《基于PLC可编程控制器的火灾报警控制系统设计》10000字（论文）

基于PLC可编程控制器的火灾报警控制系统设计摘要：火灾报警控制系统主要按照某区域的烟雾传感器、温度传感器等信号进行监测，结合实际工艺需求，在系统软硬件设计方面着重于信号控制报警灯以及喷水阀、水泵等重要零件的设计，并对其进行后续的仿真测试与调试，以确保相关零件与实际工艺需求相吻合，在达到设计标准的同时实现系统的正常稳定运行。其中，西门子系列为此次设计选用的可编程控制器（PLC）型号，以系统I/O数量为基础，在此基础之上进行PLC的计算选型。另外，此次系统在软硬件方面着重于其控制策略与相关工艺的设计，在系统输入输出与规范流程的清晰前提下，设计分析系统硬件图纸与工艺流程图，并在设计尾声进行仿真软件调试，以确保系统相关动作的规范化。总得来说，本文以火灾报警为研发方向，考虑到系统对工艺设计的相关需求，采用PLC+组态王上位机的系统控制方式，在设计思路的基础上进一步规划系统的具体控制策略，并分析系统的相关工艺流程，以确保实现系统的自动控制，设计整体简约清晰，最终成品有着不错的稳定性与可靠性，相关功能较为全面，在满足基础工艺要求的同时有着较强的实用性。关键词：火灾报警可编程控制器硬件设计组态王目录TOC\o"1-3"\h\u119231绪论 绪论1.1课题研究目的及意义火灾报警系统作为建筑的重要部分，主要进行建筑内的火灾信号检测，通过消防泵和水阀的控制，进行消防灭火供应，降低火灾的损失，降低火灾带来的危害性。本设计的火灾报警系统主要进行抽水泵、供水泵、排烟机以及电磁阀的控制，通过外部的烟雾信号、温度信号等输入，进行火灾判断，如果发生火灾，将自动启动以上设备，进行火灾报警和控制火灾灭火设备。在信息化的时代背景之下，工业生产领域对电气自动化控制提出了全新的要求，即在自动化控制的基础上兼顾较高的控制精度与工作效率。一般情况下，电气自动化控制主要作用于某些管理或控制对象，以控制系统为例，该系统的自动化控制是基于控制单元实现的。其中，单片机与PLC，也就是可编程控制器为主要的控制单元，前者不仅能够满足应用场景下的相关工艺需求，也能够实现应用系统的全方位功能，整体性能卓越、功能强劲，适应范围较广。反观后者，其本身有着较强的抗干扰与稳定性，且同样能够满足应用场景下的相关需求，属于专门为工业生产领域量身打造的控制单元。客观来说，PLC之所以能够实现现场的模拟量控制、通讯与高速计数等功能，还得益于其相关拓展模块的添加功能。对此，本文以PLC为基础，在此基础之上对火灾报警控制系统展开研究设计，结合相关理论知识，在实际设计过程中深化对相关理论知识的认知，并通过分析与理解可编程控制器的实际应用情况，明确此次研究设计的大致思路与计划，以求在设计过程中锻炼自我、升华自我的同时设计出功能全面、运行稳定可靠的火灾报警控制系统，具有一定实践意义。1.2国内外研究现状火灾报警系统主要用于酒店、大型场所，国外的火灾报警系统主要体现在早预防、早扑灭的利剑，所以采用自动火灾报警灭火系统进行监控，当遇到紧急情况，及时扑灭。对于火灾报警控制，主要通过外部的信号检测和对水泵、排烟设备等的控制，实现火灾控制，并且当火灾发生时，能够第一时间进行报警处理，当报警信号输出时，在通过消防系统灭火同时，进行人员迅速撤离现场报警，并且向消防队进行火灾信息输出报警，消防队进行火灾的控制和灭火操作。我国开始研究火灾报警系统时，主要进行单一的报警功能，而没有具体进行火灾消防灭火控制。随着后期建筑行业的发展，火灾的报警和消防措施作为国家法规，强制性设计，特别对高层小区和酒店，火灾报警和消防，需要长期监控和发展。通过现代化自动控制产品的出现，火灾报警系统进入物联网时代，可以当发生火灾时，通过5G技术通讯，进行火灾场所定位，进行精确消防的理念实现，达到火灾报警消防技术的最优化控制。1.3课题研究的思路按照火灾报警系统的设计要求，围绕系统软硬件及上位机等相关组织结构明确具体的系统设计方案与思路。（1）根据设计实际需求，先确立系统的大致设计方案，再进行细化。其中，控制对象与工艺的明确，以及最终控制方案的确定为具体设计方案的主体内容。对输入部分和输出部分进行设计，完善方案。（2）根据设计的方案，进行电器元件的选型。即，控制单元、监测与执行元件的型号选择。（3）系统硬件设计。设计以系统主电路与控制电路为重心，通过图纸设计规范和电气元件符号规范等，设计电路图，主电路部分包括开关、执行元件、保护元件等。控制电路部分包括电源、输入部分设计和输出部分设计等。（4）系统软件设计。设计以系统流程图为主，确定编程软件，并且完成程序的设计和分析。（5）在上位机设计中，明确设计对象的工艺要求，对上位机的设计步骤详细分析，按照设计步骤，细化画面、变量与驱动建立等相关内容，并经过后续的仿真调试进行优化完善，以求实现预期目标。2火灾报警系统的总体设计2.1系统的工艺要求火灾报警系统主要包含了电源装置、自动报警系统、自动灭火系统等，主要控制供水泵、抽水泵、电磁阀、排烟设备、报警器等。具体工艺要求如下：（1）对于火灾报警系统，需要进行储水，对储水箱进行液位检测，控制供水泵。储水箱的液位包括高液位和低液位监测，当储水箱的液位低于低液位开关时，启动供水泵，当储水箱的液位高于高液位开关时，关闭供水泵。（2）系统主要进行大型场所的两个区域监测，对两个区域进行温度检测和烟雾浓度监测。当发生火灾时，烟雾浓度报警信号输入以及温度报警信号输入后，立即启动该区域的水阀、抽水泵、排烟设备，并且进行报警器输出，报警灯闪烁输出。（3）当火灾消除后，通过复位按钮复位设备。总得来说，温度传感器、烟雾浓度传感器、手自动选择按钮、复位按钮、水位开关等为系统的主要输入部分，而输出部分则主要包括电磁阀、排烟设备、抽水泵、供水泵、闪光灯、报警器等。按照以上的输入输出部分，围绕系统软硬件部分完善计划方案，并基于上位机实现模拟运行仿真。2.2系统的控制方案根据实际设计需求可知，选择以及确定系统的设计方案是系统设计的重要组成部分。单片机与继电器-接触器，以及PLC，也就是可编程控制器为常见的自动化产品。在不同的工作环境下，设计要求的控制单元以及系统也各不相同，考虑到实际应用环境与后续的维护升级等因素，系统的选择需要通过多类型对比进行明确，在具体分析下选取吻合设计要求的自动化产品，以此确保系统的稳定可靠。单片机不仅能够满足应用场景下的相关工艺需求，也能够实现应用系统的全方位功能，整体性能卓越、功能强劲，有着较高的自动化程度，适应范围较广。其中，考虑到单片机程序与电路板对后续维护升级的影响，为便于其后续的维护优化，设计单片机的硬件电路板是其在研究设计过程中的首要任务，在此之后才是设计软件程序。再看PLC，其本身有着较强的抗干扰与稳定性，且同样能够满足应用场景下的相关需求，属于专门为工业生产领域量身打造的控制单元。客观来说，PLC之所以能够实现现场的模拟量控制、通讯与高速计数等功能，还得益于其相关拓展模块的添加功能。除此之外，PLC能够通过程序编译、输入输出点模块增加等方式进行改造，且后续的维护升级较为便捷，完美契合实际应用场景下的各方面要求。故此次系统研发设计的控制单元采用PLC，具体方案如下：（1）系统设计主要通过温度传感器和烟雾传感器进行环境监测，当环境满足火灾要求，立即启动电磁阀、排风扇、抽水泵、报警器以及闪光灯等。（2）对系统的供水泵进行控制设计，主要通过液位检测进行自动控制，当储水箱的液位为低液位时，立即启动供水泵，当储水箱的液位为高液位时，立即停止供水泵。（3）当外部火灾扑灭时，通过复位按钮进行系统复位，按照系统的复位要求，对设备进行停止。（4）系统设计主要对两个区域进行监测，并分别控制该两个区域。（5）系统的模拟仿真基于上位机展开。如下图所示：图2-1系统的控制方案图3火灾报警系统的硬件设计3.1可编程控制器的选型在工业现场情境下，可编程控制器（PLC）不仅能够处理现场的数据处理与逻辑控制问题，也能够实现现场通讯与过程控制等，普及应用程度极高，在一定程度上已经成为工业现场的专用控制单元。其中，专用的程序编译软件是可编程控制器的重要促成部分，在软件支持下，其能够有效应对工业现场的相关控制问题，符合实际工艺要求，且现场的互联网数据交换以及相关通讯等需求在软件的组态与工艺程序设计等方法下得到了满足，实用价值极高。总得来说，良好的拓展性、稳定性以及可靠性不仅是可编程控制器的主要特点，也是其成为工业现场专用控制单元的主要因素。（1）中央处理单元可编程控制器的相关功能依靠中央处理单元实现，其是可编程控制器的重要组成部分，是支持其功能实现的核心所在。因此，可编程控制器在实际应用中的表现好坏取决于其中央处理单元（CPU）运算功能的强劲与否。其中，检查系统存储器、外部输入输出点的状态与外部硬件组态，以及系统电源的自我检查、调用用户存储器数据、执行用户程序的循坏扫描与输出运算结果等为中央处理单元的主要功能。假定内部设计组态与外部设备不匹配时，CPU会在可编程控制器开始运行后自检设备组态状态，明确上述不匹配情况，并以报警方式将自检结果进行输出。另外，CPU的信号调用源于映象寄存器，其会在外部组态自检完成后从中调用，并擦用逻辑运算的方式对用户程序进行循坏扫描，继而将相关运算结果输出至输出映象寄存器，最后实现现场执行单元的控制。客观来说，CPU控制现场的具体方式取决于用户程序的工艺编译。这一过程中，CPU还会对用户程序进行处理，而处理方式与循环扫描如出一辙。除此之外，用户可以借助不同条件调用中断程序，着重于现场的部分条件进行程序处理，也就是中断设计。（2）存储器可编程控制器稳定可靠的运行得益于存储器，存放系统与用户数据是其的主要功能，属于其重要的存储单元。其中，系统与用户存储器为可编程控制器中存储器的两大类型，前者不仅可以报警输出设备硬件或用户程序的严重错误问题，也支持循环自检可编程控制器，属于可编程控制器的内部程序。但是，工程人员无法修改或访问系统存储器的数据。反观后者，用户编译程序以及相关数据的存放是其主要功能，其不但能够在可编程控制器的正常工作状态下调用扫描用户程序，还可以通过调用中断事件处理现场的相关特殊情况。这一过程，用户存储器的编译基于中断控制要求实现，且面对现场特殊情况的调用处理方式有两种，即按照条件中断与时间中断。（3）通信接口通信接口主要作用于可编程控制器与外部设备以及计算机间，其是外界与可编程控制器建立通讯联系不可或缺的一部分。这一过程中，通信接口依据相关通信协议交互数据，但通信接口究竟处于哪一种通信协议还得依靠程序内部组态决定。另外，通信拓展功能模块作为可编程控制器的重要组成部分，为确保可编程控制器的正常通信功能，其在不同工况下的应用类型也各不相同，需要依据实际需求进行选择。其中，Profibus-DP、MODBUS与以太网功能模块为通信功能模块的主要类型。（4）电源可编程控制器稳定可靠的工作状态取决于电源供电的质量。其中，外部供电不仅是可编程控制器的供电来源，也是确保其正常工作状态的重要因素。客观来说，可编程控制器属于电子控制电源，所以电源供电是其不可或缺的一部分。正因如此，可编程控制器对供电电源也提出了一定的要求。例如，较少的谐波与稳定的电压。一般情况下，DC24V工作直流电源与AC220V工作交流电源为常见可编程控制器的工作电源，前者基于外部开关电源实现。考虑到系统的基本逻辑控制功能、外部输入信号计算以及相关特殊功能，设计在系统控制单元方面选用了西门子系列的S7-200CPU226，其不仅能够通过数据逻辑计算明确系统对外部的输入信号，也能够对外部执行单元进行外部输出实现连接。其中，AC220V为CPU226的工作电源，具备Step7-Microwin4.0编程软件，且在端子与存储容量计算下有着16/24个外部输出/输入端子。如下图所示：图3-1S7-200可编程控制器实际中，温度、压力与流量变量等现场连续变量需要进行检测转化，以此获取所需的标准模拟量信号。一般情况下，变量检测基于外部的检测单元实现，检测完成后再进行转化。其中，电压型与电流型模拟量是主要的模拟量信号类型，0-5V、0-10V与温度输入的毫伏信号为前者的主要内容，而0-20MA和4-20MA为后者的主要内容。另外，电流型相较于电压型模拟量而言，其抗干扰性相对更好，适用于长距离的信号书传送。设计中，结合可编程控制器的扩展单元完成模拟量处理设计，系统模拟量信号的输入与处理采用EM231.完成，并对计算的数据进行模拟量输出。图3-2模拟量扩展模块3.2温度传感器的选型热电偶与热电阻温度传感器等作为市面上常见的温度检测传感器类型，其在不同的应用场景下有着不同的类型、型号，整体普及应用程度较高。其中，加热电阻炉与检测窑炉高温等为热电偶温度传感器的主要应用场合，其检测温度的原理为电动势差，整体检测面积较大。反观后者，其凭借阻值的变化明确温度的变化，整体检测面积较小。考虑到此次系统设计的实际应用场景，设计在温度检测传感器方面采用热电阻型。系统初步选用常用的温度传感器，型号为PT100，该温度传感器主要对工业现场适合该温度范围的介质进行检测，PT100温度传感器由检测单元和信号变换单元组成，检测单元可以根据温度的变换产生可变化的电阻阻值信号，并通过信号变换单元进行连续量和标准模拟量之间的转换。图3-3PT100温度传感器3.3烟雾浓度传感器的选型通常情况下，0-10V与4-20MA为模拟量信号的标准值范围，此次设计在烟雾浓度传感器方面也采用了该标准值为传感器的输出信号。其中，两线制与四线制是烟雾浓度传感器的主要接法，仪表或可编程控制器的电源为前者类型传感器的电源，标准模拟量的电流信号基于正负极的接入实现检测。即，4-20MA。考虑到实际设计要求，结合系统硬件的需求与设计方案，烟雾浓度传感器的接法采用两线制，检测以风量为主。设计选用DATA-52系列的国产烟雾浓度传感器，0-100为风量的检测范围，4-20MA为模拟量的输出电流信号。图3-3烟雾传感器3.4电磁阀的选型液压与气压控制为电磁阀的主要应用场合，其整体普及应用程度较高，尤其是在工业现场极为常见。客观来说，电磁阀作为流体介质控制的主要执行部件，其得电与失电通过接通管道内的流体介质，或改变介质的流动方向，从内部的电磁线圈获取，整体运行可靠稳定，普及应用程度较高。其中，两位三通、两位五通与三位五通为电磁阀的主要类型。在实际应用中，电磁阀的选型需要结合实际需求，不仅要考虑到高温腐蚀等介质特性，也需要考虑按照管道尺寸与接口类型等因素，其接口尺寸与螺纹类型依据管道尺寸进行适应性选择。通常来说，DC24V与AC220V为常见的电磁阀电压等级，具体选择需要视情况、结合控制系统需求确定。本设计选用的电磁阀型号为3V210-80-NC。如下图所示。图3-4电磁阀3.5系统的I/O分配设计系统外部输入输出信号间的地址分配是其I/O分配设计的主要内容，此环节的设计有利于后续系统软硬件设计的展开。其中，程序内部的地址分配在系统软件设计中至关重要，其不仅便于后续的程序设计，也有利于程序编译，尤其是系统在最后阶段的仿真调试，系统相关问题能够基于I/O分配地址表进行明确，继而便于问题的剖析与解决方法的寻找。根据实际设计工艺要求，I/O分配在此次系统输入输出功能的具体设计如下：表3-1I/O分配设计表输入功能地址输出功能地址区域1温度信号I0.0区域1电磁阀Q0.0区域1烟雾信号I0.1区域2电磁阀Q0.1区域1手动报警按钮I0.2区域1排烟设备Q0.2区域2温度信号I0.3区域2排烟设备Q0.3区域2烟雾信号I0.4抽水泵Q0.4区域2手动报警按钮I0.5供水泵Q0.5复位按钮I0.6区域1报警闪光灯Q0.6水位上限开关I0.7区域1报警器Q0.7水位下限开关I1.0区域2报警闪光灯Q1.0区域1抽烟机热继I1.1区域2报警器Q1.1区域2抽烟机热继I1.2区域1温度模拟量AIW0抽水泵热继I1.3区域1烟雾模拟量AIW2供水泵热继I1.4区域2温度模拟量AIW4区域2烟雾模拟量AIW63.6系统的主电路设计小型断路器、接触器与热过载保护继电器等为系统主电路的主要电器元件，通断电源以及预防系统过流为小型断路器的主要功能。为避免电动机的过流现象，设计确立DZ47-60系列为系统断路器。线圈的得电与失电基于接触器输出命令实现，吸合与分开主触点分别照应得电与失电两者情况，分别基于磁力与弹簧实现。系统主电路的电流状态检测为继电器的主要功能，为避免主电路处于极限过载状态，继电器会依据检测结果对电动机的过载实况进行分析，通过断开过载电路保护过载状态下的电动机。设计确立CJR系列为系统继电器。总得来说，自锁控制电路为系统主电路的设计方向，依据可编程控制器的内部梯形图，在接触器线圈的得电与失电状态下，分别吸合与分开主触点，实现电动机的自动运行与停止。图3-5系统的主电路设计图3.7系统的控制电路设计对于火灾报警控制系统硬件设计，可编程控制器的接线至关重要。其中，电源接线、DI输入与DO输出接线为可编程控制的主要接线内容，无论可编程控制器的型号与类型与否，其接线原理并无较大差异。由前文可知，系统的输出输入部分分别有着10个执行信号与13个功能信号接入要求。对此，设计结合工艺要求，考虑到系统的正常运行，对可编程控制器的接线进行重点设计。如下图所示：图3-6系统的PLC电路设计图根据可编程控制的接线操作手册而言，N与L为S7-200CPU226可编程控制器的输入电子端子，两端别分接入AC220V电源的正负极，确保电源正负极与端子的照应。即，N与L极。其中，接通与断开电源基于系统断路器实现，以此确保系统的稳定可靠运行。为确保可编程控制器的正常工作，其接线需要确保规范、正确，尤其是电源接线部分。总得来说，1M和2M在系统DI输入部分为公共端的主要内容，与电源N极相接。另外，在该部分需要两端接线输入按钮等电器元件，且确保可编程控制器的正极与其中一段相接，可编程控制器的DI端子则连接另一端。此时，可编程控制器的相应端子在按钮接触点闭合后亮起则代表接线正确。反观DO输出部分，1M与1L为盖部分的公共端子，电源N极连接公共端子M端，另外两端互相连接。即，电源L极连接公共端子L端。除此之外，可编程控制器的输出端子与线圈等输出执行元件的一端相连接，电源负极与线圈另一端相连接，若其输出点亮起则代表回路正常，线圈得电吸合、回路存在输出。4火灾报警系统的软件设计4.1系统的控制流程设计本文结合实际工艺需求，着重于系统软硬件设计，以下为系统软件部分流程图设计：图4-1系统控制流程图由上图可知，系统在运行后进行三部分的控制，分别为一区控制、二区控制、供水泵控制。（1）当一区温度报警输入或者烟雾报警输入，将立即启动电磁阀、抽水泵、排风机、报警器和报警灯闪烁。当火灾消除后，按下复位按钮，将以上输出复位。（2）当二区温度报警输入或者烟雾报警输入，将立即启动电磁阀、抽水泵、排风机、报警器和报警灯闪烁。当火灾消除后，按下复位按钮，将以上输出复位。（3）当系统运行后，对储水箱进行高低液位监测，当水位低于低液位开关时，启动供水泵，当水位高于高液位开关时，停止供水泵。4.2程序的设计4.2.1模拟量数据处理程序设计模拟量信号与具体是实数值间的转化为处理模拟量信号的主要内容。即，模拟量输入模块接收到外部输入模拟量信号后的转化，6400-32000为实数值范围。此后，实数值通过数据转换程序转换为实际显示值。其中，现存16位的模拟量整数值与实数值间的转化为数据转换策略的主要内容。这一过程，从6400-32000转换为0-100的实数值基于两者的相互对应关系实现。例如，假定16000为模拟量输入的整数值，5V或者10MA为外部的模拟量输入信号，输出的结果在数据转子程序的转化后为50.4.2.2报警逻辑程序设计I0.0、I0.1或I0.2启动一号区域，报警系统Q0.1与Q1.0在输入该信号后实现启动和自锁。此时，定时器T37启动，抽水泵Q0.5与灭火系统Q0.1在定时结束后启动。此后，启动排烟机Q0.3进行排烟，该区域自动报警灭火系统在停止按钮I0.7按下后关闭。I0.4、I0.5或I0.6启动二号区域，报警系统Q1.1和Q1.2在输入该信号后实现启动和自锁。此时，定时器T38启动，抽水泵Q0.5与灭火系统Q0.2在定时结束后启动。此后，启动排烟机Q0.4进行排烟，该区域自动报警灭火系统在停止按钮I0.7按下后关闭。5火灾报警系统的上位机设计5.1上位机的设计过程首先，打开工程管理器。如下图所示：图5-1工程管理器项目可以在打开工程管理器后新建，新项目依据项目名称与存储位置建设开发。此时，通过搜索可以查询选择原有设计项目，不但能够备份项目，还可以重新设置项目属性。项目设计主要分为开发与运行两部分。其中，项目的进行、驱动建立与画面设计等为开发的主要内容，而依据实际工艺要求进行监控则为运行的主要内容。项目的存储信息在建立项目对话框时需要填写，并命名项目名称，完成确立后新项目建成。如下图所示：图5-2项目建立对话框项目的开发设计在新建项目完成后进行。首先，COM2为串口设置，设置的波特率和奇偶校验等，采用默认设置值，RS232为系统通讯方式。如下图所示：图5-3串口设置对话框建立驱动在串口设置结束后进行。驱动基于设备配置导向建立，选择西门子S7-200系列，PPI为驱动方式。此后，制定对应的串口位置并且设置S7-200的地址。如下图所示：图5-4驱动程序建立对话框添加变量在驱动组态设计完成后进行。考虑实际工艺要求与系统运行策略，为确保数据类型与变量的完整精准，在添加变量过程中需要分别对变量的类型、最大最小值以及初始值等内容进行设置。除特殊要求外，设置统一采用默认设置。如下图所示：图5-5变量设置对话框以下变量列表在项目相关变量完成设置后形成。该列表变量为可编程控制器通信与内存变量。如下图所示：图5-6变量列表图按照系统的工艺要求和可视化数据交互的变量需求，对变量设置完毕后。就进行画面的设计，画面往往包括启动画面和调用画面。在画面设计中，通过工具箱进行画面的制作。工具箱可以实现画面的图形绘制，位图添加，字体和颜色编译以及管道制作等等。在画面设计时，对每个对象的颜色、形状都可以按照工艺的要求进行完成。特别是使用图库管理器，在图库管理器中，有诸多仪表、传感器、按钮、指示灯、电气符号、阀门等相关图形，可以选择使用鼠标拖动的方式添加到画面，并且对该对象进行变量的赋值，完成该对象的详细参数设置等。画面设计需要美观大方，可操作性强，能够充分反映当前的系统状态和数据显示。如下图5-7所示。图5-7画面设计图当画面设计大体完成后，需要对某些图形进行变量的动画添加处理，动画都包括闪烁动画、隐含动画、水平移动或垂直移动动画、填充属性对话等。根据不同的图表添加不同的动画，如下图5-8所示。图5-8动画设计对话框当设计到此，所有的组态设计完成，组态设计主要对驱动程序进行添加设计，对变量进行命名，并设置属性，完成变量列表。对系统设计的画面中，对每个指示灯、相关图形进行变量动态设置。当设置成后，系统就可以运行。5.2系统的运行仿真打开仿真软件后，通过VIEW按钮操作，进行系统的仿真运行，具体仿真效果如下分析。图5-9正常状态的仿真图在正常状态时通过温度和烟雾浓度检测，当前正常范围，因此报警器不运行。图5-10区域一的仿真图当区域一温度值大于设定上限值，或者烟雾值大于设定上限值时，将立即启动抽水泵、报