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1、电气火灾预警系统设计摘要错误!未定义书签。1 引言32系统总体方案设计及硬件选型42.1 系统总体方案设计42.2 PLC硬件选型52.2.1 电源模块62.2.2 CPU 模块62.2.3 数字量模块72.2.4 触摸屏72.2.5 温度传感器82.2.6 烟雾传感器模块92.2.7 人体红外传感器模块103电气火灾预警系统的软件设计133.1 软件设计原则133.2 西门子S7-300PLC核心程序设计153.2.1 S7-300PLC 的 I/O点设置163.2.2 核心程序设计173.3 触摸屏设计203.3.1 一楼调试画面203.3.2 温度监控界面203.3.3 参数设置界面21
2、3.3.4 默认变量表224 系统调试234.1 准备234.2 检查线路及设备安装情况23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。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
3、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l-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。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：S-DCIvHeider3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。
4、 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双向指示灯图2.16消防报警器电路板整体实图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
5、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。
6、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
7、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:开始图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
8、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:RUN启动关闭停止温度监测主电源运行烟雾监测电压、电流监测温度过面检测到烟雾果电压、电流值异常报警指示灯闪烁预警系统红外探测应急电源当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PL
9、C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10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FBI块到FB5块，同时还有启动与停止程序。第三层为FBI到FB5,其中FBI块为
10、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FBI块到FB5块所对应的背景数据块。寓SIMATIC Manager -基于plcK巨宅火灾贵善文件(F)编脩E)餐入祝图(V)送项(O) SD(W)器助(H)iff回I ,无过滤)西廷于pk的电气火灾登等-F:BdiduYunDownlodd曾能消防智能消防PLC三国基于plc的电气火灾予寤白国SIWATIC 300站点白圈 CFU 313C日圆 S7程序(1)3席QFB2 口 FC1 O-DB2QCB1 口
11、 FB3 口花2 Q.LB3Q.OMOO 口 FE4 黎FCIOS ODE4口 FBI 口 FBE 口 dbi qDBE321 S7-300PLC 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：温度 A204PIW752 温度 B
12、211PIW754温度 Q03 PI W756温的U10 PIW758启动 100 烟感 A204101烟版11102烟敕20310 3烟感 A110104剩余电流A204 105 剩余电流B211 106 剩余电流Q03 107 剩余电流A110 110 停止 Ill 启动主电源 112复位 113红外输出1114红外输出2115红外输出3116CPU313CSM322设冬运行000报警A204001报警B21152报版20353报警A110Q04主电源QD5应急照明Q06指示灯1Q07指示灯2Q10指示灯3Q11指示灯4Q12指示烬Q13指示灯BQ14指示灯7Q15指示熄Q16指示加Q17
13、指示灯10Q20指示灯11021指示灯12022指示灯13023指示灯14024指示灯15025指示灯16026指示灯17027指示灯18Q30指示灯19031指示灯加032指示灯21033双向指示灯1 64 双向指示灯2 Q3 5 双向指示灯3 Q36 双向指示灯4 Q37 双向指示灯 50双向指示灯6 5124V供电32SM322图3.4 PLCI/O点分配图其中数字量输入点10.0至II.6依次为启动、烟感A204、烟感B2U、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
14、;模拟量输入点PIW752至PIW758 依次为温度A204、温度B211、温度C203、温度AllO; 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AU0、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。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：
15、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420mA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：MOVEEN ENO L#30 -工N OUT -MD150臼程序段2 :标题：MOVEEN ENO L#30 -|lN OUT |-MD 154程序段3 ：标题：MOVEEN ENO L#30 -
16、| IN OUT t-MD 158程序段4：标题：MOVEEN ENO L#30-I OUT -MD 162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。DBZFK2温度、烟雾、手动报警系统ENEH0直.pwtur&A204ffTeinper atureA204-4HTeMper*at*areB211STemper&tu reB211-:fl-pHatareC203#Te
17、mper atu reC203-fleftperatureAllQ#Temper atureA.110 5aokA204格m okeA2O4 -Temp eratu reA204Temp eratu reB211Temp eratu rC203Temp eratu re Al 10SmokeA204VoraingDevi ceA204viceEZHWaritingDevi cC203WarnirigDevic eAl104Var-nin)evisA2O4CTorningDeviceA204flar-iviiigPe viceB211CTarningDs-viceBZllflanuneviceC
18、203CTarrtingDe-vieeC203viceAlLQO ar tli ngD evi ceA.110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4mA20mA）,则输出 为0; OUT为现场信号值，信号类型为实数。房间A204温度#TeperatureA2O4/Temper atu工 “204-1.0
19、00000 e+002-O.OOOOOOe+000-MO.O-02-MD 10FC105Scaling Values*SCEENENOINRET_VALOUTHI_LIKLO_LINBIPOLAR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:4.3 部件编码244.4 检查控制器244.5 编程调试244.6 故障、火警功能检查255系统联合测试与分析265.1 测试思路设计265.1.1 Ste
20、p7编程软件和PLC的通讯设计265.1.2 上位机组态王软件的设计步骤285.1.3 触摸屏网络通讯285.2 实测结果与分析29总结32参考文献333.3触摸屏设计3.3.1 一楼调试画面图3.9 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
21、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 温度监控界面主界面温度监控A.110。4修华体价后司A204#据4仲停司B211华体行/447C203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AllO, A204, B211和C203这四个房间内 变电箱温
22、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 推测各个居间的现有的环境，提前预测火情。A11O3.3.3 参数设置界面主界面温度报警值设置|#住#时C203I # 年I #蚌#1A204B211图311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
23、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 默认变量表小认变量衰名环物播类型连携PLC名坏FIX关勇地址1 2WC3BoolConnection_1田定文A4J2MC4BoolConrwction_tv幸是文41A101BoolConnection_1年是文）HAtl 300A102BoolConnection.,1定义）%M129.01A103BOQlCcnnecaon_l定义AVl129.7HA12873 A1OSBoolConnction_1年定义,129 61A106Bo
24、olConnection_1定义）%M129 5Al07BoolConnecion-l5定义）M129 a1 Al08BoolConnecaon.l伟定义）129.3XU A109BoolCnnection_1定文%M128 5U A110BoolConnoctlon_l丰定义VM128 41aii 0*厦当前fBIntConnection.1才定女上-a ai膜报中值IntConnection.1定义1 Al 11BoolConnection_1侏定义，1A112BoolConnction_l*定文UK128 3A2O1BoolConrctian_1寻定义,tUM3.21 A20ZBoolC
25、onnection_l*定义）1 A2O3BoolConrecrior_i洋定义XMeagd1 22品度当的修IncConnection.1DA2cH 笈IntConnection_1竦是文）MW 52D A2O5BoolConnection_1定义）MC70.JClA206BoolConnecaon_1定义%M49.4g A2O7BoolConnection_1$5 文 ,(WiU9.2A2O8BoalConnoction_t$定文1A209BoolConnection_1侏是火上1A210BoolConnection.,1才定义）M99.0Q A211BoolCcnnecaon_l定义41
26、A212BoolConnection_1江定义Aa_*213BoolConnectlon_1$索文,(1IY)XA(X) th Qiif?王奥图4.1 PLC通讯流程图q 主菜单欢迎使用K羚电子ETH VPI转换器!区复系SW 吨8609M743lei:0755-363214$ Pox：g65%3214 航惧: :豆一#k” . “WB.；图4.2 ETH-MPI转换器登录界面通讯接口(IP/MPI/DP)设置ipi祓特率：回的卯I-1B7.5K是常用设置PLCJPI站号(1. 32/127)ETHFI站号:顾可(0.32/127)基本不用改变果尚卯1站号:叵二 31是常用设置| 瞰 | 即泡
27、 |Link Adapter 7el：0?55-36321498 Fax：0755-3321488Versicn Z 0| 一回主素H -图4.3 ETH-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:2手动报辔All。I .BOOL2手动报警A2 04I .BOOL2手动报警B211I .BOOL2手动报警C203I.BOOL2数据传输系统FB .FB52双向指示灯FB .FB33双向指示灯1Q .BOOL3双向指示灯2Q .BOOL3双向指示灯3Q .BOOL3双向指示灯4Q
28、BOOL3双向指示灯5Q.BOOL3双向指示灯6Q.BOOL3停止I.BOOL3温度、烟雾、?.FE .FB23温度A1L0PIW .INT3温度A2D4PIW .INT4温度B2L1PIW .INT4温度C2CI3PIW .INT4温度与报警2FC .FC4图4.4 PLC变量分布表5.1.2 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
29、 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。5.1.3 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
30、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TP700PLe的IP地址设为192.168.1.99,对西门子300PLe的IP地址设为 192.168.1.100,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5.2 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
31、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：1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
32、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
33、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
34、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”。 g .炉图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：SB百X奸图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
35、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、电气火灭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输。此外，采用EHT-MPI转 换器将PLC的MPI协议转换成以太网协议，然后通过建筑网络系统将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，从而最大程度上避免了信号干 扰等问题。总结电气火灾问题已成为人们当下普遍关注的问题之一,传统电气火灾监控系统虽然在一 定程度上实现了火灾预警，但没有形成子系统之间的信息共享，当火灾发生时，人们不能 在火灾初期及时发现火灾，这就可能导致重大电气火灾的发生。针对该现状，本文设计了 基