【JP093】采用PLC的消防报警控制器的设计【KT+RW】
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【JP093】采用PLC的消防报警控制器的设计【KT+RW】,jp093,采用,采取,采纳,plc,消防,报警,控制器,设计,kt,rw
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1 火是人类生存的重要基础，它既可用于造福人类，也可给人们带来巨大的灾难。火灾造成的各类经济损失达到地震灾害的 5 倍。 随着国民经济的发展，高层建筑越来越多。一旦发生火灾，由于高层建筑的特点，难以扑灭火灾。随着科技的发展，消防报警控制器的智能化越来越高，但目前大多数小型室内报警控制器还是以单片机等为基础的嵌入式系统产品，其复杂度高成本相对较高、编程复杂。使用嵌入式系统设计的火灾报警控制器，由于需要测试时间长，以及在各种环境下失效概率高。所以设计一种，可靠稳定的火灾报警控制器，尤为重要。 有稳定性高， 开发周期快。编程人员容易上手等特点。且随着生产规模的扩大，单个 产成本越来越低。故使用 为控制器，代替嵌入式系统成为一个更好的选择。 防系统的发展 人类早期的消防系统都是人工实现的。当发生火警的时候，在人们在统一组织下采取一切措施进行灭火。这是早期消防系统的雏形。随着科学技术的迅速发展，大家开始使用仪器来探测火情，使用仪器发出的报警信号，在人工组织下使用灭火器进行灭火。这便是消防系统。 消防系统的发展从消防器材、线制、还是类型的方面讲，都可以分为传统型和现代型两种 。传统型主要是指开关量采用多线制系统，而现代型主要是指可寻址总线制系统及模拟量智能系统。 当下的电气自动化消防系统，在功能上可实现自动检测现场，确认火灾，发出声光报警信号，启动灭火设备自动灭火、排烟、封闭火区等，还可以实现向物业管理部门和消防队发出救灾请求。 消防系统的结构紧凑，反映敏捷，工作可靠性高，还具有比较好的指标。智能化仪器的开发与应用，使自动化消防系统的结构更加紧凑体积日趋微型化及多功能化。 消防自控系统产业的形成是主要在改革开放以来的八十年代中期。随着国民经济 2 的飞速发展，新建房屋的增加，社会各届 对于消除火灾隐患都很重视。经过十多年的发展，消防报警系统产业得到迅速发展。 防系统的组成 消防系统主要由三大部分组成：第一部分为感应系统，即为火灾自动报警系统； 第二部分为执行系统，即灭火自动控制系统；第三部分为消防联动系统。一般情况下火灾自动报警系统主要由探测器、手动报警按钮、报警器和警报器等组成，以便完成检查火灾并报警的任务。 建筑物现场的消防设备种类众多，可以从功能上把它们分为三大类：第一类为灭火系统，包括各种介质；第二类是灭火辅助系统，主要用于限制火势的各种设备；第三类为信号指示 系统，用于报警并指挥现场人员的设备。 防系统的分类 消防系统的类型，依报警及消防的方式可以分为两种。 （ 1）自动报警、人工消防 即发生火灾时自动进行报警，并显示哪里出现火警，引导消防人员对失火地点进行灭火。 （ 2）自动报警、自动消防 火灾发生时，自动对发生火灾的地点进行喷水作业，并进行消防。并且直接通知消防中心，消防中心接到报警信号后，可以立即采取行动进行灭火作业。 3 火灾自动报警系统简介 随着高层建筑的增加，防火需求的增长，大大刺激了火灾自动报警系统的发展。火灾自动报警系统的结构、形式 变得更加灵活多样。火灾自动报警系统也变得越来越智能，这就为系统组合创造了更加方便的条件，可以构成更多的不同的网络结构。 3 灾自动报警系统的形成 19 世纪 40 年代末，牙科医生 缅因大学教授 放研制了第一个用于城市火灾报警的报警器。并在几年后，将其安装在美国波士顿。自此，便为火灾报警器的发展拉开了帷幕。较早的探测技术，当为 19 世纪末，英国人研制的感温探测器。到了 20 世纪初，随着科技的发展，出现了泡沫灭火剂的研制。 20 世纪 80年代，随着计算机技术的发展，出现了全新的一代报警控制系 统。此种系统的智能集中于控制部分，探测器输出模拟信号，并由控制器对这些信号进行处理，判断是否发生火灾。 中国的消防技术研究，起步于 20世纪 50 年代，并于 20世纪 80 年代开始了消防设备的研究。经过近 20 年的发展，我国的火灾报警系统也经历了从多线制到总线制的发展历程。但我国基础较为薄弱，资金较为匮乏，技术相对国外比较落后。我国生产消防报警设备公司，尚缺乏先进的燃烧实验室，使得相关研究较少。一直以来都在走引进 防止 在 90年代各个厂家纷纷采用合资或引进技术的方式提高自身竞争力。 灾自 动报警系统的组成 火灾自动报警系统由探测器、手动报警器按钮、火灾报警装置（含声光报警器）、火灾报警控制器、控制装置（含各种控制模块、报警联动一体装置、自动灭火装置、排烟装置及通风系统的控制装置、防火卷帘、广播装置、通信设备、疏散指示标志灯等组成）、电源线。 各主要部件的作用分别为： （ 1）火灾探测器的作用：它主要用来对火灾进行自动感知，俗称“电子鼻” 、“电子眼” ，也可以将其称为“消防哨兵” 。对于火灾自动消防系统来说，非常重要，若是探测器失灵，将会造成整个系统的瘫痪。 （ 2）手动报警按钮的作用：手动报警 按钮，即在探测器不敏感，或者探测器感知不到的情况下，或者探测器失灵的情况下。出现火灾由人工启动报警器的装置。 （ 3）报警器的作用：报警器的作用即为通知现场所有人，发生火灾让大家在最短的时间内了解到这一消息，便于大家逃生。报警器有声光等方式进行报警，随着技 4 术的发展，也出现了能够进行自动广播的报警器。 （ 4）控制器的作用：控制器的作用即为指挥协调各个部件的行动。在没有出现单片机之前，这部分工作由一些复杂的电路实现。但现在可以使用单片机或 （ 5）电源线的作用：电源线的作用就是提供电源，为了 保证报警系统的工作，一般要提供高可靠性电源。 灾自动报警系统的分类 域火灾报警系统 由区域火灾报警控制器和火灾探测器组成，或由火灾报警控制和火灾探测器等组成，如图 1。 中火灾报警系统 集中火灾报警系统由集中火灾报警控制器、区域火灾报警控制器和火灾探测器等组成，或由火灾报警控制器、区域显示器和火灾探测器等组成的功能较为复杂的系统。如图 2。 制中心报警系统 控制中心报警系统由消防控制室的消防设备、集中火灾报警控制器、区域火灾报警控制器和火灾探测器等组成 的功能复杂的火灾自动报警系统。如图 3。 5 图 1 区别火灾报警控制器 图 2 集中火灾报警控制器 区域火灾报警控制器 火灾探测器 手动火灾 报警按钮 火灾报警装置 消防联动 电源 集中火灾报警控制器 区域火灾报 警控制系统 区域火灾报警控制系统 电源 火灾报警装置 排烟阀 1 区 n 区 6 图 3 控制中心报警系统 灾探测器的分类 火灾探测器因为其在火灾报警系统中用量最大，且又是系统中与火情最接近的设备，因此地位十分重要，其种类多，科技含量高。根据对可燃固体、可燃液体、可燃气体及电气火灾等的燃烧试验，对不同物体的火灾进行准确的探测 。分类如下： （ 1）离子感烟探测器。 （ 2）光电感烟探测器。 （ 3）感温探测器（包括定温式和差温式）。 （ 4）气体式探测器。 （ 5）红外线式探测器。 （ 6）紫外线式探测器。 集中火灾报警控制器 区域火灾报警控制系统 区域火灾报警控制系统 电源 1 区 n 区 消防控制设备 火灾报警装置 火警电话 火灾事故照明 火灾事故广播 联动控制装置 固定灭火系统控制装置 7 灾报警控制器分类 火灾报警控制器按线制可以分为：多线制和总线制控制器。按照结构形式可以分为： 壁挂式火灾报警控制器 ， 其连接探测器回路数相应少一些，控制功能较简单。一般区域火灾报警控制器常采用这种结构 ； 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，操作使用方便，一般常见于集中火灾报警控制器 ； 柜式火 灾报警控制器 ， 与台式火灾报警控制器基本相同，内部电路结构多设计成插板组合式，易于功能扩展。 4 可编程控制器（ 介 编程控制器（ 产生 上世纪 60年代，计算机技术逐步开始应用于工业控制了。由于计算机技术本身复杂程度高、编程困难、难于掌握且工业应用环境较为恶劣等原因，未能使其在工业中广泛应用。当时的工业控制主要使用继电器 世界性技术改造的浪潮冲击下，人们开始寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度快的新型工业控制器。 1968 年美国最大的汽车制造企业 通 用汽车公司，为适应汽车产品的翻新，试图寻找一种新型工业控制器，以尽可能少的重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线，减少时间，降低成本。因此设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便结婚起来，制成一种新型的通用工业环境的控制装置。 1969年美国数字设备公司研制了第一台 在通用的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。 1971 年日本引起了 术，并很快研制出日本第一台 1973年西欧国家也研制出了他们第一台 国从 1974 年开始研制 1977 年开始了 工业应用。 20 世纪 70 年代后期，随着微电子技术和计算机技术的飞速发展， 仅用逻辑编程代替了硬件接线，还增加了运算、数据传输和处理等功能。到 20 世纪 80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，使 概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。 8 编程控制器（ 特点 （ 1） 抗干扰能力强 ， 可靠性高 高可靠性是 火灾报警 控制设备的关键性能。 用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗 干扰技术，具有很高的可靠性。如 某些 公司的 均无故障时间高达 30 万小时。 有 冗余 平均无故障工作时间则更长。 （ 2）部件配套全， 功能完善，适用性强 大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的 集成的火灾报警控制器 。 可适用单个房间的控制、单个仓库的控制、整个大楼的控制等等。且 现代 多具有完善的数据运算能力， 故可对火灾探测器产生的数据进行各种分析计算。 （ 3）简单易学上手快 ，深受工程技术人员欢迎 面向企业的工控设备。它接口容易，编程语言 易于为工程技术人员接受。只用 对于非计算机专业而需要编程的人员，提供了很大的方便。 （ 4） 系统 总 的设计、建造量小，维护 较为 方便，改造 容易 存储逻辑代替接线逻辑， 使外部接线大为减少 ，使控制系统设计及建造的周期大 大 缩短，维护 也较为 容易。 （ 5） 量轻，能耗低 新近出产的品种底部尺寸小于 10厘米的 ，重量 也小于 150克 ，功耗仅 仅 数瓦。 由于 体积小 ，所以 容易装入机械内部，是机电一体化 产品 的理想控制 组成和工作原理 硬件组成 基本组成可归为 3 个部分： 核心控制器； I/O 部件 连接现场设备与 源部件 为 图 4。 9 图 4 般分为整体式和模块式两种，一般来说它们的组成是相同的。对整体式3部分在同一个机壳内。对模块式 个部件独立封装，称为模块。 软件组成 软件组成如下： （ 1）系统软件。系统软件包括诊断程序、翻译程序、信息传送程序等。 （ 2）用户程序。用户程序是用户根据设备控制要求编制的控制程序，相当于继电器 见的如梯形图、语句表等。 （ 3）系统监控程序。系统监控程序一般有系统运行管理程序、用户指令解释程序、标志模块及系统调用程序组成。 工作原理 当 工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间， 般来说， 讯等，即一个 扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出 10 刷新等所有时间的总和 。如图 5。 （ 1） 输入采样阶段 。 在输入采样阶段， 扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/ 区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/中的相应单元的状态和数据也不会改变。 （ 2） 程序执行阶段 。 在用户程序执行阶段， 是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 (梯形图 )。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制 线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 者刷新该输出线圈在 I/中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 （ 3） 输出刷新阶段 。 当扫描用户程序结束后， 进入输出刷新阶段。在此期间， ，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 图 5 扫描过程 内部处理 通信服务 输入处理 程序执行 输出处理 运行 停止 11 5 控制器总体方案设计 警探测器的选择 本文设计的系统属于区域性系统，故采用较小型的单体探测器为宜。故选用了型复合式感烟感温火灾探测器 。其采用了 复合探测技术是目前国际上流行的新型多功能高可靠性的火灾探测技术 ， 是由烟雾传感器件和半导体温度传感器件从工艺结构和电路结构上共同构成的多元复合探测器。 其 不仅具有普通散射型光电感烟火灾探测器的性能，而且兼有定温、差定温感温火灾探测器的性能。 由于采用了感烟和感温相结合的技术，使 得该复合探测器能够对国家标志试验火的燃烧进行探测和报警。也能够对酒精等有明显温升的明火进行探测并报警。而且 探测器为无极性信号二总线制 ，方便连接控制器。 如图 6。 图 6 制器 三菱 测器 消防设备 显示界面 上级系统 报警器 12 要技术指标 （ 1）探测器类别： （ 2）工作电压：总线 24V （ 3）监视电流 （ 4）报警电流 （ 5）报警确认灯：红色，巡检时闪烁，报警时常 （ 6）使用环境： 温度： +50 相对湿度 95% ，不结露 （ 7）编码方式：十进制电子编码 （ 8）外壳防护等级： （ 9）外形尺寸： 直径： 100 :56底座 ) 动报警器的选择 由于探测器可能会在某些情况下失效，故必须要有手动报警器，且能够自动通知119 火警。本控制系统选用 动报警按钮， 将手动火灾报警按钮与消防电话插座设计成一体，构成一体化 手动火灾报警按钮。 其 主要具有以下特点： （ 1）采用拔插式结构，安装简单方便； （ 2）电子编码，可现场改写； （ 3）有机玻璃片在按下后可用专用工具复位； （ 4）采用微处理器实现信号 处理，用数字信号与控制器进行通信，工作稳定可靠，对电磁干扰有良好的抑制能力 。如图 7。 图 7 13 钮 主要技术指标： （ 1）工作电压：总线 24V （ 2）监视电流 （ 3）动作电流 （ 4）线制：与控制器采用无极性信号二总线连接，与总线制编码电话模块采用四线制连接，与总线制电话主机或多线制电话主机采用电话二总线连接 （ 5）无源输出触点容量： 00（ 6）使用环境：温度： +55 相对湿度 95% ，不结露 （ 7）外壳防护等级： （ 8）外形尺寸： 9022 带底壳 ) 光报警器的选择 本系统选用 灾声光警报器（俗称声光）是一款安装在现场的编码型声光报警设备，可直接接入火灾报警控制器（俗称报警主机）的信号二总线，需要由电源系统提供两根 源线。在现场发生火灾并确认后，安装在现场的火灾声光警报器可由消防控制中心的火灾报警控制器（报警主机）启动，发出强烈的声光报警信号，以达到提醒现场人员注意的目的。 如图 8。 （ 1）工作电压： 信号总线电压： 24V 允许范围： 16V 28V 电源总线电压： 许范围： （ 2）工作电流： 总线监视电流 线启动电流 电源监视电流 10源动作电流 160（ 3）线制：四线制，与控制器采用无极性信号二总线连接，与电源线采用无极性二线制连接 （ 4）声压级 85正前方 3 14 （ 5）闪光频率： （ 6）变调周期： 4（ 120 ） s （ 7）声调：火警声 （ 8）使用环境：温度： +50 相对湿度 95% ，不结露 （ 9）外壳防护等级： （ 10）外形尺寸： 90447带底壳） 图 8 警门灯的选择 报警门灯安装在巡视观察方便的地点，如会议室、餐厅灯地方。本次选用 图 9。其接线方式也为 无极性信号二总线连接 。 图 9 选择 本次选用三菱 列 为控制器。其适应于极小模块，广泛用途的卡片尺寸的超小型 特别是直流电流与交流电源型相比，体积又进一步减少了一半，即使在以往安装困难空间，也可以从容地安装。 15 特点备有可自由选择、丰富的品种可选用 10/14/20/30点型。同时，根据电源，输出形式，进行选择。体积虽小却具有令人心安的高性能。本次使用点数较少故选用 图 10 三菱 表 1 型 号 输入 点数 输出 点数 00 240v 4v 继电器输出 晶体管输出 继电器输出 继电器输 出 4 6 2 8 6 14 8 6 16 14 格便宜，适用于小型开关量控制系统，它只有基本单元，没有扩展单元。其基本单元如表 1 所示。如图 10 清晰可见 16 个输入点和 4个输出点。本次控制所需点数少，故选用此种最低档次的三菱 深入查找三菱 以访问三菱电机网站，对相关器件的手册进行下载。 机界面的选择 本次选用三菱 机界面。型号 图 11）作为本控制系统人机界面方案，但实际应用应该符合经济条件，因为 若实际采用的话，可能不太符合经济规律。此次只是作为方案论证，并在 GT 中模拟 际工程，应该按照工程造价预算，合理选择人机界面。 寸 C 机型 分辨率： 40示色： 256 色 、内存： 3实际工程中，可以使用 图 11 控制器的详细设计 根据所选器件组成火灾报警控制系统。 路设计图 根据设计需要连接 探测器与 动报警器与 位按钮与 接。将声光报警器与 接、将报警门灯与 接、将消费设备与 连接消防联动装置与 于所选部件，大部分线制都是 无极性信号二总线连接 。故可以一端连 有特殊需要，可以按照各个部件 17 的使用说明，连接额外电源。 用 接。如图 12。此图已用 图 12 气控制图 根据 图，如图 13。 图 13 火灾报警控制系统电气控制图 18 梯形图设计 选用 为编程及仿真工具。 三菱 编程软件。适用于 Q、 全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、 言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写 序功能。 本次设计使用该软件做出梯形图的开发环境。软件界面如图 14 所示。 图 14 如 个部件分配如表 2： 表 2 软元件分配表 输入端 输出端 软元件 器件 软元件 器件 测器 光报警器 动报警器 警门灯 位键 防设备 防联动 （ 1）当火灾报警控制开关 N 后，报警器 时报警灯0次（亮 此后，报警器停止鸣叫，灯也熄灭。此外， 19 位 )按钮 可以使报警器停止 工作。 （ 2）采用手动方式（ N）。当报警控制开关变为 0N 后，报警器 始鸣叫，同时灯 开始闪烁。当按下 钮 者都中止。 （ 3） 生信号后产生一个脉冲输出。 合后即刻保持 有在计数器 002时， 能变为 0次 为 ，计数器 加 1，计数次数 10 后，消防设备 动启动并且联动消防联动系统 形图如图 15所示。 图 15 消防报警控制系统梯形图 本梯形图所对应的指令表如下： 0 000 1 001 2 0 4 0 5 000 6 0 7 002 8 000 9 000 10 1 11 0 14 0 15 001 16 0 17 1 20 20 000 21 0 23 0 24 0 27 0 28 002 29 002 30 002 31 003 32 21 人机界面设计 本控制系统选用三菱的 为人机交互界面。故使用三菱电机提供的人界面编程工具 作为三菱 开发工具。 是三菱 合性开发工具 的一个重要组成部分。 软件的界面如图 16。 图 16 GT 界面 本控制系统的人机界面，由于系统较为简 单，故只采用但画面无需切换画面。只是简单将各个元件的状态列出来。形成如下所示的界面。标题即为：消防报警控制器，下面包含 7个指示器，分为三行，第一行为输入端三个软元件的监视；第二行为输出端三个软元件的监视及指示；最后一行单独表示消防联动控制器。主要功能是将报警信息，迅速远传到上层控制中心及消防单位。图 17如下。 22 图 17 消防报警控制器人机界面 可以从人机界面上看见，各个软元件都对应各自实际部件。背景色仍为默认的黑色。标题改成了绿色。 7 控制器的仿真测试及报告 由于缺少真实 其他传感器执行 器，为了能够了解系统运行时可能出现的问题，及系统运行时的状态。本次设计将使用三菱电机提供的 、 及 等软件作为仿真测试环境，对此次设计的系统进行仿真测试。以便试验，系统实际应用时可能出现的各种问题。下面是整个仿真测试的过程。 真测试步骤 （ 1）步骤一启动 开刚才所建立的工程文件，并打开梯形图。选择工具 -梯形图逻辑测试启动。 23 图 18 在 启动 启动 后。梯形图文件被写入虚拟 9 所示。 图 19 将梯形图写入虚拟 入成功后，各个软元件均变成跟真实 图 20。 24 图 20 软元件上电准备运行 （ 2）步骤二启动 打开 。软件会提示你选择要仿真的 择相应的 后进入 。进入后打开“工程”菜单，选择刚刚用 制作好 的人机交互界面工程文件，打开即可。注意一定要跟梯形图文件所对应的工程所选 元件编号一致否则出错。如图 21。 图 21 界面 （ 3）步骤三开始测试。回到 ，将鼠标移动到 25 实任意一个软元件均可），点击右键在弹出菜单中选择“软元测试”选项。然后强制让 后测试即开始，人机界面开始反应。梯形图中定时器、计数器开始工作。如图 22。 图 22 启动测试 真测试结果 测
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