基于plc的火灾自动报警系统设计.docx
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基于plc的火灾自动报警系统设计
摘要
本文主要阐述了火灾自动报警系统的组成、火灾自动报警系统的基本形式、火灾报警系统的探测机理及工作方法。
简要地介绍了大型超市预防火灾的重要性，讨论了火灾探测器的分类、探测原理及由此发展的各种火灾探测器，可编程控制器的发展历史、特点、结构及基本原理等，还论述了PLC控制系统的组成、要求及设计方法。
最后介绍了PLC控制系统在大型超市中的程序设计及实现。
本系统将火灾报警系统及消防联动系统集成到一起，具有着可靠性高、操作简单的特点，能够基本满足超市消防系统的要求。
关键字：
火灾自动报警大型超市可编程控制器消防联动
绪论
一、课题研究的相关背景
“预防火灾是全社会的共同责任”是每年全国“119”消防宣传日活动不变的主题和要求。
消防安全工作直接关系着社会经济的发展，涉及千家万户的安全。
我们国家历来十分重视消防工作，“隐患险于明火，防范胜于救灾，责任重于泰山”这三句话高度阐明了火灾预防工作的重要性。
我们需要平安的生活、平安的世界，只有这样我们的生活才能真正变得丰富多彩。
如果没有消防安全，我们已获得的物质成果就会遭到毁灭；如果没有消防安全，我们就无法进行正常的生产和生活。
因此，设计一套可靠性高、操作简单的消防系统显得尤为重要。
二、选题的目的和意义
随着人们的生活水平、现代化程度的提高，物质生活极大地丰富，安全保障尤为重要。
而如今的大型超市集蔬菜、衣服、家电等一体，几乎满足了人们的各方面需求，因此消除超市的火灾隐患十分重要。
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。
而在商品密集的大型生活超市中，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。
三、国内外的发展状况
19世纪中叶之前世界上的古老城镇一直是由瞭望员站在瞭望塔上观察火焰，发现火灾，用报警声向人们报警，并通知人们或消防队灭火，此种报警方式一直沿用了很久。
到了19世纪中叶，西方国家的工程师率先将近代机械和电气技术应用于火灾预防与扑救，发明了早期的自动喷水灭火装置和火灾自动报警装置。
1847年，牙科医生Channing和缅因大学教授Farmer开发研制了第一台用于城镇火灾报警的火灾报警发射装置。
1852年安装在波士顿，从此城镇火灾报警向前迈进了一大步。
20世纪初，随着化学和化工技术的发展，开始了泡沫灭火剂的研制，同时，建筑结构及材料的防火技术也逐渐成为一个重要的研究领域。
本世纪50年代，美国哈佛大学的艾蒙斯教授提出了火灾模块化的理论，为火灾科学的建立奠定了基础。
1984年，英国爱丁堡大学庄斯戴尔出版了专著《火灾动力学》，第一次对火灾科学的理论体系进行了系统的阐述，这便是现代高层消防报警系统的前身。
随着现代科技的发展，人们把电子技术应用到防火系统，发明了早期的火灾报警系统。
二十世纪八十年代初，推出了新一代全新火灾报警控制系统，该系统的智能集中于控制器部分，探测器输出模拟信号，由控制器对这些信号进行处理，判断是否发生火灾，它不仅解决了由于探测零点漂移而引起的非真实可靠探测的问题和探测器检查问题，而且提高了系统的抗干扰性，增加了可靠性。
我国的消防技术的研究起步于1956年，从1980年开始了消防报警系统设备的研究，经过了三十几年的发展，国内的火灾报警系统也经历了从多线制到总线制的发展过程。
由于我国消防报警设备起步较晚，技术一直落后于国外,而且资金缺乏，国内生产消防报警设备的工厂、公司缺乏先进的火焰燃烧实验室，使得对火灾从初期阴燃到明火燃烧的数学模型及不同物质燃烧的状态、机理研究甚少，从而只能走“引进——国产化一—仿制——自行开发”的道路，故在进入九十年代后各厂家纷纷以引进技术或合资等形式来提高自己的竞争能力。
四、主要研究内容
本设计是针对大型生活超市的火灾自动报警系统，该系统主要由检测子系统、中央控制器、报警子系统和灭火子系统四个部分组成。
为了提高系统稳定性，减少误报和漏报，本系统采用了感温和感烟两种传感器，能同时根据情况发出火灾信号。
报警子系统主要采用喇叭式和灯闪烁式两种方案，本系统采用喇叭式报警，便于长距离的火灾信号传递，而且能快速疏散超市中的顾客。
第一章火灾自动报警系统简介
1.1火灾自动报警系统的概述及组成
火灾自动报警系统能够在火灾初期，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。
火灾自动报警系统的组成形式多种多样，它的发展目前可分为四个阶段：
（1）多线制开关量式火灾探测报警系统。
其主要特点是：
简单、成本低。
这是第一代产品，无法排除环境和其他因素的影响，所以目前国内极少数厂家生产，它基本上已处于被淘汰状态。
（2）总线制可寻址开关量式火灾探测报警系统。
其优点是省钱、省工。
这是第二代产品，尤其是二总线制开关量式探测报警系统目前正被大量使用。
（3）模拟量传输式智能火灾报警系统。
这是第三代产品。
目前我国已经开始从传统的开关量式火灾探测报警技术，跨入具有先进水平的模拟量式智能火灾探测报警技术的新阶段，它的系统的误报率降低到最低限度，并大幅度地提高了报警的准确度和可靠性。
（4）分布智能火灾报警系统这是第四代产品。
探测器具有相当于人的感觉器官，可对火灾信号进行分析和智能处理，做出恰当的判断，然后将这些判断信息传给控制器，控制器相当于人的大脑，既能接收探测器送来的信息，也能对探测器的运行状态进行监视和控制，由于探测部分和控制部分的双重智能处理，使系统运行能力大大提高。
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、区域报警控制器、集中报警控制器、电源和配电电路组成。
在火灾自动报警系统中，自动或手动产生火灾报警信号的器件称为触发件，主要包括火灾探测器和手动火灾报警按钮。
1.2火灾探测器功能及分类
火灾探测器是火灾报警系统的“感觉器官”，它能对火灾的特征物理量如温度、烟雾、气体和光强等转换成电信号，并立即产生火灾报警信号，或向控制装置发出信号。
火灾探测器是火灾自动报警器的关键元件，它的稳定性、可靠性和灵敏度等技术指标会受到诸多因素的影响，因此火灾探测的选择和布置应严格按照规范进行。
根据不同的火灾探测方法可构成相应的火灾探测器，按照其待测的火灾参数不同可以划分为感烟式、感温式、感光式火灾探测器和可燃气体探测器，以及烟温、烟光、烟温光等复合式火灾探测器。
（1）感烟火灾探测器是利用一个小型烟雾传感器，一般情况下制成点型结构，主要有离子式和散射光式两种类型。
此外，感光式火灾探测器有点型和线性两种结构，其中线型结构一般制成主动红外对射式线性火灾探测器。
（2）感温式火灾探测器是利用一个点型或线缆型火灾参数传感器来响应其周围气流的异常温度和升温速率的火灾探测器，其结构有点型和线缆型两种，当前使用较为广泛的是点型电子感温火灾探测器和线缆型易熔金属感温火灾探测器。
（3）感光式火灾探测器是根据物质燃烧过程中火焰的特性和火焰的光辐射强度而构成的用于响应火灾时火焰光特性的火灾探测器，一般是制作成被动式紫外或红外火焰光探测器。
（4）可燃气体探测器是采用各种气敏元件或传感器来响应火灾初期物质燃烧产生的烟气体中某些气体浓度或液化石油气、天然气等环境中可燃气体浓度以及气体成分的探测器，一般其结构为点型，当前用于火灾探测的可燃气体探测器主要采用催化燃烧式或三端电化学式的探测原理。
（5）复合式火灾探测器是对两种或两种以上火灾参数响应的探测器，它有感烟感温式、感烟感光式、感温感光式等几种型式。
1.3火灾自动报警系统的设计要求
在火灾自动报警系统中，火灾探测器长年累月地检测被警戒的现场或对象，当被检测区域存在火灾隐患时，火灾探测器检测到火灾发生的烟雾、高温、火焰及火灾特有的气体等信号并转换成电信号，经过与正常状态阀值或参数模型分析比较，给出火灾报警信号，通过火灾报警控制器上的声光报警控制器显示装置显示出来，通知消防人员发生了火灾。
同时，火灾自动报警系统通过火灾报警控制器启动警报装置，告诫现场人员进行灭火操作或从火灾现场疏散；启动断电控制装置、防排烟设备、防火门、放火卷帘、消防电梯、火灾应急照明、消防电话等减灾装置，防止火势蔓延、控制火势和求助消防部门支援；启动消火栓、水幕及气体灭火系统及装置，及时扑灭火灾，减少损失。
一旦火灾被扑灭，整个火灾自动报警系统又回到正常监控状态。
显然，要使火灾自动报警系统充分发挥作用，对火灾实现拟人化的监测和分析判断，要求火灾自动报警系统将微电子技术、微机控制技术、智能数据处理技术等技术融入系统主机，因此我们可以将火灾自动报警系统的组成结构及功能关系绘出如图1-1：
图1-1火灾自动报警系统结构图示
第二章控制系统的设计要求
随着科技的发展，火灾自动报警系统也由传统型向现代型发展，在现代型火灾自动报警中，主要有区域报警控制器、集中报警控制器和控制中心报警系统，前两种最为常见。
2.1区域报警控制器
区域火灾报警控制器就是局部范围的火灾报警控制器，比如说一个房间用一台区域火灾报警控制器，另一个房间也用一台区域火灾报警控制器，这两个房间的控制器又可以被集中报警控制器控制。
它是由电子元件组成的自动报警和监控装置。
当探测器检测到火灾信号，电子线路将火灾信号转换为电压或数字信号，通过导线传输到区域报警器，经过处理后发出声光报警信号，同时将火灾部位传输给集中报警控制器，适用于较小范围的保护。
有些区域报警控制器可单独组成系统进行消防灭火自动处理。
图2-1区域报警控制器
区域报警控制器的设置应该符合以下的规定：
（1）一个报警区域宜设置一台区域火灾报警控制器，系统中区域火灾报警控制不应超过两台。
（2）区域火灾报警控制器应设置在有人值班的房间或场所。
（3）系统中可设置消防联动控制设备。
（4）当用一台区域火灾报警控制器警戒多个楼层时，应在每个楼层的楼梯口或消防电梯前室等明显部位应设置识别着火楼层的灯光显示装置。
（5）区域火灾报警控制器安装在墙上时，其底边距地面高度宜为1.3～1.5m，其靠近门轴的侧面距墙不应小于0.5m，正面操作距离不应小于1.2m。
2.2集中报警控制器
集中报警探测器一般不与火灾探测器相连，而与区域报警控制器相连，处理区域级火灾报警控制器送来的报警信号，通常使用在较大的系统中。
集中报警控制系统是由电子线路组成的集中自动监控报警装置，各个区域报警巡回检测带的信号均集中到这一总的监控报警装置。
它具有部位指示、区域显示、巡检、自检、火灾报警音响、计时、故障报警、记录打印等一系列功能，在发出报警信号同时可自动采取系统的消防功能控制动作，达到消防的目的和手段，适用于较大范围内多个区域的保护。
图2-2集中报警控制器
集中报警控制器的设置应该满足以下规定：
（1）系统中应设置一台集中火灾报警控制器和两台及以上区域火灾报警控制器，或设置一台火灾报警控制器和两台及以上区域显示器。
（2）系统中应设置消防联动控制设备。
（3）集中火灾报警控制器或火灾报警控制器，应能显示火灾报警部位信号和控制信号，亦可进行联动控制。
（4）集中火灾报警控制器或火灾报警控制器，应设置在有专人值班的消防控制室或值班室内。
（5）集中火灾报警控制器或火灾报警控制器、消防联动控制设备等在消防控制室或值班室内的布置，应符合消防控制室内设备有关布置要求的规定。
2.3控制中心报警系统
控制中心报警系统由消防控制室的消防控制设备、火灾报警控制器、区域显示器和火灾自动报警探测器等组成。
功能复杂的火灾自动报警系统的容量较大，消防设施控制功能较全，适用于大型建筑的保护。
图2-3控制中心报警器
其设置应满足以下要求：
（1）系统中应至少设置一台集中报警控制器和必要的消防控制设备；
（2）设在消防控制室以外的集中报警控制器，均应将火灾报警信号和消防联动制信号送至消防控制室；
（3）区域报警控制器和集中报警控制器的设置，应符合上述控制中心报警系统的有关要求。
第三章PLC简介
3.1PLC的定义及由来
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
1969年美国通用汽车公司公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：
1.编程方便，现场可修改程序；2.维修方便，采用模块化结构；3.可靠性高于继电器控制装置；4.体积小于继电器控制装置；5.数据可直接送入计算机；6.成本可与继电器控制装置竞争；7.输入可以是交流115V；8.输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；9.在扩展时，原系统只需要很小的变更；10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
同年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视，为了使其生产和发展标准化。
美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController）,以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿、第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
综上而言：
PLC是一种直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机基础、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。
3.2PLC的分类、特点及应用
PLC的分类：
可编程控制器发展很快，全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的PLC。
为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大差别。
通常从组成结构形式上将这些PLC分为三类:
一类是一体化整体式PLC，一类是模块式结构化PLC，另一类是叠装式PLC。
（1）整体式结构
从结构上看，早期的可编程控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及输入输出端子、电源、指示灯都装配在一起的整体装置。
它的特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便，但输入输出点数是固定的，不一定能适合具体的控制现场的需要。
这类产品有OMRON公司的C20P,C40P,C60P，三菱公司的F1、FX2N系列；东芝公司的EX20/40系列等。
（2）模块式结构
模块式结构又叫积木式。
这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。
另外机器有一块带有插槽的母板，实质是计算机总线。
这些模块按系统需要选取后，使都插到母板上，就构成了一个完整的PLC。
这些结构的PLC特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便，但体积大。
常见产品有OMRON公司的C200H,C1000H,C2000H;西门子公司的S5-115U,S7-300，S7-400系列等。
（3）叠装式结构
它吸收了整体式和模块式的优点。
它不用基板，仅用扁平的电缆连接，紧密的拼装后形成一个整齐的体积小的长方体，而且输入、输出点数的配置相当的灵活。
另外，为了适应不同工业生产过程的应用要求。
也可以按照应用规模及功能进行分类，根据输入和输出点数的多少，可将PLC分为超小、小、中、大、超大等5种类型。
PLC的主要特点：
（1）编程方法简单易学
（2）功能强，性价比高（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强（4）可靠性高，抗干扰能力强（5）系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小、维修方便（7）体积小，能耗低。
PLC的应用：
一方面由于微处理机芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。
目前PLC在国外已广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐行业。
3.3PLC的组成
PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也由硬件系统和软件系统两部分组成。
硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成。
主机系统：
微处理器单元、存储器、输入单元、输出单元、输入输出扩展接口，外围设备接口以及电源等部分组成了主机系统。
各个部分之间通过总线进行连接，如图4-1：
图3-1PLC结构示意图
CPU是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路；存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元，它包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），只读存储器按照其编程方式不同，可分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。
软件系统也是PLC缺一不可的一部分，它与硬件系统相辅相成。
软件系统又由系统程序和用户程序两部分组成。
系统程序由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。
用户程序是根剧生产过程控制的要求由用户使用，制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。
3.4PLC的工作过程与工作原理
PLC采用周期扫描机制，简化了程序的设计，提高了系统的可靠性。
具体表现在：
在一个扫描周期内，前面执行的任务结果，马上就可以被后面将要执行的任务所用；可以通过设定一个监视器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环而引起故障。
PLC的工作过程如图4-2：
图3-2PLC的工作过程
PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的。
通过执行用户程序来实现控制任务。
但是，在时间上，PLC执行的任务是串行的，与继电—接触器控制系统任务有所不同。
从PLC工作过程可以看到，整个工作过程是以循环扫描的方式进行的。
循环扫描方式是指在程序执行过程的周期中，程序对各个过程输入信号进行采样，对采样的信号进行运算和处理，并把运算结果输出到生产过程的执行机构中。
第四章火灾自动报警系统
火灾自动报警系统主要由检测子系统、中央控制器、报警子系统和灭火子系统四部分组成。
为了提高系统的可靠性，减少误报和漏报，检测子系统采用感烟探测器和感温探测器，能同时根据情况发出火灾信号。
另外为长距离传输火灾信号，报警子系统采用了喇叭式方案，以便于人们的快速疏散和系统的自动控制。
4.1超市的建筑状况及防火分区的划分依据
超市集中着销售服装、家庭日用品、家用电器、玩具、家具以及医药用品等，所以消防工作一定要做好。
该超市一共七层，每层建筑面积为1500㎡，每层高4m，依据《高层民用建筑防火设计规范》，该超市防火等级为二级，依据表4-1得耐火等级为二级。
表4-1建筑物耐久年限与耐火等级
耐久年限
耐火等级
100以上
一级
50～100
二级
40～50
三级
15～40
四级
15年以下
五级
在确定防火分区时应按表4-2的规定，最大防火分区应小于等于下表规定，高层建筑内应采用防火墙等来划分防火分区。
表4-2每个防火分区允许的最大面积
建筑类别
每个防火分区建筑面积（㎡）
一类建筑
1000
二类建筑
1500
地下室
500
注：
（1）设有自动灭火设备的防火分区，其最大允许建筑面积可按本表增加一倍，局部设置时，增加面积可按局部的一倍计算。
（2）高层主体建筑与相连的附属建筑之间，如果设有防火墙等防火分隔设施，其附属建筑的防火分区面积可按本表增加一倍。
由于超市设有自动喷水灭火系统设备允许把建筑面积增加一倍，所以把每层划分为两个防火分区，共分为十四个防火分区，每个防火分区设置四个室内消火栓，这些消火栓可以独立工作，互不影响。
每层楼安装一个区域报警控制器，在控制室安装一个集中报警控制器。
4.2探测区域与报警区域的划分
为了便于早期的火灾探测、报警和方便维护，在安装火灾自动报警器中，人们一般都将保护空间划分为若干个报警区域，每个报警区域又划分了若干个探测区域。
这样可以迅速、准确地确定着火部位，方便人们快速灭火。
4.2.1探测区域的划分
该建筑为二类保护对象，并且每层都有自动灭火设备，由表4-2得，每层建筑面积在1500～3000㎡，结合《火灾自动报警系统设计规范》将超市的探测区域划分如下：
（1）每层划分为两个探测区域。
（2）把封闭的楼梯间每三层划分为一个独立的探测区域。
（3）防烟楼梯间前室、消防电梯前室、消防电梯与防烟楼梯间合用的前室划分为一个探测区域。
（4）把应急通道划分为一个探测区域。
（5）把电缆竖井每两层划分为一个探测区域。
4.2.2报警区域的划分
因为一个报警区域由一个防火分区或同楼层的相邻防火分区组成，另外为了能够迅速、准确的找到着火部位，所以把每个探测区域都作为一个报警区域，并且在每个区域安装手动报警按钮触发装置，防止因报警器问题而漏报火灾。
4.3火灾探测器的选择、计算
一火灾探测器的选择应按照下列要求：
（1）对火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，在很少或没有火焰辐射的场所，应选择感烟探测器。
（2）对火灾发展迅速，可产生大量热、烟和火焰辐射的场所，可选择感烟探测器、火焰探测器、图像型探测器或其组合。
（3）对火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量的烟、热的场所，应选择火焰探测器或图像型探测。
（4）对于需要早期发现火灾的特殊场所，应选择高灵敏度的感烟火灾探测器，且应将该探测器的灵敏度设置为高灵敏度状态；也可根据现场实际分析早期可探测的火灾参数而选择相应的探测器。
（5）对火灾形成特征不可预料的场所，可根据实际情况选择多种组合探测器。
（6）在不同高度安装探测器可根据表4-3来确定。
表4-3感烟、感温火灾探测器的实用高度
房间高度（m）
感烟探测器
感温探测器
一级
二级
三级
12不适合
不适合
不适合
不适合
8适合
不适合
不适合
不适合
6适合
适合
不适合
不适合
4适合
适合
适合
不适合
h≤4
适合
适合
适合
适合
二探测器个数的计算：
确定探测区域所需设置探测器数量的公式为：
N——探测器的数量（只），取整数;S——探测区域的面积（㎡）；A——探测器的保护面积（㎡）；K——修正系数，特级保护对象取0.7～0.8，一级保护对象取0.8～0.9，二级保护对象取0.9～1.0。
感温和感烟探测器均使用此公式。
每个探测器保护面积A由4-4确定：
表4-4感烟、感温探测器保护面积及半径
火灾探测器种类
地面面积S（㎡）
房间高度h（m）
一个探测器的保护面积A及保护半径R
屋顶坡脚
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