基于PLC的火灾自动报警控制系统之欧阳物创编.docx

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基于PLC的火灾自动报警控制系统之欧阳物创编

摘要

时间：

2021.02.07

命题人：

欧阳物

目前，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，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患。

为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。

同时为了减少外界环境的干扰，采用PLC对其进行控制，从而大大提高系统的抗干扰性。

PLC英文全名为ProgrammableControl，即可编程控制器包括逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等程序。

他用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。

一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些I/O模块，这些模块被插在一块背板上。

如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通信模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。

可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。

现在，尽管PLC的功能，如运行数度、接口种类、数据处理能力己经获得了很大的提高，但PLC一直保持了最初设计的原则，那就是简单之上的原则。

本系统可安装在各防火单位，它负责不断地向所监视的现场发出巡检信号，监视现场的温度、浓度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾，并及时进行灭火。

关键词：

火灾报警传感器PLC

ABSTRACT

Now,withelectronicproductsusedinhumanlifemoreandmorewidely,theresultingfire,moreandmore,weliveinfirehazardslurkingaroundeverywhere.Toavoidfiresandreducefirelosses,wemustfollowthe"hiddendangersfireinpreventionisbetterthandisasterrelief,theresponsibilityisextremelyheavy,"theconceptdesignandimprovementofautomaticfirealarmsystem,firenippedinthebud,themaximumreducethelossofsocialwealth.Meanwhile,inordertoreduceinterferenceoftheexternalenvironment,usingthePLCtocontrolitandthisisgreatlyimprovethesystemofresistanceagainstinterference.

PLCfullnameinEnglish-onlyProgrammableControl,canbeprogrammedcontrollerincludingthelogical,sequentialcontrol,timing,counting,andarithmeticoperationsandotherprocedures.Heusedtheformofabunchofcommandsstoredinthememory,andthenunderthecontrolofthecontentisstoredthroughanalog,digitalandotherinputandoutputcomponents,productionequipmentandproductionprocesscontrol.AtypicalsetofPLCtypicallyincludesCPUmodules,powermodules,andanumberofI/Omodules,thesemodulesarepluggedintoabackplane.Increaseiftheconfigurationmayincludeanoperatorinterface,controlcomputers,communicationsmodules,software,andsomeoptionalspecialfunctionmodules.ProgrammableLogicControllerisnotonlyeasytoinstall,takinguplittlespace,energyconsumptionissmall,withadiagnosticindicatorcanhelpfaultdiagnosis,andcanbereusedinotherprojectstoI5].Now,despitethePLCfunctions,suchasrunningseveraltimes,interfacetypes,data-processingcapabilitieshavebeengreatlyimprovedaccess,butthePLChasmaintainedtheoriginaldesignprinciples,itisasimpleaboveprinciple.

Thesystemcanbeinstalledinallfireunits,whichisresponsibleforcontinuouslymonitoringthesitetostarttheinspectionsignal,monitorthesiteoftemperature,concentration,andcontinuousfeedbacktothealarmcontroller,thecontrollerwillreceivethesignalandthenormalmemorysettingvaluewasdeterminedbycomparingtodeterminethefire,Andpromptlyextinguishedthefire

Keywords:

firealarm;sensor;plc

第一章绪论

1.1选题背景及意义

火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。

随着高层建筑的不断增多，火灾隐患增加。

一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，并能及时控制和扑灭火灾，以便减少损失，保障生命安全。

火灾自动报警灭火控制器就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受。

其自身也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。

火灾报警控制器是火灾报警系统的核心。

本文对火灾报警控制器和探测器做了深入的研究,并全面阐述了火灾报警灭火系统硬件和软件设计。

实践证明仓库内安装该系统能够扑救仓库初期火灾，保护仓库财产安全，降低火灾损失以及为抢救货物提供足够的时间并能及时报警，大大的降低了火灾的危害性，把火灾给人们带来的经济损失将到了最低，为确保人的生命及财产安全提供了保障。

在本次自动报警灭火消防系统采用了先报警后灭火的报警灭火模式，给管理人员提供了有效的火灾确认时间，大大减少了因误报带来的损失，具有很强的实用价值。

1.2本文所做的工作

l、火灾报警控制器选用了以三菱PLCFX2N（C）系列为核心部件进行设计

2、所设计的控制器具有较高的性价比,还具有操作人员管理、报告信息查询、探测器管理、预报警、火警处理、通讯等功能,它实现了对火灾信息的检测和传送;提高了系统的适应性与扩展性。

1.2.1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。

1.2.2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。

1.2.3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，调试并完成论文。

第二章火灾自动报警系统的总体设计

火灾自动报警及消防控制系统在发生火灾的两个阶段发挥着重要作用：

第一阶段（报警阶段）：

火灾初期，往往伴随着烟雾、高温等现象，通过安装在现场的火灾探测器、手动报警按钮，以自动或人为方式向监控中心传递火警信息，达到及早发现火情、通报火灾的目的；

第二阶段（灭火阶段）：

通过消防控制器及现场接口模块，控制建筑物内的专用灭火设备（如排烟机、消防泵），有效实施救人、灭火，达到减少损失的目的。

2.1火灾自动报警系统组成

现场由感烟探测器、感温探测器、手动报警按钮及声光报警器等设备组成。

探测器功能：

火灾初期，探测器对火灾（如烟、温）参数及时响应，自动产生火灾报警信号。

手动报警按钮功能：

通常安装在楼梯口、走廊等位置，当现场人员发现火情时，通过按下附近的手动报警按钮，可以人为方式产生火灾报警信号。

2.2仓库结构

本人所述的火灾自动报警与灭火系统是以现代仓库火灾自动报警系统为研究背景，以三菱PLC为硬件基础，以某仓库为研究对象，按照现代对火灾报警系统的具体要求对其进行设计开发。

本仓库是堆放一般货物的小型仓库，通常没有专人看管，堆放的都是是一些日用商品，所以在此类仓库中安放自动灭火消防系统非常的有必要。

小型仓库的使用面积共240平米，高度为8米，有很好的通风环境。

根据仓库的具体情况，把仓库分成2个自动消防灭火区域,每个报警区域面积为100平米。

依据建筑设计协会的《仓储建筑防火设计规范》，该建筑为二类建筑，耐火等级为二级1。

2.3自动报警灭火系统的组成与主要部件

基于PLC控制的自动报警灭火消防系统是由自动报警系统、自动喷水灭火系统、控制系统这三个子系统组成。

自动报警系统中包含报警器和各种电源装置，自动喷水灭火系统中包含管道系统、喷淋泵和各种给水开关，控制系统中包含可编程序控制器和各种开关。

自动报警系统、自动喷水灭火系统、控制系统，这三个系统之间是通过线路系统联系在一起，自动报警系统的开启与关闭、自动喷水灭火系统的开启与关闭都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。

其主要部件及用途如表2-1所示。

表2-1系统主要部件及其用途

编号

名称

用途

1

FX2N（C）PLC

中央控制器，控制整个系统

2

报警铃

发出声音报警信号

3

报警灯

发出灯光报警信号

4

温度探测器

感知火灾信号

5

烟雾探测器

感知火灾信号

6

喷淋喷头

喷水灭火

7

水箱

存储火灾用水

8

抽水泵

抽取水箱中的水

9

供水泵

补给水箱中的水

10

电磁阀

控制各区域喷淋喷水灭火中水流的开启与关闭

自动灭火消防系统的开启过程：

当各区域的火灾探测器，探测到火灾信号，通过线路将火灾信号传递给PLC，PLC接收到火灾信号后，根据其控制程序的要求，控制喷淋泵启动和与之相对应的区域电磁阀开启，电磁阀开启后，与之相对应区域的喷头喷水灭火。

同时，在传感器失灵的情况下也可以按下各火灾区域的手动启动按钮，将该区域的启动信号传递给PLC，PLC在接收到火灾信号后，也可以控制喷淋泵启动和与之相对应的区域电磁阀开启，电磁阀开启后，开启喷头喷水灭火2。

自动灭火消防系统的关闭过程：

在按下各着火区域的关闭按钮和系统复位按钮后，自动灭火消防系统关闭并复位。

图2-1火灾探测器接线实物图

2.4系统设计思路

我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。

但目前国内厂家生产的还是以晶体管、小规模集成电路或单片机为基础的产品,其系统复杂、成本高,不易维护。

而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的数字联网火灾报警器是非常必要的，因此我提出一种由PLC控制的火灾自动报警控制器的设想,其系统简单、成本适中、易于系统维护和升级。

基于PLC（PIogrmmableLogicContrOller.可编程逻辑控制器）控制的自动报警灭火消防系统以PLC为核心控制器，由于采用火灾传感器探测火灾信号传递给PLC（中央控制器），PLC来控制电磁阀的开启喷水灭火的时间短，其反应快具有安全性高、稳定性好及灵活性强、质量可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用技术成熟等优点在于业控制中得到广泛的应用，该系列PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监控等。

三菱PLCFX2N（C）PIC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。

PLC具有以下特性：

功能齐全：

PLC的基本功能包括数字量输入/输出、模拟量输入/输出、内部中间继电器、锁存继电器、延时ON/OFF继电器、主控继电器、计时器、计数器、移位寄存器、四则运算、逻辑运算、跳转和强制I/O等。

PLC的扩展功能有通信联网、数据块传送、矩阵运算、PID闭环回路控制、排序查表功能、中断控制功能以及特殊功能程序块或函数等。

此外，PLC还具有自诊断、报警、监控等功能。

正因为如此，PLC的适应性极强，几乎所有的控制要求它均能满足。

应用灵活：

现代可编程序控制器除极少数为整体式结构外，绝大多数采用积木式硬件结构以及模块化的软件设计，这使得它不仅可以适应大小不同、功能复杂的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合。

PLC的安装和现场接线比较简单，可以按积木方式扩充和删减其系统规模。

由于它的逻辑、控制功能是用软件实现的，省去了大量安装元件和布线工作，从而缩短了整个设计、生产和调试周期，研制费用相对来说也少了。

操作方便，维修容易：

PLC的基本功能采用工程技术人员习惯的梯形图编程，使用户能十分方便地读懂程序和编写、修改程序。

程序十分清晰直观，操作人员只要稍加培训，就能使用PLC。

另外，PLC带有十分完善的监视和诊断功能。

PLC对其内部工作状态、通信状态、I/O点状态和异常状态等均有醒目的提示。

因此，操作人员和维修人员可以及时准确地了解机器故障点，利用更换模块的方法迅速处理故障。

稳定可靠：

目前各生产PLC的厂家都严格地按有关技术标准进行生产，如美国有NEMA标准，日本有JIS标准，德国有DIN标准等。

所以尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶劣的工业环境3。

第三章系统的硬件设计

3.1系统分析

该系统是针对某仓库的消防安全设计的火灾自动报警与灭火系统。

每个走廊均安装排烟系统、安全疏散指示灯（牌），室内每一个房间都安装有火灾探测器、灭火用的消火栓（系统中消火栓用交流接触器）.安装感烟探测器、指示灯和手动报警按钮。

监控室内有相应的信号指示灯

系统电源接通以后当有火灾情况发生时，区域一中的传感器（温度传感器和烟雾传感器）探测到火灾信号或现场人员发现火灾按下手动报警按钮SB3，区域1的自动报警系统立即启动，这时相应的红色闪光灯闪烁，接着蜂鸣器蜂鸣，灭火系统延时启动，向管理者提供火灾相对应的区域，如管理员在延时时间之内没有按下关闭按钮，灭火系统将自动启动；排烟系统开启，按下关闭按钮SB7，区域1自动报警灭火系统关闭。

当区域二中传感器（温度传感器和烟雾传感器）探测到火灾信号或现场人员发现火灾按下手动报警按钮SB6，区域的自动报警系统立即启动，这时相应的红色闪光灯闪烁，接着蜂鸣器蜂鸣，，灭火系统延时启动，向管理者提供火灾相对应的区域，如管理员在延时时间之内没有按下关闭按钮，灭火系统将自动启动；按下关闭按钮SB7，区域2自动报警灭火系统关闭。

火灾探测器把探测到的信号发送到PLC控制中心，如果控制中心确认事件的真实性后立即启动消防系统。

灭火排烟系统开启，5秒后对应失火仓库的消火栓开启喷淋头喷水灭火。

灭火完成后按下复位按钮，系统便恢复正常，供电照明4。

3.2I/O端口

表3-1I/O分配表

输入

输出

X1区域1温度传感器

Y1区域1电磁阀

X2区域1烟雾传感器

Y2区域2电磁阀

X3区域1手动报警按钮

Y3区域1排烟设备

X4区域2温度传感器

Y4区域2排烟设备

X5区域2烟雾传感器

Y5抽水泵（交流接触器代替）

X6区域2手动报警按钮

Y6供水泵（交流接触器代替）

X7复位

Y7区域1火灾报警闪光灯

X10水位上限

Y10区域1报警器

X11水位下限

Y11区域2火灾报警闪光灯

Y12区域2报警器

3.3PLC外部接线

图3-1PLC外部接线图

3.4消防控制

图3-2灭火系统消防控制图

在主控界而上可以看出，总共两个区域，每个区域均设置有手动报警开关、感烟探测器、排烟机、报警灯和疏散指示灯、复位按钮。

3.5水箱结构

图3-3水箱结构图

系统工作后，当水位到达下限时，供水泵开始供水，当水位到达上限时，供水泵停止供水。

3.6PLC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是很高，主要是开关量控制的应用系统。

选用小型PLC就可满足要求5。

PLC的结构主要有整体式和模块式，本设计属于单机控制系统宜选用整体式PLC结构。

综上所述比较各厂家的整体式小型PLC可知，三菱系列PLC具有性价比高、抗干扰能力强、性能稳定、输入输出点数多等优点。

因为PLC是采用顺序控制扫描的工作方式，从输入信号到输出控制存在着滞后现象，输入量的变化通常要在1—2个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于大多数应用场合是允许的。

响应时间包括输入滤波时间、输出滤波时间和扫描周期。

其顺序扫描工作方式使它不能可靠地接收持久时间小于一个扫描周期的输入信号。

为此，对于快速反应的信号需要选取速度高的机型，如FX2N基本指令的运行处理时间为0.08微秒/步指令。

故根据本系统的设计要求、工作环境、服务对象等方面考虑，三菱PLC完全可以满足本系统的设计要求。

现在三菱PLC主要有FX1N，FX2N，FX3U，Q系列，A系列等，其中FX2N（C）是FX2N为基础发展而来的，成本比FX2N略低，且FX2N（C）PLC完全可以满足本系统的设计要求，所以本次设计选用三菱FX2N（C）PLC作为本系统的控制器。

FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块，有其他模块无法比拟的速度，具有逻辑选件以及定位控制等优点，是从16—256路输入/输出应用的选择方案。

此外，FX2N（C）系列PLC在保留原有强大的功能下，实现了极为可观的规模缩小。

I/O型连接口降低了接线成本并节省了时间6。

3.7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，它们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、传感器的精度

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7。

根据本设计的要求则选用了PT100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3-2。

表3-2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

3.7.1感烟传感器的选择

火灾发展过程大致可以分为初期阶段、发展阶段和衰减熄灭阶段。

感烟火灾探测器的功能在于：

在初燃生烟阶段，能自动发出火灾报警信号，以期将火扑灭在未成灾害之前。

根据结构不同，感烟探测器可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。

根据本设计的控制要求选用光电式感烟探测器

①离子感烟探测器

离子式感烟探测器是由两个内含Am241放射源的串联室、场效应管及开关电路组成的。

内电离室即补偿室，是密封的，烟不易进入；外电离室即检测室，是开孔的，烟能够顺利进入。

在串联两个电离室的两端直接接入24V直流电源。

当火灾发生时，烟雾进入检测电离室，Am241产生的α射线被阻挡，使其电离能力降低，因而电离电流减少，检测电离室空气的等效阻抗增加，而补偿电离室因无烟进入，电离室的阻抗保持不变，因此，引起施加在两个电离室两端分压比的变化，在检测电离室两端的电压增加量达到一定值时，开关电路动作、发出报警信号。

②光电感烟探测器

感光探测器:

光是热源辐射的结果,所以感光也就是感应辐射,人体也在不断的辐射波,但是由于本体温度较低,辐射波的波长一般较大,而火灾的热源发出的光较强能被探测出来,据某些科学家分析,火灾发生的时候还会发出一种独特的声波,根据这种波做出感声探测器能有效克服其他探测器的普遍失误的情况.

光电式感烟探测器由光源、光电元件和电子开关组成。

利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。

按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等