基于PLC的智能火灾报警系统

常州机电职业技术学院

毕业设计（论文）作者：杨可学号： 41240204 系部：电气工程系

专业：电气自动化

题目：基于PLC的智能火灾报警系统设计

指导者：余文伟

评阅者：

2015年 4 月

毕业设计（论文）中文摘要

目前，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患。为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。同时为了减少外界环境的干扰，采用PLC对其进行控制，从而大大提高系统的抗干扰性。

PLC包括逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等程序。他用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。PLC不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。

本系统可安装在各防火单位，它负责不断地向所监视的现场发出巡检信号，监视现场的温度、浓度等，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，并及时进行灭火。

关键词：火灾报警传感器 PLC

目录

第一章绪论 (1)

1.1选题背景及意义 (1)

1.2国内外发展状况 (1)

第二章火灾自动报警系统简介 (3)

2.1火灾自动报警系统概述 (3)

2.2火灾自动报警系统设计要求 (3)

2.3自动报警灭火系统的组成与主要部件 (4)

第三章PLC的概述 (6)

3.1 PLC的简介 (6)

3.2 PLC的特点 (6)

3.3 PLC的基本结构 (7)

3.4 PLC的工作原理 (7)

第四章系统的硬件设计 (8)

4.1系统分析 (8)

4.2 I/O端口 (9)

4.3 PLC外部接线 (10)

4.4 消防控制 (10)

4.5 水箱结构 (11)

4.6 PLC的选型 (11)

4.7 传感器的选择 (12)

4.7.1 温度传感器的选择 (12)

4.7.2 感烟传感器的选择 (13)

第五章系统的软件设计 (16)

5.1 程序流程 (17)

5.2 程序编制 (18)

5.3 PLC程序说明 (19)

5.3.1区域1自动报警灭火系统的启停 (19)

5.3.2区域2自动报警灭火系统的启停 (19)

5.3.3系统复位 (19)

第六章消防管理与维护 (20)

6.1消防管理制度 (20)

6.2火灾自动报警系统的每月定期检查 (20)

6.3自动喷水灭火系统的每月定期检查 (20)

结论 (22)

参考文献 (23)

致谢 (24)

第一章绪论

1.1选题背景及意义

火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。随着高层建筑的不断增多，火灾隐患增加。一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，并能及时控制和扑灭火灾，以便减少损失，保障生命安全。火灾自动报警灭火控制器就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受。其自身也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。火灾报警控制器是火灾报警系统的核心。

实践证明建筑内安装该系统能够扑救建筑初期火灾，保护建筑财产安全，降低火灾损失，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。

在本次自动报警灭火消防系统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。

1.2国内外发展状况

国外一些较发达的国家，他们有相当完善的火灾早报和扑灭的消防体系。而当地政府都会给与大笔的款项用于设备的更新、设备维护等。一些国家例如德国、日本、美国等就利用电脑与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如：美国、英国、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统这方面均有很成功的经验。他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，运行多年未出现问题，消防中心对火灾发生的地点、火灾发生类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果

我国的火灾报警装置起步比较晚，同比国外有很大的差距，但是最近几年火灾报警控制系统有了不菲的进步。我国从70年代开始生生产火灾报警的产品。到了80年代，我国国内制作的消防火灾产品多已模仿为主国内主，又或是引进国外的一些技术，没用自己核心的技术，国内这方面的的市场也是刚刚起步。火灾报警产品的发展主要在90年代，国家政策的支持和国际化使得很多国外知名企业进入中国消防市场，带来了很多先进成熟的技术，从而促进了我国消防产业的发展。有些企业慢慢有了自己的核心技术，在世界的领域有了不菲的成绩。

第二章火灾自动报警系统简介

2.1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。

2.2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。

2.3自动报警灭火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2-1所示。

表2-1 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，开启喷头喷水灭火。

自动灭火消防系统的关闭过程：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。

第三章 PLC的概述

3.1 PLC的简介

可编程序控制器PC（Programmable Controller）又称可编程序控制器PLC （Programmable Logic Controller），是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备告诉计数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电－接触控制系统在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用。PLC 的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。

3.2 PLC的特点

现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：

1）编程方法简单易学

2）功能强，性能价格比高

3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

4）无触点免配线，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

3.3 PLC的基本结构

PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。

3.4 PLC的工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。PLC在输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

第四章系统的硬件设计

4.1系统分析

该系统是针对某建筑的消防安全设计的火灾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，区域一中的传感器（温度传感器和烟雾传感器）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。

当区域二中传感器（温度传感器和烟雾传感器）探测到火灾信号或现场人员发现火灾按下手动报警按钮SB6，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。灭火排烟系统开启，5秒后对应失火仓库的消火栓开启喷淋头喷水灭火。灭火完成后按下复位按钮，系统便恢复正常，供电照明。

4.2 I/O端口

表4-1 I/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

4.3 PLC外部接线

图4-1 PLC外部接线图4.4 消防控制

图4-2 灭火系统消防控制图

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。

4.5 水箱结构

图4-3 水箱结构图

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。

4.6 PLC的选型

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。

因为PLC是采用顺序控制扫描的工作方式，从输入信号到输出控制存在着滞后现象，输入量的变化通常要在1—2个扫描周期之后才能反映到输出端，这对

于大多数应用场合是允许的。响应时间包括输入滤波时间、输出滤波时间和扫描周期。其顺序扫描工作方式使它不能可靠地接收持久时间小于一个扫描周期的输入信号。为此，对于快速反应的信号需要选取速度高的机型，如FX2N基本指令的运行处理时间为0.08微秒/步指令。故根据本系统的设计要求、工作环境、服务对象等方面考虑，三菱PLC完全可以满足本系统的设计要求。

现在三菱PLC主要有FX1N，FX2N，FX3U，Q系列，A系列等，其中FX2N(C)是FX2N为基础发展而来的，成本比FX2N略低，且FX2N(C) PLC完全可以满足本系统的设计要求，所以本次设计选用三菱FX2N(C) PLC作为本系统的控制器。

FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块，有其他模块无法比拟的速度，具有逻辑选件以及定位控制等优点，是从16—256路输入/输出应用的选择方案。此外，FX2N(C)系列PLC在保留原有强大的功能下，实现了极为可观的规模缩小。I/O型连接口降低了接线成本并节省了时间。

4.7 传感器的选择

4.7.1 温度传感器的选择

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、对象以及测量环境合理选用传感器，是在进行某个测量首先要解决的问题。

1、灵敏度的选择通常在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好，应为只有灵敏度高时，这样与被测量变化对应的输出信号才比较有利于信号处理。但要注意的是传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，它们同样会被放大系统放大，从而影响测量精度，因此要求传感器本身具有很高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号传感器的灵敏度是有方向性的。

2、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许范围内保持不失真的检测条件，实际上传感器的响应总有一定的延迟。传感器的响应频率越高其检测到的范围就越大。

3、线性范围传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。从理论上讲在这个范围内，灵敏度保持一定的值，由此可知道传感器的线性范围越宽其量程就越远，并且可以保证一定的精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后还要看的是其量程是否满足要求。但实际上任何的传感器都不能保证绝对的线

性，其线性也是相对的。当所要求测量精度较低时，在一定的范围内可以将非线性误差较小的传感器近似看作线性，这也会给测量带来极大的方便。

4、稳定性传感器在用过一段时间之后，其性能保持不变的能力即为稳定性。影响传感器长期稳定的因素除了其本身的结构外，还有传感器使用的环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其环境进行调查，减少环境的影响。

5、传感器的精度精度是传感器的一个重要指标，其是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高其价格也就越贵，因此传感器的精度只要能满足整个测量系统的精度要求就可以。如果测量目的是定性分析的可选用重复精度高的传感器即可不必选用绝对精度高的。

根据本设计的要求则选用了PT100温度传感器。PT100传感器，又叫铂电阻传感器；是一种性能较好的温度传感器其性能参数如下表4-2。

表4-2 温度传感器参数

探头直径安装方式标准引线长度温度检测范围

Φ5mm M8×1.0螺纹固定标准2m -200～400度

4.7.2 感烟传感器的选择

火灾发展过程大致可以分为初期阶段、发展阶段和衰减熄灭阶段。感烟火灾探测器的功能在于：在初燃生烟阶段，能自动发出火灾报警信号，以期将火扑灭在未成灾害之前。根据结构不同，感烟探测器可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。根据本设计的控制要求选用光电式感烟探测器。

1）光电感烟探测器

感光探测器:光是热源辐射的结果,所以感光也就是感应辐射,人体也在不断的辐射波,但是由于本体温度较低,辐射波的波长一般较大,而火灾的热源发出的光较强能被探测出来,据某些科学家分析,火灾发生的时候还会发出一种独特的声波,根据这种波做出感声探测器能有效克服其他探测器的普遍失误的情况.

光电式感烟探测器由光源、光电元件和电子开关组成。利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般

光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。

一般光电式感烟探测器根据其结构特点可分为遮光型和散射型两种。

遮光型光电式感烟探测器是由一个光源和一个光敏元件对应装置在小暗室里构成。在正常（无烟）情况下。光源发出的光通过透镜聚成光束，照射到光敏元件上，并将其转换成电信号，使整个电路维持正常状态，不发生报警。当发生火灾有烟雾存在时，光源发出的光线受烟粒子的散射和吸收作用，使光的传播特性改变，光敏元件接收的光强明显减弱，电路正常状态被破损,则报警。

散射型光电式感烟探测器的发光二极管和光敏元件设置的位置不是相对的。光敏元件设置在多孔的小暗室里。无烟雾时，光不能射到光敏元件上，电路维持在正常状态。而发生火灾有烟雾存在时，光通过烟雾粒子的反射或散射到达光敏元件上，则光信号转换成电信号。经放大电路放大后。驱动报警装置，发出火灾报警信号。

2）光电感烟探测器工作原理图：

火灾发生前，没有烟雾：

火灾发生后，产生烟雾：

图4-4 感烟探测器工作原理图

图示的反射式烟雾报警器灵敏度较高。在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中示出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管。烟雾越大，接收到光也越强流过光敏三极管的电流也越大。必须指出的是，室内抽烟也可能引起误报警，所以还必须与其它火灾传感器组成综合火灾报警系统，由消防联动中的主计算机作出综合判断，并开启相应区域的消防设备。

第五章系统的软件设计

消防控制系统使用GX DEVELOPER编程软件进行程序编辑和硬件设置，与PLC 之间的通信连接使用了力控。GX DEVELOPER软件是三菱电机公司开发的用于三菱全系列的可编程序控制器的编程软件。该软件集成了项目管理、程序编辑、编译链接、模拟仿真、程序调试和PLC通信等功能。GX DEVELOPER编程具有其自身的特点，在编程之前需要在符号表中对所有输入输出的全局变量进行定义，使程序具有可读性。其中包括：I/O地址、数据块命名、注释等。

设计主要采用控制系统来实现报警、喷水。总的来说，实现了现场设备的实时、准确报警和可靠的联动控制。实践表明，系统可靠性商、灵活性强。

编好后的程序通过串口线下载到PLC设置状态开关使PLC处于 RUN （运行）状态。当感烟探测器探测到烟雾信号便反馈给PLC。PLC的输出端即驱动执行元件执行各自的任务。利用力控软件与PIC通信可观察现场系统的动作情况。

5.1 程序流程

程序开始

区域2有火灾区域1有火灾

区域1报警系统立即启动区域2报警系统立即启动

是否有误是否有误抽水泵启动抽水泵启动

5S后区域1电磁

阀启动5S后区域1电磁

阀启动

喷淋头喷水灭火

喷淋头喷水灭火

按下关闭按钮

系统复位否

是

否是