基于PLC可编程逻辑控制器的智能建筑火灾报警与联动控制系统的设计.docx
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基于PLC可编程逻辑控制器的智能建筑火灾报警与联动控制系统的设计
基于PLC的智能建筑火灾报警与联动控制系统的设计
摘要
随着我国智能建筑（IB）业的发展，高层建筑及建筑群体越来越多，促使了消防系统以迅猛的速度向前迈进。
在智能建筑的建筑物自动化系统（BAS）中火灾报警消防系统是非常重要的一个子系统,担负着保障人员及财产安全的重任。
本课题针对某厂房仓库设计了一个火灾报警与灭火联动控制系统。
该设计采用报警延时启动灭火系统的控制模式来减少因早期报警系统的误报给用户带来的损失，同时利用烟雾传感器之间的互锁控制模式，避免了因烟雾在仓库中的扩散而引起其它区域的误报，减少系统的误报率。
关键词：
PLC火灾报警 消防联动
TheDesignBasedOnThePLCIntelligentBuildingFireAlarmAndLinkageControlSystem
ABSTRACT
Withthedevelopmentofourcountry'sintelligentbuilding（IB）industry,therearemoreandmorehighbuildingandconstructiongroup,whichmakethefirecontrolsystemimprovewitharapidspeed.Inthebuildingautomationsystem（BAS）ofintelligentbuildings,firealarmcontrolsystemisaveryimportantsub-system,bearingtheresponsibilityofkeepingpeopleandtheirpropertysafe.Myissueistodesignafirealarmandfirelinkagecontrolsystemforonewarehouse.Ittakestheprinciplethatwhenthealarmtimedelaythenitstartsthefireextinguishingsystems'controlmodelsoastodecreasepeople'slossbecauseofthealarmsystemmistakesduringtheearlystage,anditalsousestheinterlockcontrolmodelbetweenthesmokesensorsinordertoavoidthesmogdiffusionwhichwouldcauseotherregionalmistakesinthewarehouse,thenreducethesystem'smisinformationrates.
KEYWORDS：
PLCFirealarmFirecontrollinkage
1绪论
1.1课题背景
火灾是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和自然环境。
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的理论积累越来越多。
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，并促使了防火、灭火技术的进步。
各种厂房仓库，智能仓库的出现，使现代仓库以多功能且安全性高而著称。
特别的是安装自动灭火消防系统是一种重要的灭火、报警措施。
随着经济的发展建筑物各处装有大量有机材料或可燃易燃物质的仓库越来越多，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制灭火率很高，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。
1.2课题发展现状与前景
从第一个感温探测器面世，至今已有一百多年了。
其低灵敏性和不兼容性，早就难以满足时下客户的要求。
第二次世界大战后，光电和离子感烟探测器进入市场。
这些新型灵敏度高的探测器在发展初期，已能够探测早期火警，难怪它们能以革命性姿态进军世界消防保安行业。
众所周知，火警时任何事都是分秒必争的。
为此，生产商，甚至一些顾客，擅自调高探测器灵敏度，大大减低自动火灾报警系统可靠性，以至这些系统的“主要产品”被加上“误报”帽子，引起了很多连带问题。
对现代消防技术的发展来说，这绝对是急需改善的。
长期以来，大幅度地改善火灾探测器的可靠性，是客户的迫切要求和迅速扑来火警所不可或缺的，也是世界各国科学家努力研究的方向。
随着科技的不断发展，更新的传感器、微型电子装置、数据处理及通讯设备等都正积极地寻找在火灾探测方面的新的突破。
随着各种火灾探测技术的更新换代，整个火灾报警与联动控制系统也得到不断地发展。
火灾自动报警系统的组成形式变得多种多样，它的发展目前可分为三个阶段。
一，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。
二，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，尤其式二总线制开关量式探测报警系统目前正被大量使用。
三，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。
目前火灾自动报警系统有智能型、全总线型以及综合型等，这些系统不分区域报警系统或集中报警系统，可达到对整个火灾自动报警系统进行监视。
但是在目前的实际工程当中传统型的区域报警系统、集中报警系统和控制中心报警系统仍得到较为广泛的应用。
安装在保护区的探测器不断的向所监视的现场发出巡检信号，监视现场的烟雾浓度、温度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。
当发生火灾时候，发出声光报警，显示火灾区域或楼层房号的地址编码，并打印报警时间、地址等。
同时向火灾现场发出警铃报警，在火灾发生楼层的上下相邻层或火灾区域的相邻区域也同时发出报警信号，以显示火灾区域。
火灾报警与联动控制系统的发展是要探测技术与报警控制技术带领起来的，灭火联动控制系统的发展方向是由前两种技术来指引。
以后火灾探测技术会朝着超高灵敏度探测器如激光散射迷宫，吸气式探测器，超大空间及户外火灾探测如图像式（视频分析）技术的改进来发展。
报警控制技术朝着报警形式多样化，文字、图形、声响、语音形式多样；火灾报警系统通讯采用更加稳定、可靠的数字化总线；报警信息共享，信息标准化，支持多种标准接口联网方式；具备远程管理维护功能，便于重点防火单位的网络化管理，实现城市远程监控管理网络系统；通讯接口开放性，控制器间、与其他系统间易构成网络等方向发展。
1.3本文主要研究内容
本课题主要的内容与要求就是针对一般智能建筑火灾报警与灭火联动装置的问题展开设计，使其达到除了完成火灾报警功能以外，还应具有多种功能。
如水喷淋灭火，防火门启动，排风通风机工作等。
主要设计内容是：
（1）系统组成、元器件选择。
（2）系统的软硬件设计。
研究方法、步骤和措施：
（1）首先查资料和调研，了解现在国内外研究状况；
（2）充分利用网络和计算机的功能，熟悉相关资料和设计要求；
（3）根据要求确定设计的总体方案，设计硬件系统；
（4）用PLC编程完成软件部份的设计，并利用学校实验室，完成对程序的
调试。
2火灾自动报警与联动控制系统总体方案的设计
2.1火灾自动报警系统概述
目前在工程应用中火灾自动报警系统主要有控制中心报警系统、区域报警系统和集中报警系统三种基本形式。
（1）控制中心报警
它是由火灾探测器手动火灾报警按钮、区域火灾报警控制器、集中火灾报警控制器以及消防控制设备等组成。
一般情况下，在控制中心报警系统中，集中火灾报警控制器是设在消防控制设备内，组成消防控制装置
（2）区域报警系统
它是由火灾探测器或手动火灾报警按钮以及区域火灾报警控制器组成，适用于较小范围的保护。
（3）集中报警系统
它是由火灾探测器或手动火灾报警按钮以及区域火灾报警控制器和集中火灾报警控制器等组成。
它适用于较大范围内多个区域的保护。
该系统的容量越大，所要求输出的控制程序越复杂，消防设施控制功能越全。
消防控制中心系统在具体工程中采用何种报警系统，可根据工程建设规模、保护工程的性质、火灾报警区域的划分和消防管理机构的组织形式等因素综合考虑后确定.
2.2火灾自动报警系统的组成
火灾自动报警系统是由触发器件、火灾警报装置以及具有其它辅助功能的装置组成的。
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。
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。
2.2.1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。
火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类：
（1）感烟探测器。
一种是离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。
在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。
一旦有烟雾窜逃外电离室。
千扰了带电粒子的正常运动，使电流，电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，
于是就发出了信号。
还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。
还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，它的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。
近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。
这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。
（2）感温探测器。
一种是运用金属热胀冷缩的特性。
正常的情况下，探测器的电路断开；当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。
一种是利用某些金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（70~90℃）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。
这二种探测器都属定温型。
即当外界温度超过某一限值时就报警;还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。
如将两者结合起来，便成为差定温组合式。
（3）光辐射探测器。
一种是红外光辐射探测器。
物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。
另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警。
本课题采用感烟探测器中的气敏传感器（如图2-1）图为是系统中烟雾浓度检测部分，当气敏传感器检测烟雾浓度时，一氧化碳浓度达0.8ml/L时给报警电路输送信号，进行报警以及其他联动装置工作。
图2-1
火灾探测器选用的一般要求：
（1）根据火灾的特征选择火灾探测器时，应符合下列原则：
1）火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射，应选用感烟探测器。
火灾发展迅速，产生大量热、烟和火焰辐射，可选
用感温探测器、感烟探测器、火焰探测器或其组合。
2）火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量的烟、热，应选用火焰探测器。
3）在通风条件较好的车库内可采用感烟探测器，一般的车库内可采用感温
探测器。
4）火灾形成特征不可预料，可进行模拟试验，根据试验结果选择探测器。
（2）对无遮挡大空间保护区域宜选用线型火灾探测器
（3）使用或产生可燃气体或可燃液体蒸汽的场所应选用可燃气体探测器。
2.2.2火灾报警控制器分类
火灾报警控制器种类繁多，根据不同的方法可分成不同的类别。
（1）按控制范围可分为:
1）区域火灾报警控制器:
直接连接火灾探测器，处理各种报警信息。
2）集中火灾报警控制器:
它一般不与火灾探测器相连，而与区域火灾报警控制器相连，处理区域级火灾报警控制器送来的报警信号，常使用在较大型系统中。
3）控制中心火灾报警控制器:
它兼有区域，集中两级或火灾报警控制器的特点，既可以作区域级使用，连接控制器；又可以作集中级使用，连接区域火灾报警控制器。
由于条件有限本课题采用了区域报警控制器（如图2-2），此报警控制能很快的处理报警信息，具有较高的灵敏度。
图2-2
（2）按结构型式可分为:
1）壁挂式火灾报警控制器:
连接的探测器回路相应少些，控制功能简单，区域报警控制器多才用这种型式。
2）台式火灾报警控制器:
连接探测器回路数较多，联动控制较复杂，集中式报警器常采用这种方式。
3）框式火灾报警控制器:
可实现多回路连接，具有复杂的联动控制。
（3）按系统布线方式分为:
1）多线制火灾报警控制器:
探测器与控制器的连接采用一一对应方式。
2）总线制火灾报警控制器:
控制器与探测器采用总线方式连接，探测器并联或串联在总线上。
（4）按内部电路设计分为:
1）普通型火灾报警控制器:
其内部电路设计采用逻辑组合形式，具有成本低廉、使用简单等特点，可采用以标准单元的插板组合方式进行功能扩展，其功能较简单。
2）微机型火灾报警控制器:
内部电路设计采用微机结构对软件及；硬件程序均有相应要求，具有功能扩展方便、技术要求复杂、硬件可靠性高等特点，是火灾报警控制器的首选型式。
（5）按信号处理方式分为：
1）有阈值开关量火灾报警控制器:
其连接使用有阈值开关量火灾报警控制器，处理的探测信号为阶跃式开关量信号，火灾报警取决于火灾探测器。
2）无阈值模拟量火灾报警控制器:
其连接使用有阈值开关量火灾报警控制器，处理的探测信号为连续的模拟量信号，对火灾的判断和发送由控制器决定，具有一定的智能判断能力。
3）具有分布智能的高级火灾报警控制器:
其所连续的探测器内置CPU芯片，可以完成一系列的智能算法，并把经过处理后的信号发送给报警控制器。
（6）按其防爆性能分为:
1）防爆型火灾报警器控制器:
有防爆性能，常用于有防爆要求的场所，其性能指标应同时满足《火灾报警控制器通用技术条件》及《防爆产品技术性能要求》两个国家标准要求。
2）普通型火灾报警器控制器:
无防爆性能，民用建筑中使用的绝大多数控制器为普通型。
（7）按其容量分为:
1）单路火灾报警器控制器:
仅处理一个回路的探测器火灾信号，一般仅用在某些特殊的联动控制系统。
2）多回路火灾报警器控制器:
能同时处理多个回路的探测器火灾信号，并显示具体的着火部位。
（8）按其使用环境分为:
1）陆用型火灾报警器控制器:
建筑物内或其附近安装的，系统中通过的火灾报警控制器。
2）船用型火灾报警器控制器:
用于船舶、海上作业。
其技术性能指标相应提高，如工作环境温度、湿度、耐腐蚀、抗颠簸等要求高于陆用火灾报警控制器。
2.2.3火灾报警控制器的功能
（1）火灾报警：
当收到探测器、手动报警开关、消火栓开关及输入模块所配接的设备所发来的火警信号时，均可在报警器中报警。
（2）故障报警：
系统运行时控制器分时巡检，若有异常（设备故障发出声、光报警信号，并显示故障类型及编码等。
（3）火警优先：
在故障报警或已处理火警时，若发生火警则报火警，而当火警清除后又自动报原有的故障。
（4）时钟与火灾发生时间的记忆：
系统中的时钟走时通过软件编程实现，具有相应的存储单元，记忆事故发生时间。
（5）自检功能：
为了提高报警系统的可靠性，控制器设置了检查功能，可定期或不定期的进行模拟火警检查。
2.3火灾灭火联动系统的组成
在火灾自动报警系统中，当接收到来自触发器件的火灾报警信号后，能自动或手动启动相关消防设备并显示其状态的设备，称为消防灭火联动控制设备。
主要包括火灾报警控制器，自动灭火系统的控制装置，室内消火栓系统的控制装置，防烟排烟系统及空调通风系统的控制装置，常开防火门、防火卷帘的控制装置，电梯回降控制装置，以及火灾应急广播、火灾警报装置、消防通信设备、火灾应急照明与疏散指示标志的控制装置等十类控制装置中的部分或全部。
消防控制设备一般设置在消防控制中心，以便于实行集中统一控制，也有的消防控制设备设置在被控消防设备所在现场（如消防电梯控制按钮），但其动作信号则必须返回消防控制室，实行集中与分散相结合的控制方式。
2.4火灾报警与联动控制系统的工作原理
火灾自动报警系统的工作原理如图2-3所示。
安装在保护区的探测器不断的向所监视的现场发出巡测信号，监视现场的烟雾浓度、温度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接收的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。
当火灾发生时，发出声光报警，显示烟雾浓度，显示火灾区域或楼层房号的地址编码，并打印报警时间、地址等。
同时向火灾现场发出警铃报警，在火灾发生楼层的上下相邻层或火灾区域的相邻区域也同时发出报警信号，以显示火灾区域。
启动水喷淋系统，防火门，排烟系统等联动装置。
各应急疏散指示灯亮，指明疏散方向。
图2-3
2.5自动灭火消防系统重要性及特点
2.5.1基于PLC控制的自动灭火消防系统的特点
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。
2.5.2自动灭火消防系统设计的意义
仓库自动灭火消防系统。
美国现在已制定了相关规范对其推广，英国、澳大利亚、也在使用，实践证明仓库内安装该系统能够扑救仓库初期火灾，保护仓库财产安全，降低火灾损失以及为抢救货物提供足够的时间并能及时报警。
随着我国自动灭火消防系统的不断发展，自动灭火消防系统大大的降低了火灾的危害性，把火灾给人们带来的经济损失将到了最低，为确保人的生命及财产安全提供了保障。
在本次自动灭火消防系统采用了烟雾传感器之间的互锁模式进行控制，避免了因烟雾在仓库中的扩散而引起的其他非着火区域的错误报警与灭火，大大减少了系统的误报率，有很强的实用意义。
且在本次设计中还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。
3硬件简介及系统方案的确定
3.1厂房仓库自动消防灭火区域划分
本仓库是堆放一般货物的厂房小型仓库，通常没有专人看管，堆放的都是是一些日常货物，所以在此类厂房仓库中安放自动灭火消防系统非常的有必要。
小型仓库的使用面积共240平米，坡度为0-3度，高度为8米。
根据仓库的具体情况，把仓库分成3个自动消防灭火区域,每个报警区域面积为80平米。
每个区域之间的间隔为2米，区域间安装防火门，且在各区域的外面还有一条1米宽的走廊，避免探测区域之间的交叉重叠。
依据建筑设计协会的《仓储建筑防火设计规范》，该建筑为二类建筑，耐火等级为二级。
仓库的区域划分如图3-1所示。
图3-1厂房仓库区域分布图
3.2基于PLC控制的自动灭火消防系统主要部件
基于PLC控制的自动灭火联动控制系统是灭火联动系统、报警系统、控制系统，这三个子系统组成。
自动灭火联动控制系统中包含水喷淋系统，防火门和通风排烟系统。
报警系统中包含报警器和各种电源装置，控制系统中包含可编程序控制器和各种开关。
灭火联动系统、报警系统、控制系统，这三个系统之间是通过线路系统联系在一起，灭火联动系统的开启与关闭，报警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3-1所示。
表3-1系统主要部件及其用途
编号
名称
用途
1
S7-200PLC
中央控制器，控制整个系统
2
高位水箱
存储初期用水
3
报警器
发出音响、灯光等报警信号
4
喷淋泵
为灭火系统提供灭火用水
5
感烟探测器
感知火灾信号
6
感温探测器
感知火灾信号
7
放水阀
检修系统时放空系统中的水
8
进水管
水源管
9
排水管
末端试水装置排水
10
末端试水装置
试验系统功能
11
开式喷头
喷水灭火
12
压力表
指示系统压力
13
水表
计量末端试验装置出水量
14
过滤器
过滤水中杂质
15
单项阀
控制液体的单项流动
16
溢流阀
控制系统的压力
17
水池
存储火灾用水
18
电磁阀
控制各区域喷水灭火系统中水流的开启与关闭
19
防火门
阻止火势蔓延和烟气扩散
20
排烟机
将室内烟雾向外排出
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
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