《基于PLC的消防报警器设计9700字（论文）》

基于PLC的消防报警器设计TOC\o"1-3"\h\u249821引言 引言近年来，随着中国家用电气设备的不断多样化，各种电路和设备的故障问题变得越来越多，由电路和电气设备引起的电气火灾逐年增加，导致人们的生命危险。电火不断威胁着安全，压力也在不断增加。但是，当前的电气火灾预警系统中的信息共享系统仍不成熟，电气火灾预警能力较弱。发生电气火灾危险时，由于预警信息晚，系统联动不良等原因，会发生电气火灾事故。2017年1月，公安部消防局在《2017年消防工作总体思路和重点工作》通知中强调消防工作要“加快构建基于大数据、依托‘智慧城市’、综治网络社会化消防安全管理平台”等，推动可视化火灾监控系统的建设”。本着提升全民消防“四个能力”和“一懂三会”的具体落实，不仅要结合当前国内消防安全的现状，还要不断提升安全风险预警、告警机制。据统计，2011-2016年，我国电气火灾发生起数达52.4万起，直接经济损失达92亿余元。2017年1月-10月，全国共接报21.9万起火灾事故，其中有7.4万起火灾事故是由于电气故障引发。从引发火灾的直接原因来看，因线路漏电、短路、过负荷以及违反电气安装使用规定而引发的火灾占总量的30.4%。电气火灾的原因往往是多种多样和复杂的，并已成为当今社会和消防部门的重要隐患。中国传统的防止电气火灾的方法是通过配电箱中的各种探测器实时监测接地故障的电流，电压，温度和剩余电流。当参数异常时，检测系统将报警。尽管这种监视设备在一定程度上可以防止发生电气火灾事故，但是从本质上讲，它仍然是一个警报系统，并且不能完全有效地实现火灾预警系统的联动。因此，针对目前的电气火灾预警系统的缺陷，本文设计了一套适用于现有低压配电系统的智能预警系统-“基于PLC的建筑物配电电气火灾预警”。监控彼此独立，预警响应机制落后。该系统以PLC为核心，通过各种传感器对电气火灾故障点进行监控，实现系统联动控制，监控和预警。从源头上控制火灾，为电气火灾的预防提供了很大帮助，真正实现了改造。从“消”到“防”。2系统总体方案设计及硬件选型2.1系统总体方案设计本设计，现场主控采用西门子S7-300PLC，如图4-1所示为系统总体流程图。当出现火警信号时，系统会使用温度，烟雾和其他传感器来判断是否存在危险情况。一旦发生危险情况，信号将被传递到PLC。经PLC处理后，将被传递到上位机配置监控系统。它显示电火信号的位置。当出现并检测到火灾信号时，它将立即发出警报。一方面，听到铃铛和指示灯的声音以提醒人们存在严重状况；另一方面，控制室注意到存在危险状况，并立即检查是否存在错误。相应地对待它。此外，人体红外传感器也将安装在走廊上方。当出现火警信号时，人体的红外传感器会自动开始检测人的位置，同时，将通过网络发送实时显示位置的配置界面。到相应的设备。图2.1系统总体流程图在信息传输方面，由于这次批准的PLC是Siemens313C，尽管它确实具有MPI协议功能，但尚无现成的以太网接口。因此，本文指定了一种EHT-MPI适配器，将PLC的MPI协议转换为以太网协议，然后通过建筑网络系统将PLC，触摸屏和计算机连接起来，形成一个以太网，以实现信息的无阻碍传输。计算机可以使用配置软件更好地监视整个系统。触摸屏可帮助我们更定期地安装，校正和维护设备，以防止电击。图2.2显示了完整的系统图：图2.2系统总体框图该系统还可以根据实时温度进行数据分析，若温度变化异常，系统会进行预报警，提前提醒观测人员，观测人员可调出预报警处的监控系统，检测是否有异常状况发生。2.2PLC硬件选型硬件是系统整体控制的重要组成部分，本设计主控单元采用的是西门子S7-300PLC，主要包括机架、电源（PS）、中央处理器(CPU)、数字量扩展模块(SM321/SM322)、触摸屏、MPI编程线缆、MPI转以太网模块。探测系统则包括温度传感器、烟雾传感器、红外传感器等硬件。如表4-1所示为电气火灾预警系统硬件选型清单：表2.1电气火灾预警系统硬件选型清单序号硬件名称型号1机架RACK-3002电源PS3075A3中央处理器CPU313C4数字量模块SM321/SM3225触摸屏TP7008温度传感器Pt1009烟雾传感器MQ-210红外传感器HC-SR5012.2.1电源模块如图2.3所示：中央机架的1号槽为电源模块（PS），PS307电源模块将AC220V电压转换为DC24V电压，额定输出电流有2A、5A和10A，本设计输出电流为5A。如图2.4所示为电源模块：S7-300、传感器和执行器的供电电压为24V，该电压同时还给输入/输出模块供电。图2.3PLC硬件组成图2.4电源模块2.2.2CPU模块如图2.5所示，2号槽为CPU模块，CPU内的元件封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有模式选择开关，通信接口和状态提示LED灯。本设计采用的是紧凑型S7-300CPU中的CPU313C，具有RUN、STOP、MRES3种运行模式。CPU在RUN（运行模式）下可执行程序并可通过编程软件对设备进行监控；在STOP（停机模式）下不执行程序，但可通过编程软件导出和修改程序。此外，MRES为复位模式，当切换到MRES模式时，可复位存储器，使CPU回到初始状态。本设计选用的CPU313C，包含5个模拟量输入点、2个模拟量输出点、24个数字量输入点和16个数字量输出点。图2.5CPU模块2.2.3数字量模块S7-300PLC的3号槽是接口模块，由于本设计不需要扩展机架，同时机架导轨在现实中是不存在物理槽位的，此时3号槽仍然被实际上并不存在的接口模块所占用，所以CPU模块与4号槽的模块是紧挨在一起的。本设计用了4、5两个槽位，如图2.6所示：数字量输入模块SM321共有16个数字量输入点，置于4号槽；数字量输出模块SM322共有32个数字量输出点，置于5号槽。图2.6SM321和SM322模块2.2.4触摸屏本设计采用的触摸屏是西门子公司的TP700系列，如图2.7所示：TP700具有高分辨率、操作简便等优点，采用WindowsCE系统，且拥有两个USB接口，可接入鼠标，键盘，优盘等外部设备，能使操作者拥有更加智能的操作体验。在通讯方面，TP700支持profibus和modbus协议，能使编程人员能更好操作。图2.7触摸屏2.2.5温度传感器本设计中温度传感器采用Pt100温度传感器，该传感器能将温度变量经处理后转换为标准化输出信号。如图2.8、图2.9所示：该模块主要由传感器和变送器组成。其中，传感器主要由热电偶或热电阻构成；变送器由检测单元、信号处理单元和转换单元组成。变送器采用的是把传感器采集到的温度转换为电流信号并传到PLC上进行转换成数字在组态上显示，它的测量范围是4-20mA，对应着传感器的0-100℃。图2.8Pt100温度传感器图2.9温度变送器Pt100温度传感器与变送器接线如图2.10所示，两根蓝线与红线之间串连着电阻。另外两个接线点负极直接与24V电源负极连接，电源正极则与PLC连接。图2.10Pt100温度传感器与变送器接线本文一共用了4个温度传感器，在PLC上的输出点分别是PIW752、PIW754、PIW756、PIW758。当PLC运行时，Pt100温度传感器测得温度通过温度变送器转化为电流信号传到PLC，经过处理，再转化为温度值在组态上进行显示，当变电箱温度超过设定值，系统就会自动报警。2.2.6烟雾传感器模块本设计中烟雾传感器采用MQ-2气体传感器。如图2.11所示：其气敏材料是二氧化锡，由于二氧化锡的电导率在清洁空气中非常低，当空气中可燃气体的浓度增大时，就会导致传感器的电导率变大，一旦超过设定值，管脚就会输出高电平，产生报警信号。图2.11烟雾传感器其中，输入电压是5V和12V，而输出电压则根据烟雾浓度的高低产生0-5V的模拟量信号，为了使输出的模拟量信号更加稳定，采用PNP三极管作为放大电路，如图2.12所示为烟雾传感器原理图：图2.12烟雾传感器工作原理当输出的电压大于设定值的时候，管脚将输出高电平触发固态继电器闭合，使PLC接收到数字量输入信号，进而触发内部的程序的运行。同时，烟雾传感器模块上还有一个旋钮，可根据自己的需求来扭动旋钮，调节灵敏度大小。2.2.7人体红外传感器模块为了更好的探测建筑物房间内人员的具体位置，本设计中采用的红外传感器模块为HC-SR501人体红外传感器。如图2.13所示：当红外传感器探测到人体红外辐射及温度时，传感器内部就会释放电荷，经电路检测后，一旦房间内有人，电路信号就会传给系统并报警。而火焰产生的则是1-2um的近红外波长，这正好区别人与火焰发出的红外波长，很好的保证了探测的准确性。图2.13红外传感器其中，输入电压是5V和12V，当人进入探测范围时，传感器就会输出高电平。当检测到高电平以后，会触发继电器线圈闭合，使PLC接收到数字量输入信号，继而触发内部的程序的运行。为了使输出的信号更加稳定，采用NPN三极管作放大电路，如图2.14所示为红外传感器原理图：图2.14红外传感器工作原理除上述硬件介绍外，本文还对指示灯做了简单设计，采用的消防指示灯为双向指示灯。如图2.15所示：正常状态下，双向指示灯指向最近的逃生出口。当内部继电器常开触点闭合时，其中一个指示灯灯亮指示逃生出口；当常闭触点闭合时，另一个指示灯亮；发生火灾时，PLC经过运算，双向指示灯指向距离最近且安全的逃生出口。图2.15双向指示灯3电气火灾预警系统的软件设计3.1软件设计原则软件设计是本文的重要组成部分之一，对硬件系统、监控预警系统乃至整个系统的稳定运行都至关重要。本文构建的基于S7-300PLC和组态软件Kingview6.55的电气火灾预警系统，由上位机组态软件进行统一调度和监控等管理,具体硬件探测系统的控制和数据采集功能则由下位机PLC来完成。因此，本文提出以下设计原则：1.稳定性强：由于电气火灾预警系统内部的稳定性受多方面影响，在具体实施过程中难度较大。因此，对电气火灾预警系统中的各子系统的设计尤为重要。在传感器探测系统方面，各硬件与PLC连接时，信号传输存在不稳定性，本文在连接方式上采用加继电器的做法来保证信号的可靠传输。此外，本文对BP算法进行改进，提出基于模糊的改进BP算法，通过大量数据样本训练，能有效增强系统的可靠性与预警的准确性。2.程序简洁：本设计采用西门子Step7软件进行编程。该软件对程序的调用方便快捷，易于操作，并且电气火灾预警系统中的温度、烟雾等程序均可在程序库中直接定义子程序。对整体系统进行编译时，也可以调用子程序，操作起来直观易懂，同时对后期修改奠定了基础。3.通讯稳定：系统的通讯是电气火灾预警系统的核心。由于本次采用的PLC为西门子313C，虽然具有MPI协议功能，但没有现成的以太网接口。因此，本文选取EHT-MPI转换器，将PLC的MPI协议转换成以太网协议，然后通过网络系统将PLC、触摸屏和电脑相连接，构成一个以太网网络，实现信息的无障碍传递。4.监控便捷：本设计在监控预警方面采用组态王Kingview6.55软件。该软件不仅在图形库上具有很大的优势，能直接调用图形，根据不同用户的需求加载更多的图形，而且画质分辨率高，变量设置、参数设置以及函数调用也非常方便。因此，通过该设计能使操作者在运行界面中直观地查看各参数信息以及报警信号，达到了较好的预警目的。通过以上设计原则，本文针对整个系统以及PLC的特点，进行了软件系统流程设计、系统整体设计、系统核心程序设计、上位机设计、触摸屏设计以及各系统的通讯设计。这些设计不仅能使整个系统稳定运行，而且对实现电气火灾智能预警奠定了基础。如图3.1所示为软件系统设计流程图：图3.1软件系统设计流程图如上图所示，系统开机运行后会进行自检，自检通过后，一方面进行程序的编译，另一方面传感器探测系统与PLC可靠连接。当完成硬件连接和编程后，就可以运行程序，通过设定的程序来判定是否有电气故障发生，一旦有险情信号出现，探测系统会自动探测到信号传给PLC，并在组态监控预警系统报警处理。如图3.2所示为系统整体运行框图：图3.2系统运行框图当PLC上电后，先启动主电源，主电源启动后，系统开始运行，这时会在组态软件上对温度、烟雾等故障点进行监测，并通过探测系统对温度、烟雾等值测量，如果各项指标超过程序预先设定的阈值，系统就会报警，并作出相应处理，为电气火灾抢险救灾节约了时间。3.2西门子S7-300PLC核心程序设计电气火灾预警系统不仅依靠上位机组态监控系统、下位机PLC控制系统以及探测系统的良好通讯与连接，程序设计更是整个系统不可或缺的一部分，一个程序设计的是否科学直接关系到整个系统的智能化程度。因此，本文在编程软件方面，采用step7作为编程软件，该软件不仅操作简便，而且程序调用和编译快捷。如图3.3所示，是PLC的所有程序块。其中OB1块为主程序，下面嵌套了三层：第一层是FC1，为监控模块，上面显示了所有IO点。当程序发生故障时，我们可以通过监控FC1块来迅速判断是哪个IO点出了问题，并到对应的程序块进行查找并修复。第二层为FC2，块里放置了启动与停止程序及FB1块到FB5块，同时还有启动与停止程序。第三层为FB1到FB5，其中FB1块为电气火灾预警系统；FB2块为温度、烟雾等测量，用FC105来测量温度；FB3块为一楼指示灯系统；FB4块为红外探测系统；FB5块为温度等历史数据采集系统；DB1块到DB5块分别为FB1块到FB5块所对应的背景数据块。图3.3PLC程序块3.2.1S7-300PLC的I/O点设置由于本设计所用的数字量输入输出点较多，为了更好地在上位机实现控制以及相关的数字量以及模拟量的输入输出点的预留，方便以后硬件以及相关程序，整个系统的监视、控制的添加，所以我们选用S7-300PLC中的CPU313C作为主控单元，同时扩展了两个数字量输出SM322模块，其中第一个数字量输出SM322模块有32个数字量输出点，另一个有16个数字量输出点。如图5-4所示为PLC的I/O点分配图：图3.4PLCI/O点分配图其中数字量输入点I0.0至I1.6依次为启动、烟感A204、烟感B211、烟感C203、烟感A110、剩余电流A204、剩余电流B211、剩余电流C203、剩余电流A110、停止、启动主电源、复位、红外输入1、红外输入2、红外输入3；模拟量输入点PIW752至PIW758依次为温度A204、温度B211、温度C203、温度A110；CPU313C上的数字量输出点Q0.0至Q0.6依次为设备运行、报警A204、报警B211、报警C203、报警A110、主电源、指示灯照明；第一个数字量输出SM322模块的数字量输出点Q0.7至Q3.3为指示灯1至指示灯21。另一个SM322模块上的数字量输出点Q3.4至Q4.1为双向指示灯1至双向指示灯6，Q4.2为24V供电。3.2.2核心程序设计为了达到预防电气火灾的目的，本文针对电气火灾预警系统的特点，对温度、烟雾、漏电流等故障点进行监测和程序编写。如图3.5所示，以温度监测为例：当系统运行时，把温度所设定的报警值传给上位机，PLC设定初始温度，放在OB100里，并且可以通过上位机来进行修改，当PLC重新上电时温度报警值会重新恢复到PLC的初始温度报警值。同时通过变送器把4—20mA电流信号给PLC通过FC105转换成实数再转换成双整数传送到组态和触摸屏上进行显示和监控。本文整体程序在附录中体现，如图3.6所示为故障点的部分程序设计，图3.7所示为模拟量转换部分程序：图3.5温度值监测程序如图3.6所示，当房间内实时温度或烟雾等值达到所设定的报警值，即满足其中一个条件时，系统就会报警，并且应急电源会启动，主电源关闭。如果不按下复位键，那么即使条件已经不满足，系统也会继续报警，直到按下复位键。进行复位后，会停止报警，并且应急电源关闭，主电源会重新启动。图3.6故障点部分报警程序如图3.7所示，FC105是处理模拟量输入的功能块，其中，每个管脚定义如下：IN——模拟量模块的输入量地址；HI_LIM——现场信号的最大量程值；LO_LIM——现场信号的最小量程值；BIPOLA——极性设置，当房间A204现场信号为有极性信号（例如-10V—+10V)，即输出为1，如果现场信号为无极性信号（例如4mA—20mA），则输出为0；OUT为现场信号值，信号类型为实数。图3.7模拟量转换部分程序此外，本文还进行了数据传输程序的设计，PLC给每个房间分配4个寄存器，当系统运行时，每个寄存器的数值都会往下传递，并读入新的实时温度，各房间变电箱的温度数值被传到组态上，由组态进行分析。如图3.8所示为部分数据采集程序：图3.8部分数据采集程序3.3触摸屏设计3.3.1一楼调试画面图3.9一楼调适画面如图3.9所示，是整个系统中的一楼调试画面。众所周知，消防系统对于稳定性的要求非常的高，而真正启动消防系统的概率又非常小，大部分时间内整个消防系统都是处于一个休眠状态，如何保证在其设备不运行的时候还能保证整个系统的可靠性，这是业界的一个难题。为此本文专门设计出一个调试界面，将一楼整个建筑面积以房间的形式划分为若干个区域，并且对房间进行编号，通过号码按钮的触发来模拟各个区域是否有电气火灾险情出现，引导程序来运行报警与消防智能预警的程序，继而触发各个硬件设备。通过这一种形式，定期去模拟火灾的发生，不仅可以检查软件程序是否准确，还可以对硬件设备是否正常运行提供科学的参考依据。3.3.2温度监控界面图3.10温度监控界面如图3.10所示为系统的温度监控界面。温度是监控电气火灾发生的一个重要数据。因此，对温度的采集与显示则是十分必要的。温度监控界面对整个一楼房间变电箱的温度进行远程监控，本设计由于成本考量，只是对A110，A204，B211和C203这四个房间内变电箱温度等参数进行远程采集与触摸屏的显示。通过温度等参数的显示，能够很好的去推测各个房间的现有的环境，提前预测火情。3.3.3参数设置界面图3.11温度报警值界面如图3.11所示，为温度报警值设置界面。在中国的大部分地方，一年四季的温差十分大，如果只是设置一个温度报警值，则具有很大的缺陷。温度值报警设置界面则可以输入自己想要的温度报警值，输入完以后，输入的参数则自动读入到PLC程序当中，温度报警值改变为输入值，并且立即生效，更好的适应整个环境，提高了整个报警系统的柔性。同时，这类型的参数十分重要，为了防止非专业人员的误操作，本文加入了密码验证操作，进行修改的时候，必须先输入账号和密码，两个都正确才能进行修改，否则不能修改，很好的保证了系统的安全性。3.3.4默认变量表图3.12默认变量表如图3.12所示为触摸屏的默认变量表。为了使PLC和触摸屏实现无障碍的信息交换，必须使每一个变量一一对应。下图为整个设计的部分变量信息，其中包含模拟量变量数据和数字量变量数据。每一个变量对应着唯一的一个变量值地址，通过以太网协议，PLC与触摸屏通过这唯一的地址交换数据，实现触摸屏对PLC的远程监控。4系统联合测试与分析为了进一步验证电气火灾预警系统的稳定性，本设计除以上模拟仿真外，还对整个系统进行了联合测试与分析。由于上文已经对整个系统的软件、硬件、通讯等方面进行了详细阐述与设计，因此，本章在实测时，主要阐述测试设计思路和测试结果分析，具体参数以及通讯方式等设置只作简单介绍。4.1测试思路设计本文针对现有实验设备和实验条件，对联合调试部分的设计思路步骤如下：首先是Step7编程软件与PLC的通讯设计；然后对组态王监控预警系统进行步骤阐述与画面测试；最后是对触摸屏的设计。通过这三部分的设计，能很好的实现上位机、下位机以及整个系统的可靠通讯，达到电气火灾预警的目的。4.1.1Step7编程软件和PLC的通讯设计本设计采用MPI转以太网模块来实现编程软件Step7与PLC之间的通讯。首先单击选项—设置PG/PC接口，然后选择ETH-AUTO。如图4.1所示：单击属性进行ETH-MPI转换器的IP地址修改，本文所设的IP地址为http：//00，点击在线测试可以查看所设IP地址是否正确。如图4.2和图4.3所示：打开IE浏览器，输入http：//22，点击参数设置可以查看ETH-MPI的IP地址。图4.1PLC通讯流程图图4.2ETH-MPI转换器登录界面图4.3ETH-MPI转换器设置界面通讯方式设置完成之后，本文对电气火灾预警系统的变量表进行如下设置，包括对温度、烟雾等故障点的变量分配，如图4.4所示为部分PLC变量分配表：图4.4PLC变量分布表4.1.2上位机组态王软件的设计步骤PLC上电运行后，电气火灾预警工程切换到VIEW状态进行系统监控。首先连接数据库，可以对各房间变电箱温度等参数进行记录，本设计将时间定为每6秒自动插入一次记录，点击“查询记录”，可以查询插入的记录。当满足以下三种条件其中一条时便会触发报警，分别为：温度值达到预设值、烟雾传感器被触发或漏电流值达到设定值。若有房间报警，则页面会自动跳入报警房间所在楼层，系统会进行报警，提示观测人员有险情发生，观测人员可打开监控系统，进行查验报警房间变电箱温度值是否过高。报警发生时，双向指示灯指向最近的楼梯或安全出口，红外定位装置启动。若多处发生火灾，则可以在组态上进行指示灯方向的改变。除此之外，根据不同的实验室或不同的季节，还可以输入不同的报警温度，使系统能够更广泛的被运用。同样只有权限高的账户才可以进行改变。4.1.3触摸屏网络通讯本设计为了更好的使各个设备之间实现无障碍与友好的通讯，选择的是工业以太网协议。由于消防行业是一个特种行业，对系统与通讯的稳定性的要求十分之高，而以太网通讯协议则很好的满足了这一点。同时，依托建筑物中原有的网线和交换机等物理通道资源，在网络通讯安全的前提下进行IP设定，如图4.5所示为通讯设置。通讯协议选择以太网通讯，然后对TP700PLC的IP地址设为9，对西门子300PLC的IP地址设为00，使其处于同一个网段上，实现以太网通讯。通过这种做法，既满足了对以太网通讯的物理通道需求，同时还节约了成本，有效的提高了系统的优势。图4.5通讯设置4.2实测结果与分析本文设计的电气火灾预警系统，其科学性不仅在于其理论上的可行性，实际应用则更为重要。由于试验条件限制，只对上述部分参数进行测试。漏电流等其他测试采取上文中设置的点位报警来模拟，灯亮表示电气火灾故障。具体实测过程如下：当PLC上电后，启动主电源（只有在应急电源启动后主电源才会关闭）。系统运行，这时会进行温度等测量，并传到组态和触摸屏上进行显示，通过组态进行监控,如图4.6所示为环境监控界面：图4.6环境监控界面以上信号被采集后，当线路或用电设温度处于额定工作状态下时，系统正常监控，不进行报警，此时的系统正常，绿灯亮。当系统的烟雾浓度值异常，红色灯亮，提醒控制室人员烟雾浓度异常。此外，对房间变电箱漏电流进行监控报警设计，如图4.7所示为电源控制界面，图4.8所示为供电监视界面：图4.7电源控制界面图4.8供电监视界面如上图所示，红灯亮起，表示漏电流异常，监控界面自动跳入报警房间电源监控界面并报警。通过以上实测，进一步验证了本文设计的电气火灾预警系统在火灾没发生或火灾初期具有针对性的预防作用，为人员疏散、财产抢救和避免重特大火灾事故的发生提供了保障，真正做到从“消”到“防”的转变。实测过程中，均按照国家《建筑设计防火规范》、《电气火灾监控系统》等有关标准和规范实施。在传感器探测系统方面，各硬件与PLC连接时，信号传输存在不稳定性，本文在连接方式上采用加继电器的做法来保证信号的可靠传