基于PLC的火灾自动报警系统【文献综述】

毕业论文文献综述

机械设计制造及其自动化

基于PLC的火灾自动报警系统

1、研究背景

1999年我国实行大规模的高校扩招以来，学生数量迅速膨胀，学校宿舍紧张促使了大量密集型学生公寓的建造。然而, 现行的《建筑防火设计规范》[1]和《高层民用建筑防火设计规范》[2]中涉及学生公寓的条款并不完善, 因此，目前我国高校学生公寓在设计上仅遵循普通民用住宅的防火设计相关规定, 脱离大学公寓的实际特点[3]。

现在的学生公寓与以前相比变化很大, 设施更加齐全, 环境更加舒适, 但潜在的火灾隐患也更大，具体表现为[4]：

（1）存在大量可燃物。学生公寓虽然大都是钢筋混凝土结构,但室内设施和陈设用具,如电脑等电器、木材、棉和纸制品等,这些都是可燃物,增加了建筑物内的火灾荷载。一旦发生火灾，难以有效及时扑灭，造成经济上的重大损失。

（2）人员密集,易造成重大伤亡。现在学生公寓,一般一个房间住4~8名学生,一座公寓往往住几百名学生。一旦发生火灾，难以及时疏散学生；而且,由于烟雾弥漫、心理紧张,容易引发恐慌，甚至发生踩踏事件。

学生公寓的防火形式如此严峻，因此对高校学生公寓的火灾发现、早控制是实在必行的。

2、概述

2.1 火灾报警系统概述

2.1.1 火灾报警系统

火灾自动报警系统是集自动报警、安全疏散诱导、系统过程显示等功能于一身的完整的控制系统，是为了早期发现火灾，并及时采取有效措施，控制和扑灭火灾，而设置在建筑物中或其他场所内的一种自动消防设施，是人类同火灾作斗争的有力工具。火灾自动报警系统作为火灾的先期预报，为及时扑灭火灾、保障人身财产安全起到了不可替代的作用。

火灾自动报警系统，一般是由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成[5]。

火灾探测器是探测火灾的设备。火灾探测器通过对火灾发生时产生的烟雾、温度变化和火光等现象进行检测，并转化成电信号，输送给控制单元，从而启动自动灭火系统，及时扑灭火灾。

区域报警器能将所在楼层的探测器（各种火灾报警器、手动报警、或者其他探测探测单元）发出的信号转变为声光报警，并在屏幕上显示火灾的房间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器输出信号或者控制自动灭火系统。

1 集中报警是将接收到区域报警控制器输出的信号以光电方式显示出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用专用的电话，还可以迅速发出指示向消防队报警。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。

2.1.2 火灾探测器

火灾探测器是将火灾中表现的物理现象特征，利用传感元件进行检测，将其转化成电信号。火灾探测器种类繁多。常见火灾传感器类型、优缺点、适用范围见表2-1。

表2-1 常用火灾传感器对比表

探测器型 性能特点 适用范围 备注

点型离子感烟探测器 灵敏度高, 历史悠久技术成熟性能稳定, 对阻燃火的反应最灵敏 宾馆客房、办公楼、图书馆、影剧院、邮政大楼等公共场所

点型光电感烟探测器 灵敏度高, 对湿热气流扰动大的场所适应性好 宾馆客房、办公楼、图书馆、影剧院、邮政大楼等公共场所 易受电磁干扰,散射光型黑烟不灵敏

红外光束[ 激光]

线型感烟探测器 探测范围大, 可靠性环境适应性好 会展中心、演播大厅、大会堂、体育馆、影剧院等无遮挡大空间。 易受红外、紫外光干扰;

探测视线易被遮挡

点型感温探测器 性能稳定可靠性环境适应性好 厨房、锅炉间、地下车库、吸烟室等 造价较高安装维护不便

缆式线型感温探测器 性能稳定可靠性环境适应性好

电气电缆井、变配电装置、各种带式传送机构等 造价较高, 安装维护不便易受阳光和其它.

火焰探测器 对明火反应迅速,探测范围宽广

各种燃油机房, 油料储藏库等火灾时有强烈火焰和少量烟热场所 光源干扰；探测遮挡, 镜头易被染

复合探测器 综合探测火灾时的烟雾温度信号探测准确可靠性高 装有联动装置系统等单一探测器不能确认火灾的场所 价格贵, 成本高

由表可见，火灾探测器按照标准不同可进行不同的分类[6]：

2 （1）按探测算法分：

① 接触式探测器：指通过对火灾燃烧过程中产生的物质的物理变化（如物质的浓度，温度）来检测火情。

② 非接触探测器探测：指通过对火灾燃烧过程中产生非接触探测的物质的物理特性变化（如物质的浓度，温度）来检测火情。

（2）按结构造型分类分：

① 点型传感器：对空间内某一点进行探测，对该点附近的火灾的物理和化学现在产生的变化进行响应的探测器。

② 线型传感器：对空间内某一段连续线路进行探测，对其周围发生火灾时的物理和化学变化进行响应的探测器。

（3）按对不同的火灾参量响应以及不同的响应方法分：

① 感烟式火灾传感器

感烟式火灾传感器是对探测范围内某点或者某一线路进行探测，当其周围火灾发生时对烟雾浓度参量做出响应的探测器。其原理是：使用一个小型传感器来响应空气中的悬浮的烟雾粒子和气溶粒子。当火灾发生时，随着烟雾粒子的浓度加大，使传感器物理效应发生变化，并将物理变化转化成电信号。按其形式的不同，可分为：离子式、电式、电容式、光束型、激光束型。

其中离子式火灾传感器灵敏度高, 历史悠久、技术成熟性能稳定,对阻燃火的反应最灵敏，应用范围广泛。离子式感烟传感器是点型探测器，离子感烟探测器利用放射性元素产生的射线，使空气电离产生微电流来检测，目前大部分离子感烟探测器采用单源双室工作，即采用一个放射源，两个工作室；一个为参考室，一个为探测室，没有烟进入探测室时，两室的微电流平衡， 当烟雾进入探测时，探测室电流发生变化， 破坏平衡， 传感器将检测到的信号送到一个正反馈电路， 产生报警输出。

② 感温式火灾传感器

感温式火灾传感器探测范围内某点或者某一线路进行探测，当其周围发生火灾时对温度变化进行响应的传感器。其原理是：利用热敏元件对周围温度进行温度响应，当温度达到或者温度上升速率大于预定值时，将其物理参数转化成电信号，结构见图2-1。

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图2-1 感温式火灾传感器结构图

感温式火灾传感器又可根据对信号的处理分为：

a.定温式火灾报警传感器是指在火灾发生时，对温度上升到预定响应值进行响应的传感器。

b.差温式火灾报警传感器是指在火灾发生时，对温度的上升速率超过一定的响应值进行响应的传感器。

c.差定温式火灾报警传感器是指在火灾发生时，温度上升到预定响应值或者温度的上升速率超过一定的响应值进行响应的传感器。

③ 感光式火灾传感器

感光式火灾传感器是指对扩散火焰燃烧的光照强度和火焰闪烁频率进行响应的火灾报警器。

④ 气体检测式

气体检测式火灾传感器是指对单一或者多种可燃气体浓度响应的探测器

⑤ 复合式

复合式火灾传感器是指对两种或者两种以上的火灾参数进行响应的探测器，有感烟感温式、感温感光式、感烟感光式等。

2.1.3 PLC可编程控制器

PLC（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程[7]。

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，由CPU、存储器、输入/输出接口电路、电源、接口

4 电路、外设接口和编程器等组成。PLC工作过程如图2-2。当CPU处于停止状态时，重复内部处理和通讯服务两阶段；当CPU处于运行状态时,从自诊断到输入处理阶段，并执行输入处理、用户程序执行和输出处理三阶段，一直一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，直到停机或者处于停止状态。[8]

接通电源内部处理通信服务自诊断输入处理程序执行输出处理停机处理运行停止不正常正常停机不停机

图2-2 PLC工作示意图

2.2 国内外研究现状

20世纪初，随着科技技术的发展，开始了泡沫灭火剂的研制；同时，建筑结构及材料的防火技术也逐渐成为一个重要的研究领域。

本世纪中期以来，消防技术也取得了很大的进步；物理学、燃烧学、流体力学和计算机技术等学科的进展，为开展火灾形成机理和成灾规律的研究提供了条件。

本世纪50年代，美国哈佛大学的艾蒙斯(H.W.Enunons)教授提出了火灾模化的理论，为火灾科学的建立奠定了基础。1984年，英国爱丁堡大学庄斯戴尔(D.Drysdale)出版了专著《火灾动力学》，第一次对火灾科学的理论体系进行了系统的阐述。这便是现代高层消防报警系统前身。[]李哲明《基于PLC的楼宇消防系统》河南农业大学河南农业大学理学院本科毕业设计

本世纪50年代至70年代，感烟火灾探测器出现，灵敏度比感温探测器大大提高。

随着现代科技的发展，人们把电子技术应用到防火系统。发明了早期的火灾报警系统。二十世纪80年代初，推出了新一代全新火灾报警控制系统。该系统有智能集中于控制器，当探测器输出模拟信号，由控制器对这些信号进行处理，判断是否发生火灾。它不仅解决了由于探测零点漂移而引起的非真实可靠探测的问题和探测器检查问题，而且提高了系统的抗干扰性，增加了可靠性。

我国的消防技术的研究起步于1956年，从1980年开始了消防报警系统设备的研究，经过近二十年的发展，国内的火灾报警系统也经历了从多线制到总线制的发展过程。由于我国消防报警设备起步较晚，技术一直落后于国外，因资金缺乏，国内生产消防报警设备的工厂、公司缺乏先进的火焰燃烧实验室，使得对火灾从初期阴燃到明火燃烧的数学模型及不同物质燃烧的状态、机理研究甚少，

5 从而只能走引进—国产化—仿制—自行开发的道路，故在进入九十年代后各厂家纷纷以引进技术或合资等形式来提高自己的竞争能力。[9]

经过几年的发展到九十年代末， 随着国家对减灾、防灾的逐渐重视，火灾自动报警系统、消防广播、消防电源、及相关配套产品的生产厂家开始增多。其中以秦皇岛海湾、北京利达、北京国泰怡安为代表的国产品牌逐步发展壮大起来。国产火灾自动报警控制器已出现大屏幕彩色液晶汉字显示、汉字CRT显示系统。用户界面多采用VB或C语言等高级语言进行编制，使用方便、直观。两总线、RS232、RS485、CAN等现场总线已经普及，可与计算机进行联网实现现场编程。同时根据场地不同，不同工作方式的系统也已使用，如无线火灾自动报警系统，空气取样火灾自动报警系统等，设备容量也有小系统（500点）、中型系统（500至2000点）、大型系统（3000点以上）等多种型号。设备普遍具有体积小、容量大、传输速度快、误报率低、可联动设备多等特点。[10]

经过数十年的发展，随着科学技术的不断更新，如今火灾自动报警系统开始向小型化，网络化和智能化发展。赵涛等人[11]基于单片机的火灾报警系统进行了研究，并得出了该火灾系统可以成功的用单片机实现，该系统具有报警灵敏、自动报警、实用价值高、成本及其维护费用低等特点，但无法实时通知报警通信。罗宇舟等人[12]基于短信对高校宿舍智能火灾报警系统进行了研究，克服了实时通信问题，并确保报警系统报警准确迅速、可靠性高。应用短信技术来传输数据，只需GSM的终端模块，成本较低，但由于采用传统的报警系统，使得误报率较高。姚畅等人[13]基于神经网络的传感器对火灾报警系统进行了研究，经过改进的火灾报警系统能准确的识别各个火灾信号，有效减少了误报。