基于PLC火灾自动报警系统设计.doc

摘 要
在仓库设置火灾自动报警及灭火系统，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，系统的构成等方面做了介绍，根据控制要求，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　自动报警灭火系统
Abstract
In the warehouse set up automatic fire alarm and fire extinguishing system, which can receive the alarm signals and can take measures in the initial stage of a fire,in order to prevent the spread of fire the fire damage to minimun. This paper focuses on the design of fire automatic alarm control system,system structure are introduced,according to the control requirements,debugging and analysis of control systems to I/O list,control of ladder diagram and the program,and presents the debug method of logic control part of the process and control system.

KEY WORD: The fire PLC Automatic fire alarm and fire fighting system
目录
第一章 引言 ….1
第一节 主要研究内容 1
第二章 火灾自动报警系统简介 3
第一节 火灾自动报警系统概述 3
第二节 火灾自动报警系统设计要求 3
第三节 火灾自动报警系统的基本组成 4
第四节 火灾探测器 4
第五节 火灾探测器的分类 4
第六节 本章小结 5
第三章 系统的设置 6
第一节 区域报警控制系统 6
第二节 集中报警控制系统 6
第三节 控制中心报警系统 7
第四节 本章小结 7
第四章 火灾自动报警系统设计 8
第一节 建筑状况 8
第二节 防火分区的划分 8
第三节 探测区域和报警区域的划分 9
第四节 PLC的选用 10
第五节 楼宇消防PLC控制系统的设计 10
第六节 消防联动的设计 13
第七节 本章小结 18
第五章 结论 19
致谢 20
参考文献 21

第一章 引言
随着信息社会的发展，建筑越来越成为人类环境中的一个组成，从工业社会到现代化建筑的概念转向面对信息社会的需求，智能建筑正在世界范围内蓬勃发展，并在大量的建筑实践中取得了显著地成效。
实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。由此,火灾报警器在消防工作就的作用也尤为突出了。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。但目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。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。
火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温格火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制自动灭火系统。集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警时间性，利用本机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。

第一节 主要研究内容
本文对探测器、可编程控制分别加以研究讨论，最后介绍了软件设计思路及软件程序。
主要内容如下:
(1)探测器原理及结构;
(2) 楼宇消防PLC控制系统的设计
(3) 楼宇消防控制程序的设计及实现。

第二章 火灾自动报警系统简介
第一节 火灾自动报警系统概述
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三个阶段：
1 多线制开关量式火灾探测报警系统。这是第一代产品，目前国内极少数厂家生产外，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。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。
第二节 火灾自动报警系统设计要求
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，当检测场所对象发生火灾时，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，告诫现场人员投入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，防止蔓延、控制火势和求助消防部门支援；启动消火栓、水喷淋、水幕及气体灭火系统及装置，及时扑灭火灾，减少火灾损失。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—所以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2.1。

第三节 火灾自动报警系统的基本组成
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，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。
第四节 火灾探测器
火灾探测器是火灾自动报警系统的传感部分，是组成各种火灾自动报警系统的重要组件，是火灾自动报警系统的“感觉器官”。它能对火灾参数(如烟、温度、火焰辐射、气体浓度等)响应，并自动产生火灾报警信号，或向控制和指示设备发出现场火灾状态信号的装置。火灾探测器是系统中的关键元件，他的稳定性、可靠性和灵敏度等技术指标会受到诸多因素的影响，因此火灾探测器的选择和布置应该严格按照规范进行。
第五节 火灾探测器的分类
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和多信号输出式火灾探测器（如图2.2多信号输出时火灾探测器）。感烟火灾探测器是利用一个小型烟雾传感器响应悬浮在其周围附近大气中的燃烧和热解产生的烟雾气胶的一种火灾探测器，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，减光式感烟火灾探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。感温式火灾探测器是利用一点型或线缆型火灾参数传感器来响应其周围附近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。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。

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探测原理。

图2.2 多信号输出式火灾探测
第六节 本章小结
本章节主要讲述了火灾自动报警的组成形式以及发展的三个阶段，其火灾自动
报警的在现场的设计要求，以及火灾探测器的分类。

第三章 系统的设置
随着新产品的不断出现，火灾自动报警系统也由传统型向现代火灾自动报警发展。在诸多的产品中以区域报警和集中报警控制器的应用最为广泛，以下介绍两者的设置。

第一节 区域报警控制系统
区域报警控制系统是火灾自动报警系统组成的一种形式，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。区域报警控制器的设置应该符合以下的规定：
（1）一个报警区域应设置一台区域报警控制器，系统中区域报警控制器不应该超过3台。
（2）当用一台区域报警控制器警戒数个楼层时，应在每层各楼梯口明显部位装设识别楼层的灯光显示区域。
（3）区域报警控制器安装在墙上时，其底边距地的高度不应小于1.5m。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。
（4）区域报警控制系统宜设在有人值班的房间或宾馆每层服务台。

第二节 集中报警控制系统
集中报警控制系统是有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。集中报警控制器的设置应该满足以下规定：
(1) 系统中应设有一台集中报警控制器和两台以上区域报警控制器。
(2) 集中报警控制器的容量不宜小于保护范围内探测区域总数。
(3) 集中报警控制器距墙不应小于1m，正面的操作距离不应小于2m。
(4) 区域报警控制器的设置应符合上述区域报警控制系统的有关要求。

第三节 控制中心报警系统
由消防控制室的消防控制设备、集中火灾报警控制器、区域火灾报警控制器和火灾自动报警探测器等组成，或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。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。
(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控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。

第四节 本章小结
本章主要讲了区域报警控制系统的设置以及符合规定，集中报警控制系统的功能和设置，以及控制中心系统的组成和要求。

第四章 火灾自动报警系统设计
本系统主要由检测系统子系统、中央控制器、报警子系统系统和灭火子系统系统四个部分组成，检测子系统主要传感器组成。为了提高系统可靠性，减少误报和漏报，本系统采用了感烟和感温两种传感器，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，本系统采用喇叭报警，便于长距离的火灾信号传递，以便于人们的疏散和系统自动的控制。

第一节 建筑状况
教学楼是学院学生集中上课的场所，教学楼内来往学生教师较多，在其内部还有各种贵重设备、资料、文献等，所以一定要做好防火等工作。该楼共八层，三到八层为通用层，一层高5m，标准层为4m，总共33m。每层建筑面积为1084.43m2。依据 层民用建筑防火设计规范》，该建筑为二类建筑耐火等级为二级。
第二节 防火分区的划分
教学楼共八层，其中三到八层为通用层，一二层高5m，标准层为4m，总共34m。每层建筑面积为1084.43m
2。依据《火灾自动报警系统设计规范》将其界定为二级保护对象。依据《高层民用建筑防火设计规范》，该建筑为二类建筑，耐火等级为二级。在划分防火分区时应该满足表5.1的规定。高层建筑内应采用防火墙等划分防火分区，每个防火分区允许最大建筑面积，不应超过下表的规定。

第三节 探测区域和报警区域的划分
火灾自动报警系统的保护对象形式多样，功能各异，规模不等。为了便于早期探测、早期报警，方便日常的维护管理，在安装的火灾自动报警系统中，人们一般都将其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。这样这可以在火灾时，能够迅速、准确地确定着火部位，便于有关人员采取有效措施。
因此，所谓报警区域就是人们在设计中将火灾自动报警系统的警戒范围按防火分区或楼层划分的部分空间，是设置区域火灾报警控制器的基本单元。一个报警区域可以由一个防火分区或同楼层相邻几个防火分区组成，但同一个防火分区不能在两个不同的报警区域内；同一报警区域也不能保护不同楼层的几个不同的防火分区。
一、报警区域的划分
根据《火灾自动报警系统设计规范》的规定，报警区域宜由一个防火分区或同楼层的几个相邻的几个组成，所以把每层分别单独作为一个报警区域，满足火灾自动报警系统设计规范的规定。
二、探测区域的划分
由于该建筑为二级保护对象，规范规定：探测区域应按独立房(套)间划分。一个探测区域的面积不宜超过500m2；从主要人口能看清其内部，并且面积不超过1000m2的房间，也可划为一个探测区域。根据以上的规定我把教学楼的探测区域划分如下：
(1)教学楼每层的房间都是小空间，所以把每层的每个房间单独划分为一个探测区域。
(2)把敞楼梯间单独划分为一个探测区域，每隔2～3层划分为一个探测区域并且设置一个火灾探测器。
(3)把前室（包括防烟楼梯间前室、消防电梯前室、消防电梯与防烟楼梯间合用的前室）和走道分别单独划分探测区域。特别是前室与电梯竖井、疏散楼梯间及走道相通，在发生火灾时烟气更容易聚集或流过，是人员疏散和消防扑救的必经之地，故应装设火灾探测器。对于一般电梯前室虽然不是人员疏散必经之地，但该前室与电梯竖井相通，也是在发生火灾时烟气容易聚集或流过，也单独划分探测区域及装设火灾探测器。
(4)把电缆竖井单独划分探测区域并装设火灾探测器。一则是恐怕竖井形成拔烟火的通道；二则是恐怕发生火灾时火势沿电缆延燃。对电缆竖井装设火灾探测器是十分必要，并配合竖井的防火分隔要求，每隔2～3层或每层安装一个。
第四节 PLC的选用
用西门子公司的SIEMENS s7—200的PLC，此系列的PLC具有结构紧凑、模块化、可扩展性强、指令集丰富等特点。所选用的CPU型号为CPU 224可扩展7个模块，最大达94DI/74DO,16AI/16AO（模拟量输入/模拟量输入）并且提供14个数字量输入和10个数字量输出。输入/输出接口电路均采用了光耦合电路，对外界接口具有很强的适应性。由于使用了电动调节阀，所以还扩展了一个EM 232模拟量输入模块。该模块具有2路模拟量输出，电流出量程为，电流全量程分辨率为11位，25℃时的精度±0.25%，稳定时间为2ms。可满足比较复杂的控制系统的要求。
第五节 楼宇消防PLC控制系统的设计
探测器及喷淋泵系统的硬件构成及控制要求
(1)探测器及喷淋泵系统的硬件构成
探测器及喷淋泵系统的结构图如图5.2.

主要组成部件有：
1上水箱、2下水箱、3上水箱水位传感器、4下水箱水位传感器、5上水箱供水泵A、6上水箱供水泵B、7下水箱供水阀、8声光报警器、9排烟风机、10烟感和温感传感器、11喷淋泵、12喷淋头。
(2) 探测器及喷淋泵系统的有效运行有以下主要控制要求：

图5-3探测器及喷淋泵系统的SFC图

当系统上电后，烟感报警器或者温感报警器发出信号后，系统进入运行状态。
①PLC控制打开喷淋泵，并计时10s。如果10s计时结束后，喷淋管道内没有水流产生（水流传感器的水流信号）。
关闭喷淋泵，并打开喷淋泵的工作故障灯，等待工作人员检修。
②PLC控制打开排烟风机，当高温传感器发出高温信号时，说明此时火灾建筑物内不可能存在人员幸存，如果保持排风机开启只能增加火力，因此需要关闭排烟风机。
③当上水箱处于低水位时说明需要进行补水，因此开启喷淋泵。喷淋泵的开启规则为：A，泵交替开启。当上水箱达到高水位时关闭喷淋泵。其间打开A，B任何泵时都进行10s的计时，如果计时时间到，补水管仍没有水流产生（水流传感器的水流信号）时，说明水泵故障，此时打开A泵（或B泵）故障指示灯，并切换到B泵（A泵），同时进行计时，如果10s后无水流感应，再次打开本水泵故障指示灯，切换到另外一个水泵，如此循环。
④当下水箱水位为低时开启下水箱补水阀，同时计时10s。如果计时时间到，且下水箱补水水流指示无信号时开启下水箱补水阀故障指示。当下水箱水位为高时停止补水。
第六节 消防联动的设计
消防联动包括监视和控制两部分。教学楼楼需要监视的设备有水流指示器、信号阀、报警阀；需要控制的设备有消防泵、防排烟系统、火灾事故广播等。消防联动在整个系统中占有重要的地位，当探测器探测到火灾信号发送至报警控制中心，经主机分析确认后，向需要联动设备发出信号，启动灭火设备扑救火灾，同时启动灭火和防排烟设备，阻止火灾蔓延。
一、消防联动控制设备的组成
(1)火灾报警控制器
(2)室内消火栓系统
(3)防排烟系统
(4)火灾事故广播

二、消防联动控制系统设计
(1) 室内消火栓系统的联动设计
室内消火栓系统中的每一个消火栓都配有一个消火栓启动按钮，本设计采用编码消火栓按钮，直接接入火灾报警控制器，当发生火灾的时候可以直接启动消防泵，启泵的同时向消防控制中心发出反馈信号。在消火栓按钮处设有启泵指示灯，用来指示消防泵的运行状态，同时消防控制室可控制消防泵的启、停；显示消火栓水泵的工作、故障状态；显示消火栓启泵按钮的位置。

图5-8消火栓控制原理图
当某一层出现火灾事故时候，其那一层的开关AN断开，所以线圈1ZJ失电，因为1SJ得电，所以2ZJ开关闭合，所以GD工作。开关1Q闭合，哪一次
出现事故哪一层就会发出反馈信号。

(2) 防排烟系统的联动设计

每层任一感烟探测器、火灾手动报警按钮动作后，向报警控制中心发出警报，同时启动相邻层排烟阀，并启动消防排烟风机。当楼梯间内烟感报警，正压送风阀开启并启动正压送风机。当温度超过70℃时，70℃防火阀自熔关闭；当温度超过280℃时，280℃排烟防火阀自熔关闭并关闭排烟风机。

(3)火灾事故广播系统设计
火灾事故广播系统由广播功放盘、广播录放盘、传输线路、电源、扬声器及广播控制模块等组成。教学楼的火灾广播系统设计为专用的广播系统，在火灾发生后，保证及时向着火区发出警报，按照疏散的顺序接通火灾事故广播系统。本次设计中每层设SD8012扬声器一层12个，二层10个，其他各层为10，每只音箱的功率为3W。采用SD8100系列总线式火灾事故广播系统：由SD8000广播录放盘、SD8010消防广播功放盘、SD8120
消防广播分配盘、SD8130广播控制模块及SD8012扬声器组成。SD8100系列总
线式火灾事故广播系统是通过专用的广播控制总线及总线上的广播控制模块来启动各个广播回路。当火警发生的时候，由设置在消防控制中心的火灾事故广播系统对火灾现场及相关场所实施紧急广播。通过SD8011广播分配盘可实现手动启动某一路或多路消防广播。系统的构成如图5-15所示

在布置扬声器的过程中根据规范的要求在每层的走廊、楼梯间、电梯前室及活动大厅等出设置。保证从一个防火分区的任何部位到最近一个扬声器的距离不大于25m。走道内最后一个扬声器至走道末端的距离不应大12.5m，满足规范的要求。

第七节 本章小结
本章节只要是对火灾自动报警系统的设计，首先对研究的建筑状况进行分析，然后对其它的防火分区划分，
选择其火灾探测器以及布置和计算分布数量，硬件上选用PLC进行控制，研究了探测器及喷淋泵的硬件构成和控制，对防排
烟以及广播系统进行研究，组成联动控制。
第五章 结论
在做这个设计中，我学会了很多以前没学过的知识，也巩固了很多以前没学好的知识，使我的专业理论知识更加扎实，软件操作更加熟练了。本次控制系统只控制两个区域的自动报警与灭火，控制区域太少，还需改进和扩展；同时本次控制系统的设计只实现了自动报警系统的自动启动，还没有实现自动报警灭火系统在对火灾情况进行综合的分析判断后的自动关闭，还需往这方面研究和发展。这次设计不仅使我学会了调查研究的方法，提高了我运用工具书的能力；还培养了我查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力，使我初步掌握了科学研究的基本方法和思路。本文的特点在于将PLC应用到了楼宇消防的控制系统中。本系统在实际应用中，取得了良好的实际效果，且安全性良好。实践证明，以PLC为核心构造的楼宇消防系统，是一种简单有效、成本低廉的解决方案，具有较高的可靠性、灵活性和经济适用性。
致谢
本文是在张建平老师的悉心指导下完成的。张老师为我们创造了宽松自由而不失严谨的学习环境。她严谨求学的治学态度，诲人不倦的敬业精神，正直坦荡的为人风范使学生受益匪浅。在课题选题和研究过程中，得到了我寝室全体同学的热情指导和帮助，他们的鞭策和鼓励是我完成本论文的强大精神动力。他们在学习上和生活上也给我提供了许多帮助和支持，他们的深厚情谊我也将铭记在心。感谢我的家人对我的支持和鼓励，在我的漫漫求学生涯中，他们始终如一在默默的支持着我。为了把我培养成社会有用之人，使我有个美好的将来，他们给我提供了强大的精神力量和物质后盾，这份情意我将终生铭记，毕生回报。
参考文献
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[5]谭沽强．PLC程序设计教程．北京：清华大学出版社．
[6]袁任光．可编程序控制器(PLC)应用技术与实例．广州：华南理工大学出版社．
[7]高钦和．可编程控制器应用技术与实例．广州：华南理工大学出版社．

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