基于PLC消防报警系统设计.docx
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基于PLC消防报警系统设计
基于PLC的消防报警系统设计
摘要
火灾对国民经济和人民生命造成了巨大危害，但国外发达国家对火灾的预防及应对上我国和国外发达国家仍存在较大差距，因此，设计出一种可靠高效的消防报警控制系统是非常迫切的。
本设计完成了利用主要核心控制部件西门子SIMATICS7-300型PLC对消防报警控制系统的设计。
首先，根据具体的控制对象选择合适的S7-300系列CPU，这是控制系统的核心部件，在选择了一些火灾探测器的类型，探测器的选择好坏关系到报警及其它后续系列动作的关键。
其次，选择与S7-300相匹配的扩展模块，如数字I/O模块、模拟I/O模块、电源模块等。
最后，完成了控制系统的整体设计，达到了控制目标。
关键词：
PLC；控制系统；消防报警
PLCBasedFireAlarmSystemDesign
ABSTRACT
Fireonthenationaleconomyandpeople'slivescausedgreatharm,butdevelopedcountriesforfirepreventionandtheresponsetoourcountryandabroad,thereisstillawidegapbetweenthedevelopedcountries,therefore,todesignareliableandefficientfirealarmcontrolsystemisveryurgentthe.
ThemainadvantageofthisdesigniscompletedthecorecontrolunitSiemensSIMATICS7-300PLCtypeoffirealarmcontrolsystemdesign.
Keyfirst,dependingonthecontrolobjecttoselecttheappropriateS7-300seriesCPU,whichisthecorecomponentofthecontrolsystem,thechoiceofsometypeoffiredetector,thedetectoralarmrelatedtothechoiceofgoodorbad,andotherfollow-upactionseries.Second,selecttheS7-300tomatchtheexpansionmodules,suchasdigitalI/Omodules,analogI/Omodules,powermodules.Finally,tocompletetheoveralldesignofthecontrolsystemtoachievethecontrolobjectives.
KeyWords：
ProgramableLogicControl；ControlSystem；TheFireFightReportToThePolice
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
火灾早就成为危害我国的重大灾害之一。
随着我国经济的快速发展，高楼和地下建筑发展的日益迅速，火灾发生的概率大大增加，每年在国内火灾发生的几率和造成的损失在慢慢增多。
火灾报警系统的研究就是可以帮助我们尽早的发现早期火灾，将火灾的范围控制到最小。
研制火灾报警控制器的目的是为了立足于掌握核心开发技术，降低系统成本。
尽管通过近几年的消防治理整顿，取得了不少成绩，但与其他国家相比，千次火灾死亡人数较多，我国的火灾形势不容乐观，加之我国经济在高速发展，生活水准大幅度提高，各种生产、办公以及居住场所火灾大增，塑料制品和双层玻璃的大量应用，使火场的外部求援困难重重。
因此，设计简单实用的火灾报警控制系统有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义。
1.2课题背景
随着科技的发展，生活水平的提高，现代的高楼大厦逐渐变成智能化，这也是国家未来重要的发展走向。
随着我国快速的发展，人们的生活和居住环境不断的改善，在没用居住的后顾之忧后，人们对自己的安全越来越重视。
显然表明，社区的保安远远满足不了人们的需求。
现在人们在居住环境的要求优先考虑的是小区安全建设是否完善。
今天人们居住比较密集、引起火灾发生的危险设备比较多，所以对火灾发生的防治要求高。
为了早期发现和扑救火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，火灾自动报警系统已成为必不可少的设施。
火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。
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，以便控制和扑灭火灾，保障生命安全。
消防火灾报警系统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，其自身技术水平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。
1.3国内外消防报警系统的现状及发展情况
1.3.1火灾消防报警系统发展历程
火灾消防报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段。
第一阶段：
多线型火灾自动报警系统。
每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的CPF火灾报警系统，此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动警铃等，其报警器对外围探测器无故障检测功能，只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线工作量较大。
第二阶段：
总线型火灾自动报警系统。
这种自动报警系统已采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分，目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用。
第三阶段：
智能型火灾自动报警系统。
由于采用了先进的计算机控制技术，智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用数字量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。
对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报[1]。
1.3.2消防火灾报警系统在国外的发展情况
国外一些较发达的国家，他们有相当完善的火灾早报和扑灭的消防体系。
而当地政府都会给与大笔的款项用于设备的更新、设备维护等。
一些国家例如德国、日本、美国等就利用电脑与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。
例如：
美国、英国、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统这方面均有很成功的经验。
他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，运行多年未出现问题，消防中心对火灾发生的地点、火灾发生类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。
此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。
这种管理运作方式已经取得了良好的效果[2]。
1.3.3消防火灾报警系统在国内的发展情况
我国的火灾报警装置起步比较晚，同比国外有很大的差距，但是最近几年火灾报警控制系统有了不菲的进步。
我国从70年代开始生生产火灾报警的产品。
到了80年代，我国国内制作的消防火灾产品多已模仿为主国内主，又或是引进国外的一些技术，没用自己核心的技术，国内这方面的的市场也是刚刚起步。
火灾报警产品的发展主要在90年代，国家政策的支持和国际化使得很多国外知名企业进入中国消防市场，带来了很多先进成熟的技术，从而促进了我国消防产业的发展。
有些企业慢慢有了自己的核心技术，在世界的领域有了不菲的成绩。
1.4消防火灾报警系统的分类
火灾自动报警系统是由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其它辅助功能的装置组成的火灾报警系统。
它能够在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温。
感烟和感光等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，记录火灾发生的时间。
一般火灾自动报警系统和自动喷水灭火系统、室内消火栓系统、防排烟系统、通风系统、空调系统、防火门、防火卷帘、挡烟垂壁等相关设备联动，自动或手动发出指令、启动相应的装置[2]。
第二章系统的传感器的选型及其特性
2.1烟感器、液位传感器
本控制系统中用到烟雾浓度、液位高度的数据采集，故本章重点介绍这二种物理量采集的传感器的选择。
2.2感烟器的选择
火灾的起火过程一般都伴有烟、热、光三种燃烧产物。
在火灾初期，由于温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以产生大量烟雾。
烟雾是早期火灾的重要特征之一，感烟式火灾探测器是能对可见的或不可见的烟雾粒子回应的火灾探测器。
它是将探测部位烟雾浓度的变化转换为电信号实现报警目的一种器件。
感烟式火灾探测器有离子感烟式、光电感烟式、激光感烟式等几种型式。
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（镅-241），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。
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种。
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回应的火灾探测器。
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。
感烟式火灾探测器适宜安装在发生火灾后产生烟雾较大或容易产生阴燃的场所；它不宜安装在平时烟雾较大或通风速度较快的场所[3]。
本设计选择光电二极管型烟感探测器,其原理是当被测的气体浓度大于或小于或等于给定值时，系统会自动全启动，平时状态下为半启动状态。
当探测器的检测室的气体浓度发生变化时发光二极光的光经过透镜到接受光敏二极管的光阻发生变化从计算光阻的大小来检测气体浓度变化了多少。
2.3液位传感器的选择
一般压力式和超声波传感器均带有变送部分，即将液位元信号转换成标准电流信号（4~20mA）。
旋转编码浮子式传感器分为机械式和光电式两种，光电式又分为绝对型和增量型。
这类传感器输出通常为并行二进制代码、串行二进制代码和脉冲信号。
除智能型一体化传感器外（压力式或超声波），一般没有就地显示和数字通信功能[4]。
对于诸如农田灌溉、环境监测、污水处理等公益性部门，除测量精度、可靠性、可维护、易安装等技术性能要求外，价格也是直接影响传感器选用的重要因素之一。
为此，设计单位研制了一种基于磁浮子接点式小量程（≤150cm）就地显示、并具有RS-485通信接口和4~20mA输出的廉价液位传感器。
液位传感器的原理为基于水体压力的计算公式：
P=ρgh+P0（P0为标准大气压），由传感器测到压力的变化后，“计算”到相应的电信号，并终转化为4~20mA的标准直流电流信号。
这种测量方法需精确稳定的电源Ve和分压电阻R，通过适当的变换电路（V/I），可获得4~20mA标准电流输出。
但是，如果多个干簧管同时接通，就会影响其分压电阻比，产生较大的测量误差。
若在测量中产生一个或多个干簧管永久性导通（干簧管失效），则测量无法正常进行。
为避免这种情况发生，增强传感器的适应性（现场显示和通信）[5]。
结合工程实践，STLP液位变送器采用美国原装高精度扩散硅不锈钢隔离膜传感器及专用转换电路，吸收引进国外先进的生产工艺和设备，确保产品能够长期稳定可靠地在水中及其它液体介质中使用，有效解决了这一问题[6]。
第三章系统的硬件设计
3.1消防报警系统的要求、原理图设计
3.1.1控制要求
在本设计中，PLC的作为消防报警系统的“心脏”，探测器作为消防报警系统的“眼睛”。
具体的过程是：
首先开机自检后，检查是否有手动报警按钮被按下，如果被按下，直接启动消防水泵、排烟风扇、MODEM通信模块连接电话网119。
如果没有启动手动报警开关，在开机自检后，在光纤光栅检测器探测到的温度T若≥70℃，就启动消防水泵喷水，直道把温度降为50℃以下。
若在10min之内温度还没有降温为50℃以下，就启动通信模块的MODEM到电话网通知119。
在通知电话网后消防水泵并不停止喷水，直道把温度降为50℃以下。
当烟感探测器检测到的CO、CO2浓度大于给定值时，就启动排烟风扇排烟。
系统的水箱液位是PID模块控制的。
3.1.2消防报警系统工作原理图
图3.1消防报警系统工作原理图
Fig.3.1Firealarmsystemworkingprinciplediagram
3.2PLC相关模块的选择
由于系统要用到两个模拟量模块的扩展所以选择CPU314系列的标准型PLC
1个AI输入模块：
用于三个探测器的模拟量输入
1个DI输入模块：
用于输入与控制相关的开关量
2个DO输出模块（其中1个用于交流输出1个是直流输出）：
用于输出控制驱动信号
1个AO输出模块：
用于对水箱液位电机的输出控制
1个通信输出模块：
用于连PC上位机及电话网
3.2.1PLC的CPU模块的选择
这样总输入输出模块数为6，可选择CPU313系列，但是CPU313系列的RAM是20KB的，有点小，所以选择CPU314系列的，它的RAM为40KB。
可扩展模块数为32个[7]。
3.2.2电源模块的选择
由于整个系统共享5个扩展模块，不算太多所以选择PS307的5A型的电源模块。
3.2.3变速频率调节器
在水箱液位调节过程当中，利用变速调节器来控制电机的转速。
选用三菱变频调速器FR-S500，其设置为：
表3.1变速频率调节器菜单
Table3.1Variablefrequencyregulatormenu
3.2.4系统的硬件列表
根据控制对象实际的要求，选择既可控性好又经济的可编程控制器模块是设计人员直接的衡量标准。
选择的模块既能很好的控制系统，又要做到经济实用。
表3.2系统的硬件列表
Table3.2Hardwarelist
名称
输入信号
输出参量及范围
个数
其它说明、型号
光纤光栅温度探测器
DC5V或DC24V
4~20mA标准电流信号或者0~10VDC电压信号
1
SM125-100
液位传感器
DC24V
4~20mA标准电流信号
1
STLP
三菱变频调速
FR-S500
输入为4~20mA的标准电流信号
1
选择输出三相交流U、V、W的输出频率为0~120Hz范围。
且使得4mA对应0Hz,20mA对应120Hz.
交流单相电机
AC230V
数量2其中一个为备用
2
用于消防水泵电机的运转
交流单相电机
AC230V
数量2其中一个为备用
2
用于排烟风扇的运转
三相交流电机
AC380V
数量2其中一个为备用
2
用于水箱液位的泵水
AI输入模块8×16Bit
DC24V
接收4~20mA标
准电流信号
1
6ES7331—7NF00--OABO
DI输入模块16
×DC24V
DC24V
1
6ES7321—1BH81--OAAO
DO输入模块16×DC24V
DC24V
用于直流24V驱动
1
6ES7322—1BH01--OAAO
AO输入模块4
×16Bit
DC24V
输出4~20mA标
准电流信号
1
6ES7332---7ND01—0AB0
CP343–1型通信模块
DC24V
1
6GK7343—1EX11—OXEOV2.0
PS307–5A型
电源模块
DC24V
1
6ES7307---1EA00–0AA0
CPU314模块
DC24V
1
6ES7314---1AE04—0AB0
声光报警器
DC24V
用于现场的报警发警
表3.3系统输入输出列表
Table3.3Listsysteminputandoutput
数字输入
信号说明
数字输出
信号说明
模拟输入
信号说明
模拟输出
信号说明
DI4.0
手动报警启动
Q8.0
报警器直流输出
PIW
256-257
温感传感直流4~20mA输入
PQW
336-337
水箱液位PID控制
直流4~20mA输出
DI4.1
手动报警停止
Q8.1
电话119直流输出
DI4.2
手动调节消防水泵启动
Q12.0
消防水泵交流输出
PIW
258-260
烟感传感直流4~20mA输入
DI4.3
手动水泵停止
Q12.1
排烟风扇交流输出
PIW
261-262
液位传感
直流4~20mA
输入
DI4.4
手动调节排烟风扇启动
Q12.2
防火卷帘门交流正转输出
DI4.5
手动排烟停止
Q12.3
防火卷帘门反转交流输出
DI4.6
手动启动防火卷帘门电机反转
Q12.4
水箱液位电机交流输出
DI4.7
手动停止防火卷帘门电机正转
DI5.0
手动停止防火卷帘门电机
DI5.1
手动启动水箱液位电机
DI5.2
手动停止水箱液位电机
DI5.3
手动总按钮
DI5.4
自动总按钮
3.3系统的电气回路图
3.3.1消防水泵单相交流电机电气回路图
图3.2消防水泵单相交流电机电气回路图
Fig.3.2Firepumpelectriccircuitsofthesinglephaseacmotor
3.3.2排烟风扇单相交流电机的电气回路图
图3.3排烟风扇单相交流电机的电气回路图
Fig.3.3Single-phaseacmotorexhaustfanoftheelectricalcircuitdiagram
3.3.3防火卷帘门三相交流电机的电气回路图
KM3得电，常闭触点同时断开KM4电路，即互锁，M正转。
KM3失电，M停止正转，KM4得电常闭触点同时断开KM3电路即互锁，M反转。
图3.4消防防火卷帘门三相交流电机的电气回路图
Fig.3.4Firefireshutterelectricalcircuitdiagramofthree-phaseacmotor
3.3.4储水水箱的PID控制的三相交流电机的电气回路图
图3.5储水水箱系统电气主回路图
Fig.3.5Waterstoragetanksystem,themainelectricalcircuitdiagram
3.3.5系统输入输出点：
1.模拟输入模块
模拟量输入模块
温度传感器模拟输入PIW256~257
三个连续变量输入均为4~20mA的直流信号
6ES7331—7NF00--OABO
烟浓度传感器输入PIW258~289
液位压力模拟输入PIW260~261
图4.13模拟输入模块图
Fig.4.13Analoginputmodulechart
2.模拟输出模块
模拟量输出模块
6ES7332---7ND01
—0AB0
PQW336控制变频器的模拟输出电流信号
图4.14模拟输出模块图
Fig.4.14Analogoutputmodulechart
3.数字量输入模块
图4.15数字量输入模块
Fig.4.15Digitalquantityinputmodule
4.数字量输出模块
图4.16数字量直流输出模块
Fig.4.16Digitaldcoutputmodule
图4.7数字量交流输出模块
Fig.4.7Digitalacoutputmodule
第四章控制系统的软件设计
4.1系统的软件程序流程
在本设计中，采用了STEP7对系统进行编程。
以下是控制系统的程序流程图：
返回程序首地址址
图4.1系统的软件程序流程图
Fig.4.1Systemsoftwareprogramflowchart
4.2STEP7编程软件
4.2.1STEP7介绍
SIMATICSTEP7是西门子自动化系统通用的开发环境，包括所有必要的工具支持用户在自动化项目中：
设计、实施、测试、调试和开车直至操作和维护的全过程[8]。
作为全球化的产品，STEP7代码库拥有大量开发好的功能块。
基于PC的控制WinAC与SIMATICS7-300/400系列完全兼容，这意味着可以使用STEP7完成工程项目的组态不经过任何转换下载到S7-300/400或任何开放的WinAC控制平台上。
对于不同控制解决方案的维护或软件PLC和硬件PLC的转换完全不必担心。
即使是一个完全硬件PLC的解决方案，WinAC也是系统仿真和模拟调试的首选工具。
STEP7完全符合国际标准IEC61131-3。
IEC标准用户将程序结构化，增加重复使用率、减少错误并提高程序和用户的效率。
对于SIMATICPLC的用户，WinAC只需要简单的培训，从而保护了用户的投资[9]。
4.2.2STEP7编程的各个步骤
1.设计你的控制器
在使用STEP7之前，设计你的自动化解决方案，将过程分割为单个的任务以生成一个组态图表。
2.设计程序结构
使用STEP7中可用的块将你的控制器设计草案中所描述的任务转化为程序结构。
3.启动STEP7
从Windows用户接口启动STEP7。
4.创建一个项目结构
项目就像一个文件夹，所有数据都以分层的结构存于其中，任何时候你都可以使用。
在创建了一个项目之后，所有其它任务都在这个项目下执行。
5
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