,主要用来输送液体包括水、油酸碱液、乳化液和液态金属等,喷淋泵主电路图如图4.2所示:
图4.2喷淋泵主电路图
4.2可编程序控制器(PLC)的选型
选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题。
目前,生产PLC的厂家很多,如西门子、三菱、松下、欧姆龙、LG、ABB公司等,不同厂家的PLC产品虽然基本功能相似,但有些特殊功能,价格及使用的编程指令和编程软件都不相同,而同一厂家生产的PLC产品又有不同系列,同一系列中又有不同的CPU型号。
PLC的功能应强大,要具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能,鉴于本设计对控制速度要求不高,主要是开关量控制的应用系统,选用小型PLC就可满足要求。
输入输出点数对价格有直接影响,当点数增加到某一数值后,相应的存储器容量相应增加,因此,点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响,在估算和选用时应充分考虑,使整个控制系统有较合理的性能价格比。
综合以上因素,本课题的设计采用日本三菱公司生产的FX2N-48MR小型PLC来实现整个自动系统的控制。
4.2.1地址分配
根据控制要求和I/O点数确定I/O分配表如表4-3所示:
表4-3系统I/O地址表
元件
输入
地址
元件
输出
HV1
房间1感温探测器
X0
YV1
房间1电磁阀开关
Y0
HV2
房间1感烟探测器
X1
YV2
房间2电磁阀开关
Y1
SB1
房间1启动按钮
X2
YV3
房间3电磁阀开关
Y2
SB2
房间1关闭按钮
X3
H
报警器(蜂鸣器)
Y3
HV3
房间2感温探测器
X4
KM1
喷淋泵
Y4
HV4
房间2感烟探测器
X5
KM2
备用泵
Y5
SB3
房间2启动按钮
X6
HL1
房间1报警灯
Y10
SB4
房间2关闭按钮
X7
HL2
房间2报警灯
Y11
HV5
房间3感温探测器
X10
HL3
房间3报警灯
Y12
HV6
房间3感烟探测器
X11
KM3
干冰泵
Y13
SB5
房间3启动按钮
X12
KM4
干粉泵
Y15
SB6
房间3关闭按钮
X13
KM5
排烟机
Y16
SB7
系统复位按钮
X14
SB8
排烟按钮
X15
4.2.2外部接线
根据I/O分配表画出PLC外部接线图如图4.3所示:
[
图4.3外部接线图
FU是一个熔断器,它是一种短路保护器,对电路进行短路保护或严重的过载保护。
HL1、HL2、HL3是三个LED灯,由于LED使用低压电源,供电电压选择24V,所以它是一个比使用高压电源更安全的电源。
其次它使用低压直流电驱动,具有负载小、干扰弱的优点。
H是蜂鸣器,它采用直流电压供电,由于蜂鸣器的工作电流一般比较大,所以要利用放大电路来驱动。
一般使用三极管来放大电流。
4.2.3互锁电路图
三个烟雾探测器互锁电路图如图4.4所示:
图4.4烟雾探测器互锁电路图
烟雾传感器HV2得电,使电磁阀YV1工作,同时HV2的常闭触头断开,保证YV2和YV3不得电;
烟雾传感器
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