图书馆火灾自动报警系统设计及应用.docx
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图书馆火灾自动报警系统设计及应用
学校代码：
11517
学号：
************
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业设计
题目图书馆火灾自动报警系统设计及应用
学生姓名刘辉
专业班级安全工程1041班
学号************
院（部）安全工程学院
指导教师（职称）常绪华（讲师）
完成时间2014年5月26日
河南工程学院论文版权使用授权书
本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：
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作者签名：
年月日
河南工程学院毕业设计（论文）原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的设计，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
作者签名：
年月日
河南工程学院
毕业设计任务书
题目图书馆火灾自动报警系统设计及应用
专业安全工程学号201010614323姓名刘辉
一、主要内容
（1）论述本课题设计的必要性及意义。
（2）介绍火灾自动报警系统的组成以及施工过程中应该注意的问题。
（3）对图书馆这一特殊工程进行危险性分析，并按危险性大小对危险源进行危险性排序。
（4）为具体工程实例设计一套完整的、适应性良好的火灾自动报警系统。
二、基本要求
（1）查阅国内外相关文献不少于35篇（其中外文文献不少于5篇，列入设计参考文献中），根据查阅的文献资料情况，写出文献综述（不少于3000字）；翻译外文文献一篇（译文字数不少于3000字）。
文献综述与翻译单独装订成册。
（2）确定设计方案，以图书馆某一层为例绘制设计火灾自动报警系统安装图纸。
（3）按要求撰写毕业设计说明书。
三、主要参考文献
[1]熊丽．数字时代的图书馆管理[M]．北京：
北京图书馆出版社，2006．
[2]李东来．城市图书馆建设的实践与思考[M]．北京：
北京图书馆出版社，2007．
[3]刘秀娥．图书馆防灾与危机管理[M]．北京：
海洋出版社，2007．
[4]林柏泉，张景林．安全系统工程[M]．北京：
中国劳动出版社，2007．
[5]陈贵有．单片机应用技术[M]．北京：
机械工业出版社，2008．
[6]邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计[D]．北京：
北京航空航天大学，2010．
[7]尚峰．复合型智能火灾探测器的研究[D]．大连：
大连理工大学，2003．
[8]谭炳华．火灾自动报警系统及消防联动系统[D]．北京：
北京理工大学，2007．
[9]章梁斌．高校图书馆火灾自动报警系统与消防联动系统的设计[D]．广州：
华南理工大学，
2012．
完成期限：
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
图书馆火灾自动报警系统设计及应用
摘要
高层建筑火灾已成为全世界破坏力、影响力极强的灾害之一，火灾自动报警系统的出现，能够从实际上解决建筑防火问题，为图书馆设计一套火灾自动报警系统具有现实意义。
本设计在国家消防多个规范要求和图书馆实际需求的基础上，从图书馆火灾发生的本质入手，基于CAN总线对图书馆火灾自动报警系统进行了设计。
运用事故树分析法对图书馆火灾危险源进行定性、定量分析，得出了事故树的所有最小割集、最小径集并对危险源的重要程度进行了排序，从而对各个防火分区火灾发生的严重性进行了排序。
基于CAN总线，探头主动向控制中心发送采样信息而不是由控制中心向探头索取信息，从而CAN总线的应用有效缩短了采样信息在传输路途中消耗的时间。
CAN总线和图书馆火灾发生本质的结合使得发生火灾可能性大的区域能够得到优先处理，从而避免了更加需要灭火的区域没有得到及时的处理。
本设计提供了一套可以实际指导图书馆消防系统设计的具体方案，该设计可以用于现场施工，可以有效预防火灾的发生。
关键词高校；图书馆；危险性分析；火灾自动报警系统
DesignandApplicationofFireAutomaticAlarmSysteminLibrary
Abstract
High-risebuildingsfirehasbecomeoneoftheworlddestructionandverystronginfluenceofdisasters.Theemergenceoffireautomaticalarmsystemcanactuallysolvebuildingsfireproblem.Designingasetoffireautomaticalarmsystemforlibraryispracticalsignificance.Basedonthenationalfiremultiplespecificationsandtheactualneedsofthelibrary,fireautomaticalarmsystemforlibrarywasdesignedfromthehappennatureoflibraryfirebyusingCANbus.Qualitativeandquantitativeanalysisoffirehazardsinlibrarywereanalyzedbyusingfaulttreeanalysismethod.Alltheminimalcutsetandminimalradiussetoffaulttreewereobtainedandrankofhazardimportancedegreewasdone.Rankoffirehappenriskforeachfirezonewasdone.TimespendingintransmissionwaseffectivedecreasedbecauseoftheprobeinitiativesendingsamplinginformationtocontrolcenterbyusingCANbus.PossibilityareaoffirehappencouldbepriorityprocessingbycombiningCANbusandhappennatureoflibraryfire.Thismethodavoidedthefireareaofmoreneedsnottogettimelytreatment.Concreteschemeofguidinglibraryfirecontrolsystemwasgivenandthisdesigncanbeusedforsiteoperationandcaneffectivelypreventthehappeningoffire.
KeyWordsUniversities;Library;Riskanalysis;Fireautomaticalarmsystem
1前言
1.1课题对象
设计对象为作者本科所在学校河南工程学院最有标志性的建筑——西区图书馆。
本课题为对该图书馆高层建筑火灾自动报警系统的设计。
西区图书馆为全空调高层建筑，馆藏适用纸质图书150多万册，属于火灾一级防护对象。
1.2研究火灾自动报警系统的意义
1.2.1河南省火灾安全形势
分析河南省最近几年的火灾形势，不容乐观。
据统计我省2010年全省共发生火灾3124起，造成27人死亡，12人受伤，直接财产损失3056万元。
2011年3488起，死亡20人，受伤6人，直接财产损失3410万。
2012年3638起，其中16人死亡，14人受伤，直接财产损失3792万元。
2013年3723起，造成18人死亡，11人受伤，直接财产损失3982万元[1]。
为了更加清楚的了解分析数据，见图1-1是2010至2013年河南省火灾起数统计图。
图1-2是2010至2013年河南省火灾伤亡人数统计图。
图1-3是2010至2013年河南省火灾直接财产损失统计图。
图1-12010至2013年河南省火灾起数统计图
随着年份跟经济的增长，从上图1-1以及下图1-2和图1-3可以清晰的看出随着经济的增长火灾发生的次数跟经济损失也大致逐年增长，而伤亡人数随着医疗条件和火灾报警系统自动化程度的提高而有所降低。
由此可以看出完善的火灾自动报警系统可以有效的改善安全状况，减少火灾事故的发生。
图1-22010至2013年河南省火灾伤亡人数统计图
图1-32010至2013年河南省火灾直接财产损失统计图
1.2.2高校是火灾易发区域
最近几年，随着高校招生规模的不断扩大，校园面积的不断扩张，使得高校这个原本就处于火灾事故高发的区域变得更加需要消防安全的防护。
显然，高校易发生火灾有以下原因[2]：
消防安全的意识比较淡薄。
在学校，有的老师和学生认为只有酒吧、KTV、宾馆、饭店、商场等公众聚集的场所才可能发生火灾。
他们认为校园可燃物少，不易火灾的发生，从而从意识上认为火灾与他们无关。
然而，学生宿舍、图书馆、实验室的管理人员往往更加注重防盗问题而忽略了火灾安全，导致这些区域的安全通道会被经常性的堵塞，安全出口被锁上的问题司空见惯。
还有高校的学生、老师、以及职工和管理人员的消防安全意识比较淡薄，对防火措施以及火灾发生后的应急措施不甚了解。
（1）建筑内部消防设施缺失
许多高校都存在上个世纪80年代以前建造的建筑物，许多建筑物都采用了木材这一极易燃建筑材料，由于当时的各种因素造成建筑物内部的消防设施的严重缺失。
特别的原有建筑内部的火灾报警系统和消防设施没有随其使用功能的改变而改变。
这就给校园内部生成一个新的火灾高发点[3]。
（2）火灾危险源分布大而广：
伴随着高校的扩张、高等院校的合并，新校区的建设是一个必不可少的发展阶段，然而在新校区建设的过程中新建筑没有经过消防设计的审核擅自施工，没有经过消防验收的审核而违法使用的情况屡有发生。
在存在大量使用木材的老式建筑中安装空调，投影仪等电气设备，未经阻燃材料的阻隔直接将线路与木板接触，线路老化、短路等问题极易引发火灾。
另外，实验室存在一定量的易燃易爆危险品，做实验时的误操作有可能发生火灾爆炸危险，图书馆馆藏纸质图书是极为重要的火灾危险源之一[4]。
下面是几则令人心惊胆战的高校火灾事故：
2010年11月13日，正在修缮的清华大学标志性建筑——清华大学堂突然失火。
44部消防车、308名消防官兵历经两个多小时才将大火扑灭[5]。
2012年5月20日晚8点02分，东北石油大学厚的校区5号宿舍楼606房间发生火灾，整栋楼内布满浓烟，学生被紧急疏散[6]。
2013年9月16日凌晨1时，西安理工大学老校区一栋3层学生宿舍楼起火，学生们逃出宿舍后大火被消防人员及时扑灭。
发生火灾的宿舍始建于1956年，暑假刚换完家具，3楼刷了防火材料，首先起火的是位于男生宿舍一楼出口处的一间仓库[7]。
1.2.3图书馆是高校火灾防范的重中之重
高校图书馆作为高校储藏文献的中心，里面有大量的图书、文献、期刊。
火灾对图书馆的危害不同于虫蛀、霉变，火灾一旦发生对图书馆造成的危害是难以估量的。
据有关资料显示近年来仍有许多图书馆发生不同程度的火灾[8]。
如2012年8月14日上午十一点十分左右重庆市北培区图书馆红楼，突发大火，被烧的只剩下断壁残垣。
该馆藏有大量的民国抗战历史资料[9]。
2012年3月28日19时30分，河北经贸大学一图书馆内起火[10]。
这些令人心惊胆战的教训，令人引发深思的是，究竟是什么原因导致图书馆如此的易于火灾发生，并且造成如此巨大的损失。
对此张建明所著的《图书馆火灾防范及紧急应变策略》[11]指出：
“图书馆内存在着大量的可燃物质如各种各样的书籍、报刊、杂志等纸质资料，读者读书时所使用的桌椅板凳也有很多木质材质，都属于易燃物质，并且这些桌椅板凳、图书资料放置的非常集中，一旦遇到火源就极易引发火灾并且造成的损失难以估量。
现在智能化的图书馆中由于引进了大量的现代电器设备如打印机，计算机等，馆内的电源，电线铺设更为复杂，电气设备所要求的功率也越来越大，原有的老化电线难以支撑如此大功率的需求且线路的更换难以跟上电气设备更换的速度这就造成了许多老化电路仍然超负荷运行，这些电气设备、老化电路极易发生漏电、短路等可能产生明火的现象，有大量的火灾隐患存在。
综上所述，图书馆是高校火灾防范的重中之重。
1.2.4研究图书馆火灾自动报警系统的意义
火灾自动报警系统由探测器、控制中心、电源、备用电源、报警装置和火灾显示盘组成，控制中心是火灾自动报警系统的核心。
控制中心由控制芯片（单片机）控制，控制中心在一定时间间隔循环向探测器发送采样指令（一般时间间隔为10ms），探测器根据探测到的光、热、烟等参数通过一定的信号转换将模拟信号转换成易于传输的数字信号，通过传输线路把信号传输到控制中心，把采集到的数据与控制芯片中已经编写好数据阈值进行比较，当数据异常的情况下，控制中心向报警系统发送报警指令[12]。
通常情况下由普通交流电源供电，在交流电源停止供电的情况下，由备用电源供电，且不影响系统正常工作。
火灾显示盘用于显示火灾发生的具体位置。
随着科技的发展，图书馆作为信息、书籍、文献、期刊等的贮存空间，以及教职工办公、学生自习的重要场所，其所起到的作用越来越多样化，火灾的发生方式以及火灾隐患也越来越多样化。
自动报警系统具有安全可靠性好，报警精度高的特点，它的投入和使用能够使图书馆最大化的免受火灾的威胁，保障人们的生命财产安全[13]。
综上所述：
自动化、智能化的火灾报警系统必将是火灾防范系统的发展方向。
1.3主要任务和设计内容
1.3.1设计的目标
按照《图书馆建筑设计规范》JGJ38－99，《民用建筑电气设计规范》JGJ16－2008，《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95（2005版），《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-98等建筑防火、火灾自动报警国家规范，在已经设计好的河南工程学院图书馆的建筑图纸上，为该图书馆设计火灾自动报警系统[14-16]。
1.3.2本设计需要解决的问题
（1）本设计所应用的工程
本工程为全中央空调高层建筑，藏书为150多万册，是一级保护对象。
根据规范要求，本工程设置的火灾自动报警系统为集中报警系统。
本工程在消防系统的分级上，归属一级保护对象，所以在接下来的设计当中，系统中的各个子系统必须严格按照一级保护对象的规范进行设计[17]。
（2）火灾探测器选型
查阅《GB50116-2008火灾自动报警系统设计规范》[18]火灾探测器的选型如表1-1所示
表1-1对不同高度的房间火灾探测器的选择
房间高度h（m）
感烟探测器
感温探测器
A1
A2、B、C、D、E、F、G
12＜h≤20
不适合
不适合
不适合
8＜h≤12
适合
不适合
不适合
6＜h≤8
适合
适合
不适合
h≤6
适合
适合
适合
参考表1-1以及河南工程学院图书馆具体情况火灾探测器的选择如下所示：
火灾信号选用复合型探测器，其中探测部分分别由CO气体传感器和温度传感器构成，温度传感器采用DALLAS的DS18B20；气体传感器采用MQ-7半导体气体传感器[19]。
（3）图书馆危险源的危险性分析
利用FTA法对图书馆可能存在的危险源进行定量分析，其中各种危险源的确定与危险源的风险性根据相关资料查询。
计算各种危险源的结构重要度、概率重要度、临街重要度并按危险性大小排序。
（4）火灾自动报警系统在河南工程学院图书馆的应用
针对河南工程学院图书馆的具体情况，设计火灾自动报警系统并绘制图书馆部分区域平面图以及探头分布图。
1.4设计架构
本文对火灾自动报警系统的设计严格按照国家标准执行，对火灾自动报警系统进行深入研究，具体结合高校图书馆这个对火灾防范具有特殊性要求的建筑对火灾自动报警系统的使用需求，并在河南工程学院图书馆应用了该系统。
本设计共分五个章节详细介绍该系统设计过程的具体流程：
（1）详细分析了近几年河南省发生火灾以及火灾造成的损害的发展趋势，并提出高校这个特殊的区域具有更为严峻的形势，顺理成章的提出高校图书馆更是火灾防范的重中之重。
由此，得出了火灾自动报警系统在图书馆火灾防治中起重要作用。
最后，具体说明了设计任务以及本设计的具体框架。
（2）首先介绍了火灾自动报警系统的组成部分以及他们的结合方式，然后阐述了火灾自动报警系统的施工工艺，最后介绍了与火灾自动报警系统相关的国家规范要求。
（3）用FTA法对图书馆可能存在的危险源进行定性定量分析，并计算出危险源的结构重要度，概率重要度，临界重要度并对危险源按危险性大小排序。
综合分析危险源的危险性，对危险性大的区域进行标记，为本系统设计时提供设计依据。
（4）结合实际工程项目，在第二章火灾自动报警系统组成及施工工艺和第三章对危险源分析的基础上对河南工程学院图书馆进行火灾自动报警系统设计。
（5）对已经设计好的火灾自动报警系统进行总结，以及对火灾自动报警系统将来的发展空间进行展望。
2火灾自动报警系统组成及施工工艺
2.1火灾自动报警系统及其组成
火灾自动报警系统由探测装置、火灾显示盘、电源及中央控制室和有关线路组成。
在火灾发生初期，由探测装置检测探测器可探范围内火灾燃烧释放的物理量如烟气、温度和光辐射等物理量的值，并将其转换成电信号然后传输给中央控制室与控制芯片内部事先设定好的阈值（经多次试验和相关规范取得）进行比较来判断火灾是否发生，火灾发生则有控制芯片向火灾报警装置发送报警指令并由火灾显示盘显示火灾发生的位置发生的时间进行记录，使人们能够及早发现火灾，减少人民群众的生命财产损失。
2.1.1探测装置
探测装置由温度传感器、烟气传感器组成其中温度传感器选用DALLAS公司的DS18B20传感器[20]。
DS18B20是一种可组网数字式温度传感器，根据单总线独特的特点，它可以使用户轻松的组建计算机网络，并可使多点温度测量电路变的简单可靠。
DS18B20传感器的外观如图2-1所示：
图2-1DS18B20外观
DS18B20的特点：
（1）采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）。
（2）测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃。
（3）内含64位经过激光修正的只读存储器ROM。
（4）适配各种单片机或系统机。
（5）用户可分别设定各路温度的上、下限。
（6）内含寄生电源。
其中烟气传感器采用MQ-7半导体气体传感器[21]。
MQ-7半导体气体传感器所用的气体敏感材料是在正常空气中导电率较低的二氧化锡（SnO2）.采用高低温循环检测方式低温（1.5V加热）检测CO，传感器的电导率随着空气中一氧化碳浓度的增加而变大，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。
使用简单的电路即可将电导率的变化，转换成与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-7半导体气体传感器的外观图如图2-2所示：
图2-2MQ-7半导体气体传感器的外观图
MQ-7半导体气体传感器简介：
尺寸：
32mm×32mm×27mm长×宽×高
主要芯片：
LM393、MQ-7气体传感器
工作电压直流5V
特点：
（1）具有信号输出指示
（2）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）
（3）模拟量输出电压0-5V浓度越高电压越高
（4）对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性
（5）具有长期的使用寿命和稳定性
MQ-7半导体气体传感器内置芯片如图2-3所示：
图2-3MQ-7半导体气体传感器内置芯片
2.1.2火灾显示盘
火灾显示盘采用海湾公司的ZF-500火灾显示盘，ZF-500是基于单片机开发的火灾显示盘，当火灾发生时它可以清楚明确的用汉字显示火灾探测器的编号、位置同时发出声音报警跟发光报警[22]。
它通过线路与AT-89C51单片机相连，对中央控制器发送的信息进行显示并执行相应的动作。
2.1.3中央控制室
中央控制室的核心是AT-89C51单片机，单片机接受经转换器装换后的烟雾、温度信号，通过与事先输入的程序进行比较做出判断，并发出相应的报警及消防联动信号[23]。
另外，此单片机还可以手动控制，而且手动控制不影响自动控制功能的实现。
2.2火灾自动报警系统的施工
火灾自动报警系统在安装的过程中可能会存在很多的问题，这些问题如果不能得到妥善处置将会影响自动报警系统的运行，出现这些问题的原因大致是施工人员的技术水平低、对待工作的态度不严谨和并未严格按照国家颁布的相关标准执行等。
就此，本节对火灾自动报警系统在施工的过程中可能出现的问题进行了研究并提出相关解决办法。
2.2.1探测器安装的过程中应该注意的问题
烟感、温感、光电感应探测器的安装应符合有关标准、规程、规范和规定，施工时不要一成不变的按照图纸进行操作，应该根据具体情况因地制宜的对探测器的安装进行实施，使其能够在自己应有的范围内发挥应有的功能。
探测器的安装具体见图2-5、图2-6。
具体要求如下[24]：
（1）探测器到梁跟墙体的距离不能太近，必须大于0.5m且探测器与墙体的最远距离不应超过两个探测器距离的一半。
在探测器四周0.5m内不应该有其他能够遮挡光线、烟雾等的障碍物。
探测器与空调进风口的最近距离应该大于1.5m。
（2）如果在较窄的走廊内安装探测器，探测器的位置应该安放在中间。
（3）两个温感探测器的最远距离不能超过10m。
图2-5探测器安装位置图
图2-6探测器在有空调的室内安装位置图
（4）烟感、温感探测器的作用面积跟作用半径[25]见图表-1
表1感烟、感温探测器的探测面积与探测半径
火灾探测器的种类
地面积S（m2）
房间高度h（m）
探测器的保护面积A和保护半径R
屋顶坡度θ
Θ≤15°
15°＜θ≤30°
30°＜θ
A（m2）
R（m）
A（m2）
R（m）
A（m2）
R（m）
感烟探测器
S≤80
h≤12
80
6.7
80
7.2
80
8.0
S＞80
6＜h≤12
80
6.7
100
8.0
120
9.9
h≤6
60
5.8
80
7.2
100
9.0
感温探测器
S≤30
h≤8
30
4.4
30
4.9
30
5.5
S＞30
h≤8
20
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