基于PLC的自动喷水灭火及报警系统.docx
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基于PLC的自动喷水灭火及报警系统
基于PLC的自动喷水灭火及报警系统
摘要
在智能大厦设置火灾自动喷水灭火系统，这样在火灾初期可得到报警信号并能采取措施，从而防止火灾蔓延，将火灾损失降到最小。
本文重点讲述了火灾自动报警控制系统的设计概况，对系统的构成等方面做了介绍，根据控制要求，主要完成PLC部分的设计及连接，并进行初步的硬件和软件设计，对控制系统的分析给出I/O列表、控制梯形图以及程序的调试，并给出了调试过程和控制系统逻辑控制部分的方法。
关键词：
火灾 PLC 自动喷水灭火系统
Abstract
AutomaticfiresprinklersystemisarrangedintheIntelligentBuilding,sointheearlyfirealarmsignalcanbeobtainedandtotakemeasurestopreventthespreadoffire,fire,thelossestoaminimum.Thispaperfocusesonthedesignoffireautomaticalarmcontrolsystem,introducesthesystemstructure,accordingtothecontrolrequirements,andconnectiondesignofPLCpartmainlycompletesthedesignofhardwareandsoftware,andthepreliminarydebuggingofcontrolsystem,theanalysisisgiventheI/Olist,controlofladderdiagramandtheprogram,andgivesthedebuggingmethodoflogiccontrolpartoftheprocessandcontrolsystem.
Keywords：
FirePLCAutomaticsprinklersystem
第一章绪论
1.1自动灭火及报警系统课题研究的相关背景
火灾，作为一种具有突发性和强破坏性的灾害现象，严重危害人类生命财产安全。
据统计，在众多的灾种中，火灾造成的直接损失约为地震的5倍，仅次于干旱和洪涝，而火灾发生的频度则居于各灾种之首。
千百年来，人类和火灾进行了长期的斗争，积累了许多防火、灭火的经验教训。
随着社会的不断发展，人们对于火灾的认识不断加深，针对火灾初期不同特征的各种探测方法越来越多。
人类逐步掌握了火的燃烧机理，燃烧条件和燃烧发展的过程，创造了各种各样防火、灭火的方法。
在上世纪70年代后期，开始出现一门新兴的多学科交叉应用基础科学，火灾科学，其中心内容就是用现代高科技手段研究火灾发生、发展和防治的机理和规律，为火灾防治提供新的思想、理论和方法，使得人类对火灾的研究进入了科学化、系统化的轨道，并促进了防火、灭火技术的进步。
自动灭火消防系统是一种重要的灭火、报警措施，随着经济的发展迫使更多仓库拔地而起。
更由于智能仓库的出现，使现代仓库以多功能且安全性高而著称。
特别是装有大量有机材料或可燃易燃物质的仓库，一旦起火，这些遍布全仓库的可燃物便是火灾燃烧的极好物质条件，同时这些仓储物品也是火灾迅速蔓延的良好途径。
自动灭火消防系统设计是目前世界上采用最广泛的一种固定灭火报警设施。
其特征是：
通过加压设备将水送入管网至带有电磁控制的喷头处，喷头在收到开启控制信号的同时自动开启洒水灭火，并发出报警，更好的预防火灾的蔓延。
从自动灭火消防系统的应用实践和统计资料可以看出，自动灭火消防系统的控火灭火率很高，对仓储建筑物中的灭火具有很高的实用价值，而且随着科学的进步，该系统的应用范围将会越来越广泛，系统可靠性和、控火灭火率也会相应提高。
在工业和民用建筑、智能大厦、宾馆、酒店、图书馆、科研和商业部门及大型工厂，火灾报警系统已成为必要的装置。
火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用，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，初步阐述了火灾报警灭火系统硬件和软件设计。
1.2自动灭火及报警系统选题的目的和意义
众所周知，建筑火灾给人类造成的损失是巨大的。
火灾往往发生在人群稠密和物资集中的地方，扩展的速度较快，而这些地区的消防通道又常常拥堵，消防车难以进入，
消防灭火工作难以展开，往往小的火灾却酿成大的灾祸。
因此，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾”责任重于泰的概念，做好防范工作，只有严格按照消防规范的规定进行消防设计、施工，才能限制火灾蔓延的范围，及时发现和扑救火灾。
随着电子技术和计算机技术的迅速发展，国际上已将该技术广泛地应用于消防报警系统和消防灭火系统。
目前我国新建的建筑中也广泛地采用了消防自动报警系统，就是将着火时的烟、光、温度等环境参数的变化通过相应的探测器探测后传给中央处理主机，通过电脑的快速分析，判断是否发生火灾并将着火情况快速地报警，同时启动消防自动灭火系统，控制火情；启动紧急广播系统和人群疏散指导系统，使建筑物内的人员快速撤离；关闭防火卷帘门对火区进行隔离；启动排烟系统将有毒气体排出，尽可能地控制火情，减少人员伤亡，降低财产损失。
消防报警系统就是一种及时发现和通报火情并采用措施控制扑灭火灾的自动消防设施。
要保证大楼内人员、设备的安全，随时监控设备的运行环境，系统的没置即使投资大一些也应选用较先进、高可靠性、误报率低的产品。
火灾报警系统属于智能大厦系统的一个子系统，但其又在完全脱离其他系统或网络的情况下独立地正常运行和操作，完成自身所具有的防灾和灭火的功能，具有绝对的优先权。
火灾报警系统的结构、组成、功能都应符合我国现行的规范。
综合性智能化大厦作为一座现代化建筑，应具备一套满足其功能要求的智能化建筑系统。
火灾报警系统正是为了保证大楼的安全运行，发挥大楼的智能化作用而启用的。
火灾报警系统的专业设备系统应设置先进、结构合理、功能齐全、运行可靠。
实践证明在智能大厦内安装该系统能够扑救初期火灾，保护大厦内的财产及人生安全，降低火灾损失以及为抢救货物和人员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和破坏性，把火灾给人们带来的经济损失降到了最低，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中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。
1.3自动灭火及报警系统简介
自动灭火及报警系统，它是由触发装置、火灾报警装置、消防联动装置以及具有其它辅助功能装置组成的，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，是人们同火灾做斗争的有力工具。
自动灭火及报警系统，是保护人生财产的，原理是发生火灾的烟雾或温度被设备感烟或感温感应到了开始报警，同时也联动了报警系统启动灭火系统，就间接性的降低了
人生和财产损失；随着各类建筑的不断发展，建筑规模越来越大，层次越来越高，建筑的标准也越来越高。
新建的各类大楼都具备人员密集、设备先进、功能多、装饰豪华等特点，因此，自动灭火及报警系统已成为高层建筑不可缺少的重要组成部分。
1.4国内外自动灭火及报警系统的发展现状
在我国发展火灾报警装置的初期阶段，这类产品品种单一、门类不全、不成系列、配套性差，特别是产品质量不稳定，不能满足用户的要求，产品的可信度低经过几年的努力和发展，有关部门加强了产品设计规范和标准的制定和实施工作，逐步完善了质检的技术手段，统一了全国消防产品的质检工作，严格执行产品生产的许可证制度。
虽然我国火灾自动报警系统总的发展趋势较好，却仍然滞后于整个国民经济的建设和发展，全社会抵御火灾的整体能力较低，落后于国外发达地区和国家。
目前，我国火灾自动报警设备，自动灭火设备产品的质量水平还达不到国外工艺发达国家产品的水平。
以探测器为例，要求可靠性高，抗干扰能力强，在较为恶劣的使用环境中能正常工作，但是有的国产探测器在高温高湿下往往误报率高，有的甚至不能正常工作。
比如联动系统，各个厂家己采用总线制，但是有的元件功率太小，易损坏。
另外，系统应用的场所和设置部位还不够广泛，自动喷水灭火系统适用于自救场所，它不仅具有控火的功能，还具备灭火的功能。
但在目前的系统设计中，突出表现在喷头的布置不够规范，合理选择和布置喷头，直接影响到扑灭初期火灾的效果。
此外，系统的管道布置远没有消火栓给水系统的可靠性高，消防水源的保障也需提高。
在近期国外建成的现代化高层建筑中，比较先进的自动消防系统是采用多级计算机分级管理方式，即把大厦内防灾电力与空调管理组合在一个完整的计算机管理系统中，而防灾（主要是火灾自动报警灭火系统）、电力和空调分别由专用微型计算机进行管理和控制。
目前，国外研制出一种智能化传感器，它在一块硅片上集成了相当于人眼的光电转化部分相当于人视觉神经的信号传输部分和相当于人脑记忆和演算的部分。
这种传感器若能大批量投产，将进一步促进报警系统的智能化美国正在研究计算机火灾报警系统的语音化，即所有预警报警都用语音告诉人们如何去处置，同时把火灾现场的各种数据参数自动记录下来，帮助人们分析火灾起因。
1.5自动灭火及报警系统的特点及应用范围
基于PLC控制的自动灭火消防系统反应快，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来控制系统的开启，从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。
自动喷水灭火系统控制面积大，用水量大。
由于电磁式喷头向系统保护区域同时喷水，能有效的控制住火灾，防止火灾蔓延，初期灭火用水量很大
完善系统自身的可靠性。
自动灭火消防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。
自动灭火消防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。
闭式自动灭火消防系统采用闭式喷头，它是一种常闭喷头，喷头的感温闭锁装置只有在预定的温度环境下才会脱落，开启喷头。
因此，在发生火灾时，这种喷头灭火系统只有处于火焰之中或临近火源的喷头才会开启灭火。
开式自动灭火消防系统采用的是开式喷头，开式喷头不带感温闭锁装置，处于常开状态。
发生火灾时，火灾所处的系统保护区域的所有开启式喷头一起出水灭火。
根据被保护建筑物的要求，闭式自动灭火消防系统还可以分为，湿式自动灭火消防系统，干式自动灭火消防系统，干湿式自动灭火消防系统，预作用自动灭火消防系统等形式；开式自动灭火消防系统，可分为雨淋系统，水幕系统等形式。
1.6本课题的主要内容及重点解决问题
本课题的主要内容为基于智能大厦的结构确定火灾自动灭火及报警系统的组成及主要的部件，确立系统设计的思路，设计出自动喷水灭火系统的总体方案，选择PLC，以及自动喷洒用消防泵的控制电路设计和火灾自动报警系统设计。
本课题重点解决的问题有1、PLC的选型。
2、硬件电路设计。
3、软件编程。
以下是本文完成的主要工作：
l、设计自动喷水灭火系统的总体工作过程及结构总图
2、自动灭火及报警系统硬件设计及PLC选择
3、PLC控制自动灭火及报警系统的软件设计
第二章系统的总体工作过程及结构总图
智能大厦是以建筑为平台，通过对建筑物的结构、系统、服务和管理四个基本要素以及它们之间内在关联的最优化组合，来提供一个投资合理、高效、舒适、便利的环境。
火灾自动报警系统担负探测火灾隐患,肩负安全防范重任,是智能建筑中建筑自动化系统（BA）的重要子系统，在完成自身所具有的防灾和灭火的功能上,具有绝对的优先权。
智能建筑中火灾自动报警系统的设计要点是:
根据被保护对象发生火灾时燃烧的特点确定火灾类型，根据所需防护面积部位，按照火灾探测器的总数和其他报警装置（如手报）数量确定火灾报警控制器的总容量，按划分的报警区域设置区域报警控制器，根据消防设备确定联动控制方式，按防火灭火要求确定报警和联动的逻辑关系，最后要考虑火灾自动报警系统与智能建筑“3AS”（建设设备自动化系、通信自动化系统、办公自动化系统）的适应性。
系统的总体工作过程及结构总图如图1所示
图1火灾自动报警及消防控制系统整体流程图
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
火灾自动报警系统由两大部分组成：
火灾探测器和火灾报警器。
火灾探测器安装在现场，监视现场有无火警发生；火灾报警器安装在消防控制中心，管理所有的火灾探测器。
当发现有火警时，发出声光报警信号通知值班人员，有的火灾报警器还可启动联动设备灭火。
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智能大厦结构
智能大厦（其结构框图见图1）造价是普通大厦的二倍以上，火灾自动报警系统的设计是一项专业性很强的技术工作。
要掌握《智能建筑设计标准》GB/T50314-2006、《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-1998、《火灾自动报警系统施工及验收规范》GB50166-92、火灾自动报警系统设备制造标准及行政管理法规等方面的消防法规，并切实了解现行国家有关标准及规范中的正面词：
“必须”、“应”、“宜”、“可”和反面词：
“严禁”、“不应”、“不得”、“不宜”的含义。
BAFACPU
IHN
CAOALAN
BA：
楼宇自动化FA：
消防自动化CA：
通信自动化
OA：
办公自动化LAN：
局域网IHN：
主干网
图2智能大厦结构框图
1、必须掌握建筑设计防火规范、系统设计规范、设备制造标准、安装施工验收规范及行政管理法规等方面的消防法规,注意了解现行国家有关标准及规范中的技术要求。
2、要结合高层民用建筑的功能、用途及保护对象和防火等级,认真执行现行国家有关标准、规范及公安消防监督部门的审批意见。
2.3基于PLC的自动灭火及报警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1所示。
表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，开式喷头喷水灭火。
自动灭火消防系统的开启过程：
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3（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、价格低廉的语音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工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具有以下鲜明的特点。
（1）功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。
现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。
以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。
（2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备。
它能在不同环境下运行，可靠性十分强悍。
（3）安装简单，容易维修。
PLC可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，写入程序即可运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
PLC还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便。
（4）抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。
隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。
对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。
另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。
正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。
通过以上措施，保证了PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。
（5）环境要求低。
PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。
这是PLC产品的市场生存价值。
（6）易学易用。
PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
PLC编程大多采用类似继电器控制电路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此，很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
图4（火灾探测器实物图）
第三章系统的硬件设计与实现
3.1系统分析
该系统是针对某仓库的消防安全设计的火灭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，区域中如有一只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SB1，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。
当区域中如有一只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。
火灭排烟系统开启，5秒后对应失火楼层的消火栓开启喷淋头喷水灭火。
灭火完成后按下复位按钮，系统便恢复止常供电照明。
3.2I/O分配
表2PLCI/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5PLC外部接线图
3.4消防控制
图6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
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。
图7水箱结构图
3.6PLC的选择
3.6.1PLC的介绍
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。
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。
3.6.2三菱PLC的主要特点
1.结构灵活
不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美
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