基于PLC技術(shù)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘要：現(xiàn)代建筑的復(fù)雜性使得傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性上顯得不足。探討了PLC技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了一種基于PLC的設(shè)計(jì)方案，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的火災(zāi)檢測和報(bào)警。案例分析顯示，PLC技術(shù)能提升響應(yīng)速度，減少誤報(bào)，并與智能建筑管理系統(tǒng)集成。PLC技術(shù)的優(yōu)勢在于其靈活性、數(shù)據(jù)處理能力、易維護(hù)性和通信技術(shù)兼容性。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；安全監(jiān)控

中圖分類號：X913.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）07-0004-03

火災(zāi)會(huì)對人類社會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著城市化的發(fā)展，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也在上升。傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)雖有作用，但存在響應(yīng)慢、可靠性不足等問題。PLC（可編程邏輯控制器，Programmable Logic Controller的縮寫）技術(shù)的應(yīng)用為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的智能化提供了新機(jī)會(huì)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性，有助于提升消防安全管理成效，降低火災(zāi)發(fā)生率和損失。本研究通過案例分析，探討PLC技術(shù)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用，評估其對提升消防安全的貢獻(xiàn)，并為智能消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新思路。

1 PLC技術(shù)概覽

PLC是一種專為應(yīng)對工業(yè)環(huán)境挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的數(shù)字化運(yùn)算與控制電子裝置，能夠在多種控制場景下發(fā)揮效能[1]。其特性包括編程的靈活性、高度的抗干擾能力、便捷的維護(hù)及擴(kuò)展?jié)摿?。通過編程存儲器，PLC能存儲并執(zhí)行涵蓋邏輯運(yùn)算、序列控制、時(shí)間控制、計(jì)數(shù)及基礎(chǔ)算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)的指令集，借助數(shù)字及模擬輸入輸出接口，有效地監(jiān)管各式機(jī)械設(shè)備運(yùn)作或生產(chǎn)流程[2]。一個(gè)典型的PLC系統(tǒng)由中央處理器（CPU）、輸入/輸出模塊（I/O）、電源模塊、編程工具、通信接口和人機(jī)交互界面（HMI）等關(guān)鍵組件組成。

PLC運(yùn)用了一種稱為“順序掃描并循環(huán)迭代”的機(jī)制來執(zhí)行其功能。一旦PLC控制系統(tǒng)啟動(dòng)，其運(yùn)行流程可細(xì)分為三個(gè)關(guān)鍵步驟：輸入數(shù)據(jù)采集、用戶程序執(zhí)行及輸出狀態(tài)更新，這一整套流程構(gòu)成一個(gè)完整的掃描周期[3]。

2 PLC技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1" 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的定義

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是探測火災(zāi)早期特征、發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號，為人員疏散、防止火災(zāi)蔓延和啟動(dòng)自動(dòng)滅火設(shè)備提供控制與指示的消防系統(tǒng)[4]。

2.2" PLC技術(shù)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢

傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)多依賴于簡單的開關(guān)信號，而現(xiàn)代建筑的復(fù)雜性要求報(bào)警系統(tǒng)具備更高的智能化和自動(dòng)化水平。PLC技術(shù)之所以能在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，主要是因?yàn)樗目删幊绦苑浅?qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，而且具備高效的數(shù)據(jù)處理能力。

2.3" PLC技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能

PLC技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中，主要是要實(shí)現(xiàn)以下關(guān)鍵功能：

2.3.1" 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)具備高速的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崟r(shí)接收和處理來自傳感器的數(shù)據(jù)信息。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和處理算法，確保報(bào)警決策能快速和準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。

2.3.2" 智能火災(zāi)判斷算法

系統(tǒng)采用比較先進(jìn)的算法，如機(jī)器學(xué)習(xí)（SVM、隨機(jī)森林等）和模式識別技術(shù)，甚至更高級的基于決策樹的XGBoost算法等，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，智能識別火災(zāi)模式，有效區(qū)分火災(zāi)信號和日常環(huán)境變化，以減少誤報(bào)[5]。

2.3.3" 自適應(yīng)控制策略

系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的環(huán)境變化和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)。例如，當(dāng)系統(tǒng)檢測到煙霧濃度上升時(shí)，能夠自動(dòng)提高傳感器的靈敏度，以縮短其響應(yīng)時(shí)間。

2.3.4" 聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)

基于PLC的聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與其他消防系統(tǒng)的集成。在接收到火災(zāi)警報(bào)信號之后，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)或依據(jù)手動(dòng)指令激活關(guān)聯(lián)的消防設(shè)施，如自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、防排煙控制系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)等，并實(shí)時(shí)顯示這些設(shè)施的工作狀態(tài)[6]。

2.3.5" 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

系統(tǒng)支持多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通常采用RS-232接口的異步串行通信方式，可以實(shí)現(xiàn)與消防控制中心、智能建筑管理系統(tǒng)等的互聯(lián)互通[7]。這不僅便于遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，也為數(shù)據(jù)分析和決策提供了更廣闊的視野。

2.3.6" 容錯(cuò)和冗余設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮了容錯(cuò)機(jī)制，關(guān)鍵組件如PLC控制器和傳感器網(wǎng)絡(luò)具備冗余配置，確保在部分系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，整體功能不受影響。

2.4" 基于PLC的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的組成

基于PLC的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是一個(gè)高度集成化的智能監(jiān)控解決方案，一般來說，其組成包含傳感器、PLC控制器、執(zhí)行器和用戶界面等。

2.5" 系統(tǒng)工作流程

部署在關(guān)鍵區(qū)域的感煙（或感溫）探測器，實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中的煙霧和溫度變化。一旦檢測到異常，它會(huì)立即將信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將信號發(fā)送至PLC控制中心。PLC接收到信號后，便會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯程序進(jìn)行分析和判斷，并做出決策，如果確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生，PLC將按預(yù)設(shè)的程序聯(lián)動(dòng)一系列的設(shè)備。并實(shí)時(shí)記錄火災(zāi)信息和系統(tǒng)響應(yīng)情況，反饋至消防控制中心。

3 基于PLC技術(shù)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1" 設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則

本設(shè)計(jì)旨在構(gòu)建一個(gè)高效、可靠的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，其核心目標(biāo)為高度可靠性、響應(yīng)快速性和易于維護(hù)性。

在設(shè)計(jì)過程中，遵循“模塊化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化接口、可以用戶定制、安全性優(yōu)先”等設(shè)計(jì)原則，以確保系統(tǒng)的良好性能和可持續(xù)發(fā)展。

3.2" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

基于PLC的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先需要構(gòu)建一個(gè)靈活且高效的系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)架構(gòu)包括多個(gè)層級，以此實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的快速監(jiān)測、智能分析決策、及時(shí)報(bào)警和有效應(yīng)對。

傳感器層是由感煙探測器、感溫探測器、火焰探測器和氣體探測器等多種探測器所組成[8]。

控制層是系統(tǒng)的核心層，由PLC單元組成。PLC單元接收來自傳感器層的信號，并根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯和算法進(jìn)行處置。

執(zhí)行層包括警報(bào)裝置、聯(lián)動(dòng)控制設(shè)備等。當(dāng)控制層檢測到火災(zāi)信號并做出判斷后，執(zhí)行層將啟動(dòng)相應(yīng)的警報(bào)和滅火措施。

通信層則負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部各層之間的數(shù)據(jù)交換，以及跟外部監(jiān)控中心或消防部門進(jìn)行通信?，F(xiàn)在PLC通常都具備以太網(wǎng)、無線網(wǎng)等多種通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

3.3" 創(chuàng)新性技術(shù)集成

探索將最新的技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)分析和人工智能（AI），集成到火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)的智能化和預(yù)測能力，這些是未來的發(fā)展方向[9]。

4 實(shí)際案例分析

4.1" 應(yīng)用場景描述

本研究在三種典型的應(yīng)用場景中部署并測試了基于PLC的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，以評估其實(shí)際應(yīng)用效能。

一是商業(yè)中心。某大型購物中心，面積達(dá)15000m2，部署了西門子S7-1200 PLC控制器和300個(gè)地址編碼的感煙探測器，確保了對所有商鋪和公共區(qū)域的全面覆蓋[10]。

二是高層住宅。在一座25層的高層住宅樓中，安裝了250個(gè)霍尼韋爾JA-10系列感煙探測器，以及100個(gè)感溫探測器，實(shí)現(xiàn)了對住宅單元、電梯廳和樓梯間的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

三是工業(yè)廠房。在一家化工原料制造廠，考慮到易燃易爆物品和特殊環(huán)境因素，安裝了200個(gè)吸氣式感煙探測器，以及50個(gè)火焰探測器，確保了對生產(chǎn)區(qū)域和存儲區(qū)域的嚴(yán)密監(jiān)控。

4.2" 應(yīng)用效果評估

在商業(yè)中心的模擬火災(zāi)測試中，系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間為4.2s，最短響應(yīng)時(shí)間達(dá)到2.5s，響應(yīng)時(shí)間短，完全符合EN54-2標(biāo)準(zhǔn)。在高層住宅的長期測試中，系統(tǒng)報(bào)警準(zhǔn)確率達(dá)到了95%，顯著減少了誤報(bào)和漏報(bào)。在所有場景中，系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月的測試中，平均故障間隔時(shí)間（MTBF）達(dá)到5000h。穩(wěn)定性和可靠性均滿足預(yù)期。在商業(yè)中心和工業(yè)廠房中，系統(tǒng)與自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)等消防設(shè)施的平均聯(lián)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間均小于15s。

通過實(shí)際案例分析，本研究充分驗(yàn)證了基于PLC的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在不同應(yīng)用場景中的有效性和優(yōu)越性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了實(shí)際應(yīng)用中的各種需求和挑戰(zhàn)，通過具體的元器件選擇和系統(tǒng)配置，確保了高度的適應(yīng)性和用戶滿意度。

5 未來的研究方向和展望

盡管PLC技術(shù)已在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大的潛力，但在實(shí)現(xiàn)更高水平的智能化和集成化方面，仍有諸多值得深入探究的領(lǐng)域。以下是一些未來需要研究的方向：

5.1" 算法優(yōu)化

未來的研究將致力于開發(fā)精度更高的火災(zāi)檢測算法。例如，利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），對煙霧圖像進(jìn)行分析，提高火災(zāi)檢測的準(zhǔn)確度。預(yù)計(jì)通過算法優(yōu)化，誤報(bào)率可降低至1%以下，同時(shí)將火災(zāi)預(yù)測的響應(yīng)時(shí)間縮短至10s以內(nèi)。

5.2" 系統(tǒng)集成

未來的研究將探索PLC與視頻監(jiān)控系統(tǒng)和智能照明系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的即時(shí)視頻確認(rèn)和照明引導(dǎo)。此外，通過與能源管理系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)的自動(dòng)斷電或緊急電源切換，以防止火勢的蔓延。

5.3" 智能化升級

通過集成自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，如隨機(jī)森林算法，PLC系統(tǒng)將能夠分析歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)，預(yù)測火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，并自動(dòng)調(diào)整傳感器的靈敏度。例如，在分析了過去一年內(nèi)收集的100次火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)可將火災(zāi)預(yù)測的準(zhǔn)確率提升至90%以上。

5.4" 通信技術(shù)的發(fā)展

隨著5G技術(shù)的商用化，研究將聚焦于如何利用5G網(wǎng)絡(luò)的高速率和低延遲特性，提升火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的響應(yīng)速度。預(yù)計(jì)5G網(wǎng)絡(luò)下，報(bào)警信息的傳輸延遲將縮短至1ms以內(nèi)，覆蓋范圍擴(kuò)大至數(shù)千米。

6 結(jié)束語

本研究提出了一種基于PLC技術(shù)的創(chuàng)新解決方案，以解決傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度和可靠性方面的局限性。通過在多種實(shí)際場景中部署系統(tǒng)，驗(yàn)證了PLC技術(shù)在提升系統(tǒng)性能方面效果顯著。集成的現(xiàn)代通信和人工智能技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的消防安全管理也提供了新的策略。研究結(jié)果不僅證實(shí)了PLC技術(shù)在消防安全管理中的潛力，也為技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，期待PLC技術(shù)在保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全方面能夠發(fā)揮更大的作用。

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