第五章 火灾自动报警与消防联动控制系统设计
5.1 总体设计。
5.1.1 火灾自动报警与消防联动控制系统设计要求。
火灾是一种发生频率非常高的灾害，随时随地都可能发生。它不但可以在短时间内烧毁很多财产和物品，严重时能威胁到人们的生命。对于高楼层，万一发生火灾，灭火难度比低层住宅区要难的多，在人员疏散，财产抢救、联系救援人员方面也十分困难。因此，按照国家的相关规定，创新性设计了电气火灾监控报警系统，该系统能够对整个高层学生公寓的电气火灾状况进行实时监控，同时报警；然后又创新性地设计出了消防联动系统，能够有效的对火灾现场进行控制，能够迅速扑灭火灾，把火灾造成的危害降到最低[39].
本次建筑采用集中报警系统，该校的学生住宅是二级保护对象。以下是对整座学生公寓的消防报警系统总体设计：
（1）设置消防控制中心，用于对整个大学生的公寓楼进行消防联动控制和火灾监测。
（2）对于报警回路本次设计采用二总线制，各层的线路是由耐火桥架引入的。
对于重要的消防广播线以及各层联动控制线都是穿在钢管里，反之火灾发生时会被烧掉。
（3）选用感烟探测器，或者感温探测器，单单就探测器安装而言，本次设计选取了吸顶方来进行安装，鉴于报警按钮是非常重要的，本次设计就选取暗装的方式，按钮距离地面 1.5 米，按钮的每个之间距离不超过三十米的设置原则进行安装，最后对于消防模块，采用现场定位方式。
（4）与正常广播结合，对于重要的消防广播系统的设定需要符合相关的规范，当火灾发生的时候，由正常广播强制切换到火灾广播。当学生公寓发生火灾的时候，消防广播经从火灾发生的地方向上下层传播。对于消防扬声器的选择功率不能太多，大多数选择 3W,对于扬声器的安装，无吊顶处悬挂，对于有吊顶选用嵌入式安装。
安装高度一般选择 2.5 米。
（5）安装消防电话。
（6）为了提高安全，选取耐火或者具有阻燃功能材料的电缆对末端来进行切换，穿钢管暗敷设，全部选取双路给消防用电设备进行供电。
（7）对应急照明系统设置也非常重要，当火灾发生时可以通过应急照明逃离火灾现场，出口指示灯、疏散指示灯都是照明系统里的，对于照明系统还应该具有备用照明。对于这些应急照明系统所用到的电源必须进行双路切换。
（8）联动控制：对于消防联动的设备控制既可以采用手动也可以自动方式，然而可以在控制中心选择多线制对排烟机以及消火栓泵可以直接选取手动控制方式进行控制。当火灾发生时候，按照需求启动每种消防设备，使电梯快速迫降，还能切断和消防设备一切无关的电源。
5.1.2 火灾自动报警与消防联动系统。
作为建筑设备当中的一个独立的子系统的火灾报警和消防联动系统。它在智能化建筑行业之中占有非常重要的地位，这主要是随着人口增多，土地资源有限，从而导致高层建筑越来越多。对于高层建设，由于居住的人口众多，而且还密集，同时不可忽视的是具有大量设备，当然用电量很多的，火灾发生的概率自然也相当的高。现在的智能性建筑大多数都采用多种先进的技术，先进的设备，智能建筑的设备明细相比较来说传统的建筑造价高得不是一星半点。当遇到火灾发生的时候，智能建筑损失会更多。
本系统的主要功能之一是可以对火灾情况进行探测，当火灾发生时能够快速并且准确地找到火灾发生的地方和具体位置，同时将获得消息迅速传达消防控制室，然后通过消防控制室发布一系列指令，迅速启动火灾附近的所有灭火设备，现行消防功能。
其系统主要组成。
本次防火预警联动系统保护的是高层学生公寓，工程的规模之大。主体设计是遵循《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95,2005 年版）而设计的，遵循《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》（GB50067-97）来设计地下室部分[40]
.对于甲方所提出的要求，本次消防控制室根据要求被设置在 1#楼首层，这个消防控制室和室外出口相通，消防控制门向外开。对于本次设计的自动火灾报警与联动控制系统，釆用总线制方式，报警则通过控制中心以此实现。
鉴于本学生公寓的规模非常之大，我们选取总线制模块来控制消防设备，控制及监测如防排烟风机、消防水泵、防火卷帘、和防排烟阀等的工作状态。学生公寓地下室的消防设备是很多的，对于那些很重要的消防设备均选取现场模块进行自动控制，自动控制的消防设备如喷淋水泵、消防水泵等，为了安全考虑，在消防控制室，可以采用紧急手动制动。对于这些自动控制的消防设备所获取的型号都必须经过反馈信号返回到消防控制中心。
1.火灾发生时，报警器会立刻报警，消防控制中心得到控制信号会立即采取下面控制步骤：
（1）立即将火灾附近空调送风系统关闭，关闭电动防火阀并且能顺利结束返回信号。
（2）将消防设备的防排烟阀和防排烟风机开启，并能顺利接收其返回的控制信号。
（3）接收火灾发生时关闭电动防火门的反馈信号。
（4）为了阻断火源，需要对卷帘进行控制，当防火卷帘下降到底部的时候，能够接收到相应的返回信号。
（5）自动和手动控制开启疏散应急照明信号为了疏散人群，需要开启应急照明信号灯来散人群，并接收返回信号。
2.当学生公寓建筑里确实发生火灾后，下面所描述的是消防控制中心联动：
（1）火灾发生自动或者手动开启原先设定好的程序、将应急火灾广播以及声光报警器关掉，同时要把这些状态显示出来，如应急、预定广播等；（2）对于电梯的控制，当火灾确定发生后，将学生公寓里的电梯无论当时处在哪层都将它降到第一层，还要把它的返回信号能够正确接收；（3）还要将那些非消防电源关闭信号返回到控制中心。
3.针对湿式自动喷淋灭火系统来说：当火灾发生后，自动或者手动开启喷淋阀，对于报警系统，不讲水流指示器显示出来，控制中心还能将这些运行和故障的状态显示出来，如喷淋浴、信号阀等设备。
4.对于学生公寓里边的智能型喷水系统来说：当探测器把火灾发生信号传给喷水灭火系统，紧接着发出声光报警的信号，接着将自动开启供水系统（本工程中，是和喷淋泵合一起用的）和以及打开相应的电磁阀，对于供水状态和电磁阀状态能够被报警系统监测到；5.消火栓系统：发生火灾后，立即手动或者自动打开消火栓粟，对于报警系统也要能够监测到它们地运行状态；6.变配电所及发电机房将采用气体灭火系统：消防中心可以手动或者自动控制该系统的工作状态；7.消防中心能够正确清楚地将应急广播状态的广播分区显示出来；8.消防控制室可以通过预先设置的逻辑信号自动控制广播分区，对于应急广播系统，当火灾发生后可以手动或者自动控制应急广播系统，同时还要进行对应急广播录音。
5.2 主控器和火灾检测元件的选择。
5.2.1 主控制器的选择。
1.PLC 的物理结构。
根据硬件结构的不同，可以把 PLC 分成两类：整体式 PLC 和模块式 PLC.
（1）整体式。
整体式又称为单元式或箱体式，它是将电源、CPU 模块和 I/O 模块集中安装在一个固定的箱状机壳的里面，因此结构是相当紧凑的。通常来说小型的 PLC 均能选取整体式的构造，原因是不仅它的体积小，而且价格低廉，很划算，图 5-2 是三菱公司的 FX2N 系列 PLC.
整体式的 PLC 正常来说配备着相当多的独立的特殊功能模块，例如说模拟量 I/O单元或者位置控制模块和通信模块等，这样一来 PLC 的功能得到了进一步地扩展。
FX 系列的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和深度都基本相同，但是宽度不同。
（2）模块式 PLC.
大、中型 PLC（例如西门子的 S7-400 系列）通常都采用模块式结构。模块式 PLC一般采用搭积木的方法来构成系统，这是由机架和模块组成。
通常情况下 PLC 厂家都有不同槽数的机架用来让用户挑选，若一个机架容纳不下挑选的模块，就可以增加一个或数个扩展机架，各机架之间一般采用 I/O 扩展电缆连接，然而有一些 PLC 则需要通过接口模块连接各机架。
用户能挑选不同档次的 CPU 模块、品种众多的 I/O 模块和特殊功能模块，因此对硬件配置比较容易选择，当维修时更换模块也非常方便。
综上所述，本工程主控芯片选择模块式 PLC S7-400.
2.PLC 硬件结构。
PLC 本质上是一种特别针对用于工业控制的通用计算机的，它的硬件构造差不多和微型计算机相似，主要由以下几大部分组成：中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出接口电路（I/O 接口）和电源及编程设备等。PLC 的硬件结构框图如图 5-4 所示。
（1）中央处理单元（CPU）。
与通用的微机一样，PLC 的中枢主要是 CPU.常用 CPU 有三类：通用微处理器、单片微处理器、和位片式微处理器，而在本设计中的 CPU 的选取时根据 PLC 的具体需要所选定的。在选择小型 PLC 时，我们通常会采用 8 位通用微处理器或单片微处理器。当选择中型可编程控制器时，对于微处理器选择我们往往选择 16 位。对于我们选择大型可编程控制器时，微处理器的选择我们通常使用高速位片式。
CPU 可以根据系统程序赋予的功能来指挥 PLC 正常工作，可编程控制器主要完成以下几个工作：
1）接收从编程器输入的用户程序和数据。
2）首先逐条读取存储器用户程序，然后经过解释后执行。
3）首先检查 PLC 内部电路、电源是否正常运行，并且要对编程中的语法错误等进行诊断。
4）首先通过输入接口接收现场的状态以及数据，然后存入数据寄存器或输入映象寄存器中。
5）将设计运行，现在我们按照执行的结果，对输出映象寄存器的内容以及标志位的状态进行更新，从而达到通过输出单元来实现输出控制的目的。甚至还有一些PLC 还有制表打印和数据通信等功能。
（2）存储器通常情况下，我们可以将存储器分为可读/写操作的随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM、EPROM 、PROM 和 EEPROM.在 PLC 中，存储器主要是用来实现存放工作数据、系统程序和用户程序的功能。
由于用户不能直接联系系统程序、工作数据，所以在 PLC 产品样本中所涉及的存储器是指用户程序存储器。当 PLC 的用户存储器容量不足以保证系统正常运行时，很多 PLC 甚至还提供了额外的存储器扩展功能。
（3）输入/输出单元通常，我们也将输入/输出单元叫作 I/O 单元或 I/O 模块。它主要实现 PLC 与工业生产现场之间的连接。当系统开始正常工作时，首先 PLC 先通过输入接口检测被控对象的数据，然后将这些数据作为 PLC 控制的依据。最后 PLC 通过输出接口将处理结果发送给被控制对象，从而达到控制目的。
针对不同用户的需求，PLC 还设计出多种可操作电平和拥有不同驱动能力的 I/O接口。I/O 接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。
5.2.2 火灾检测元件的选择。
一、火灾探测器的选择：
1.选择点型火灾探测器：
在下面几种场所，我们通常会选择点型感烟探测器（1）档案库、书库等；（2）楼梯、走道、电梯机房等；（3）有可能发生电气火灾的场所：
（4）通讯机房、电子计算机房、电影或电视放映室等；（5）卧室、饭店、旅馆、教学楼、办公室的厅堂、办公室等。
2.选择感温探测器。
在下面几种场所，我们通常会选择感温探测器（1）吸烟室；（2）容易发生无烟火灾的场所；（3）一般都会有大量粉尘的场所；（4）相对湿度总是大于 95%的场所；（5）厨房、锅炉房、烘干车间、发电机房等；（6）在通常情况下，经常会有烟和蒸汽滞留的场所；（7）一般不安装感烟探测器的厅堂以及公共场所。
在本设计中，首先按照火灾探测器的规定，我们可以在超市、走廊、电梯间、弱电机房以及消防控制室等场所都选用点型感烟探测器，而在卫生间、水泵房、地下车库、食堂操作间等则采用感温探测器。
二、火灾探测器的设置。
1.火灾探测器的设置部位。
（1）在单独划成探测区域的楼梯间，我们就需要每隔 2~3 层就安装一个火灾探测器。
（2）在设计电缆竖井配合竖井的防火分隔时，我们就需要在建筑每隔 2~3 层或每层处安装一个火灾探测器。
（3）我们应该将前室（包括防烟楼梯间前室、消防电梯前室、防烟楼梯与消防电梯间合用的前室）和走道分别划分成单独探测区域，特别是前室与疏散楼梯间、电梯竖井。由于这是人员疏散和消防救火的必经之地，所以我们必须安装火灾探测器。
（4）必须在电梯机房安装火灾探测器，其主要原因如下：
1）电梯竖井必须要开孔；2）电梯机房发生火灾的概率比较高；3）电梯是一种非常重要的垂直交通工具。
2.火灾探测器的设置数量与布局。
在设计火灾探测器时，我们需要考虑设置和布局合理性、科学性以及经济等因素。
在设计过程中，我们不仅要做到有效探测火灾，又要大大节省火灾探测器的数量。当安装火灾探测器时，我们应该满足以下几个条件：
点型火灾探测器的设置数量和布局（1）在探测区域内每个房间至少需要安装一只火灾探测器；（2）感温或感烟火灾探测器的保护半径R 和保护面积A 以及安装间距应按照表5-1 来进行安装；（3）一个探测区域内需要安装的探测器数量应按公式（5-1）来计算。
N ≥ S / （ K × A），N ≥ 1（取整数） （5-1）式中：A --探测器的保护面积（平方米）；S --探测区域的总面积（平方米）；N --一个探测区域内所有需要安装的探测器数量，单位为只；K --修正系数，需要特别注意的是特级保护对象通常采用 0.7~0.8,一级保护对象通常采用 0.8~0.9,二级保护对象通常采用 0.9~1.0.
下面我们通过举例来简要说明本次设计。在该高层公寓楼中，我们可以知道超市面积 S 为 9002m ,下面可以通过探测器选择规范来选择感烟探测器计算数量
我们需要将计算结果取整数，即选一只探测器。需要格外注意的是该探测器布置在屋子的中心位置。详细设计可见附录超市消防平面图。
