分布式智能消防報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)

楊文娟

(咸陽市公安消防支隊，陜西咸陽 712000)

智能化大樓的各個子系統(tǒng)重要性等級如圖1所示，其中消防報警系統(tǒng)的重要性等級最高，對大樓可否使用有著最高的否決權(quán)。因此很多文獻從不同層面進行了專題探討:文獻［1］對智能樓宇火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動系統(tǒng)作了比較全面的研究;文獻［2－3］對火災(zāi)探測與消防聯(lián)動作了系統(tǒng)分析;文獻［4］討論了火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計問題;文獻［5］就高層民用建筑火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢作了綜述;文獻［6］側(cè)重研究了究智能化樓宇火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動系統(tǒng)的設(shè)計問題。近年來，消防報警與聯(lián)動控制愈來愈引起人們的關(guān)注。本文從消防工程實踐角度，探討了一類基于分布智能的消防報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)。

圖1 智能化大樓組成部分的重要性等級

1 火災(zāi)形成原因與過程

1.1 形成原因

建筑物內(nèi)存在大量可燃體，如可燃燒裝飾材料、家俱、用品、可燃性固體及具有爆炸可能性的液體、氣體材料等，在一定條件下都可能引起火災(zāi)。造成火災(zāi)的根本原因在于對火災(zāi)危害認識不足，在管理等方面疏于防范而留下火災(zāi)隱患。大部分火災(zāi)由下列原因造成:① 人為造成火災(zāi)。防火意識淡薄，違規(guī)操作，如不遵守安全工作原則，動用氣焊、電焊，不必要的帶電違規(guī)操作造成電火花、私燒電爐、亂接電線、違章吸煙或隨意亂扔煙頭等等直接引起火災(zāi)甚至爆炸。人為因素是造成火災(zāi)最直接的原因，據(jù)歷年統(tǒng)計，有上升趨勢。當然人為蓄意縱火也是不可忽視的原因之一。②電氣事故造成火災(zāi)?，F(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備及線路極為復(fù)雜，管線縱橫交錯，四處接頭。由于設(shè)計、施工安裝以及使用維護不當，短路、過載、電弧等的影響極易形成火源。同時，大量劣質(zhì)電氣產(chǎn)品經(jīng)過不當渠道進入大樓，進入家庭，均會留下嚴重的隱患。此外防雷措施不當，雷擊形成火災(zāi)也屬電氣火災(zāi)范疇。③可燃體自燃或爆炸形成火災(zāi)。違規(guī)儲存大量可燃固體，如棉花、紙張、化工纖維材料、木材、煤炭等，由于某種原因，致使環(huán)境溫度升高，有的固體物質(zhì)會分解一些可燃氣體，又由于通風(fēng)不良，均可能使這些固體物質(zhì)的溫度達到其自燃點而形成自燃。可燃氣體，如煤氣、液化石油氣、天然氣、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H6)等，由于泄漏，與空氣混合形成混合氣體，當其體積濃度達到或超過其爆炸下限，遇火源即能發(fā)生爆炸而形成火災(zāi)?？扇家后w、油品和一些有機溶液，如甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯等，由于揮發(fā)，與空氣混合形成混合物，當其體積濃度、溫度達到一定值時，遇火源就會出現(xiàn)“一閃而燃”，即閃燃。這種液體蒸汽與空氣的混合物能夠閃燃的最低溫度稱為該液體的閃點。有些液體的閃點是極低的(＜28℃)，即在正常的環(huán)境溫度下遇火源也能閃燃，從而造成火災(zāi)?？梢?，對可燃體的儲存與保管是十分重要的，應(yīng)當嚴格按規(guī)章進行管理。

1.2 火災(zāi)形成過程

一般認為火災(zāi)形成及蔓延的全過程可以分為3個階段，即初始階段、陰燃階段和火焰燃燒階段。初始階段，燃燒體被焚熏、預(yù)熱，室內(nèi)溫度升高，產(chǎn)生大量的煙霧氣溶膠，如果此階段能將火災(zāi)信息感知報警，可將火災(zāi)損失降低到最低程度。陰燃階段，室內(nèi)的煙霧氣體積濃度已達相當水平，但是蓄積的熱量使環(huán)境溫度迅速升高，遇明火極易點燃，這個階段所占的時間較短。在火災(zāi)初始與陰燃階段最顯著的特征是產(chǎn)生大量煙霧氣?；鹧嫒紵A段，室內(nèi)可燃物充分燃燒，產(chǎn)生大量可見光，室內(nèi)溫度迅速上升，火勢迅速蔓延，當燃燒產(chǎn)生的熱與通過外圍結(jié)構(gòu)散失的熱量逐漸平衡后，室內(nèi)溫度基本上維持恒定，此時已形成火災(zāi)。

2 火災(zāi)探測器

2.1 火災(zāi)探測器

火災(zāi)探測器是火災(zāi)自動報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)最基本和最關(guān)鍵的部件之一，本質(zhì)上是感知其裝置區(qū)域范圍內(nèi)火災(zāi)形成過程中的物理和化學(xué)現(xiàn)象的部件。其基本功能要求是:信號傳感要及時，具有相當精度;傳感器本身應(yīng)能給出信號指示;通過報警控制器，能分辨火災(zāi)發(fā)生具體位置或區(qū)域;探測器應(yīng)具有相當穩(wěn)定性，盡可能地防止干擾?；馂?zāi)探測器通常由敏感元件、相關(guān)電路和固定部件及外殼等3個部分組成。

敏感元件的作用是感知火災(zāi)形成過程中的物理或化學(xué)參量，如煙霧、溫度、輻射光、氣體體積濃度等，并將其轉(zhuǎn)換為模擬量，它是火災(zāi)探測器的核心部件。

電路的作用是對敏感元件感知并轉(zhuǎn)換成的模擬電信號進行放大和處理，通常由轉(zhuǎn)換電路、保護電路、抗干擾電路、指示電路和接口電路等組成，如圖2所示。

圖2 火災(zāi)探測器電路框圖

轉(zhuǎn)換電路的作用是將敏感元件輸出的電信號進行放大和處理，使之成為滿足火災(zāi)報警系統(tǒng)傳輸所需的模擬載頻信號或數(shù)碼信號，通常由匹配電路、放大電路和閾值電路等部分組成。保護電路是用于監(jiān)視探測器和傳輸線路故障的電路，由監(jiān)視電路和檢查電路2部分組成?？垢蓴_電路用于提高火災(zāi)探測器信號感知的可靠性，防止或減少誤報，探測器必須具有一定的抗干擾功能，如采用濾波、延時、補償和積分電路等。指示電路用于顯示探測器是否動作，給出動作信號，一般在探測器上設(shè)置動作信號燈。接口電路用以實現(xiàn)火災(zāi)探測器之間、火災(zāi)探測器和火災(zāi)報警器之間的信號連接。此外，固定部件用于固定探測器，其外殼應(yīng)既能保證煙霧、氣流、光源、溫度等物理和化學(xué)量達到敏感元件，又能盡可能地防止灰塵及其他非感知信號進入。

火災(zāi)探測器種類很多，通常按照其結(jié)構(gòu)形式、被探測參量以及使用環(huán)境進行分類，其中以被探測參量進行分類最為多見，也多為通常工程設(shè)計所采用。如按探測器的參量分類，根據(jù)被探測參量，可劃分為感煙、感溫、感光(火焰)氣體以及復(fù)合探測器等幾大類。以感煙火災(zāi)探測器為例，其分類情況如圖3所示。

圖3 感煙火災(zāi)探測器分類

感溫火災(zāi)探測器是工程上常見的火災(zāi)探測器之一，主要作用于不適合或不完全適合感煙火災(zāi)探測器的一些場合，圖4所示為其主要類型。氣體火災(zāi)探測器用于對可燃氣體體積濃度進行檢測，對周圍環(huán)境氣體進行“空氣采樣”和對比測定，發(fā)出火災(zāi)警報信號。它不僅可以極早預(yù)報火災(zāi)發(fā)生，同時還可以對諸如煤氣、天然氣等有毒氣體中毒事故進行預(yù)報。

圖4 感溫火災(zāi)探測器分類

2.2 分布智能式火災(zāi)探測器

火災(zāi)探測器本身并不報警。其中模擬量火災(zāi)探測器實質(zhì)上就是作為火災(zāi)探測用的傳感器，其輸出值能夠真實地再現(xiàn)變化著的輸入量，因此它只是將電流、電壓變化信號通過編碼電路和總線傳送給主機，而將所有判斷過程放在報警控制器中，由報警控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)記憶、存儲、計算、分析和統(tǒng)計處理。根據(jù)設(shè)定的火災(zāi)模型來判斷該信號是否為火災(zāi)信號，同時對溫度、濕度和灰塵等外界非火災(zāi)因素的變化實施自動補償，對電干擾及線路分布參數(shù)的影響進行自動處理。當然也可根據(jù)現(xiàn)場的不同環(huán)境，在報警控制器中用軟件設(shè)置探測器的靈敏度。存在的主要問題:為使系統(tǒng)能夠識別真假火災(zāi)現(xiàn)象和防止誤報，提高探測器的靈敏度，必須采用復(fù)雜的火災(zāi)數(shù)據(jù)處理方法，這樣增加了火災(zāi)報警控制器的復(fù)雜性。因此，為了解決火災(zāi)信息探測處理過程中模擬量火災(zāi)探測器數(shù)據(jù)處理能力單一、火災(zāi)報警控制器功能過于復(fù)雜和系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸量較大等技術(shù)問題，其努力方向是設(shè)置分布式智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。它的顯著特點是每個探測器上都帶有CPU，火災(zāi)探測器把采集到的現(xiàn)場信號與在探測器內(nèi)存儲的特性曲線進行比較并進行必要的分析處理，然后進行初步的火災(zāi)判斷。探測器平時只需向控制器傳送正常信號或故障信號，火災(zāi)時探測器以中斷方式向控制器傳送采集處理后的信息數(shù)據(jù)，由控制器做進一步的分析判斷。由于擺脫了傳統(tǒng)巡檢技術(shù)的弊病，數(shù)據(jù)傳輸不再受巡檢周期的限制，大大縮短了火災(zāi)報警和啟動消防設(shè)備所需的時間。而火災(zāi)報警控制器由于免去了大量的現(xiàn)場信號處理負擔，可以從容不迫地實現(xiàn)多種管理功能，從根本上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外火災(zāi)報警控制器采用多CPU并行處理技術(shù)，除了主CPU外，在每一個回路驅(qū)動板上都帶有1個CPU，這些CPU并行工作，分別對回路進行掃描，提高了系統(tǒng)信息處理速度。智能建筑中火災(zāi)探測器的選擇應(yīng)根據(jù)探測區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生的初期火災(zāi)的形成和發(fā)展特征、房間高度、環(huán)境條件以及可能引起誤報的原因等因素綜合確定，采用模擬量火災(zāi)探測器或分布智能式火災(zāi)探測器。

3 火災(zāi)報警控制器工作原理

圖5為火災(zāi)報警控制器工作原理。由圖5可知，無論是區(qū)域報警控制器還是集中報警控制器，實際上均是一個以CPU為核心的微機控制系統(tǒng)，從消防報警系統(tǒng)角度出發(fā)，它主要包括輸入單元、輸出單元、監(jiān)控單元、記憶單元以及電源單元。輸入單元接收人工或自動火災(zāi)探測器送來的信號，送至CPU加以判別、確認，并識別相應(yīng)的編碼地址。輸出單元確認火災(zāi)信號后，一方面輸出聲(喇叭、蜂鳴器)，光(顯示)報警信號，另一方面向有關(guān)聯(lián)動滅火與減災(zāi)子系統(tǒng)輸出主令控制信號，這些信號可以是電信號，也可以是繼電器接點信號。監(jiān)控單元的作用在于:一是檢查報警控制器與探測器以及區(qū)域報警控制器與集中報警控制器之間線路的狀態(tài)是否存在斷路(包括探測器丟失或接觸不良)、短路等故障，如果存在這些故障，報警控制器應(yīng)給出故障聲、光報警，以確保系統(tǒng)工作安全可靠;二是自動巡回檢測，自動定期周而復(fù)始地逐個對編碼探測器發(fā)出的信號進行檢測，實現(xiàn)報警控制器的實時控制。記憶單元:實時時鐘記下第1次火災(zāi)報警時間，直到火警消除、復(fù)位后方恢復(fù)正常。電源單元:通常報警控制器的直流電源(DC24V)來自2個渠道，即所謂雙電源。采用交流AC220V市電整流進行正常供電，并同時對另一電源——備用蓄電池進行浮充充電，在工作電源和備用電源之間有自動切換裝置。送至探測器的24V直流電源信號是迭加在探測器編碼信號上的，到達探測器后，可利用微分電路將編碼信號與直流電源信號分離，探測器的回答信號也用此種迭加方法送達火災(zāi)報警控制器。圖5顯示出，通過I/O接口，火災(zāi)報警控制器具有了圖形顯示功能和聯(lián)網(wǎng)及信息中繼能力，可以實現(xiàn)與建筑物內(nèi)其他子系統(tǒng)之間的系統(tǒng)集成。系統(tǒng)程序通常由產(chǎn)品制造商直接寫入只讀存儲器中，使用者無法更改。

圖5 火災(zāi)報警控制器工作原理

4 聯(lián)動控制系統(tǒng)

現(xiàn)代消防報警控制器除具有自動報警功能外，幾乎都具有聯(lián)動減災(zāi)和滅火控制功能，有的消防控制系統(tǒng)為了強化滅火與減災(zāi)控制功能也采用專用的聯(lián)動控制柜，通過RS485接口分別與集中報警控制器和各類手動控制盤聯(lián)接?，F(xiàn)以自動氣體滅火聯(lián)動系統(tǒng)為例進行分析。目前工程上采用的自動氣體滅火系統(tǒng)主要是指二氧化碳滅火系統(tǒng)和鹵代烷(1211、1301)滅火系統(tǒng)。二氧化碳和鹵代烷均屬于氣體滅火介質(zhì)。二氧化碳滅火機理主要是對可燃物質(zhì)起窒息和少量冷卻降溫。鹵代烷的滅火原理則基于抑制燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程，因此滅火速度快、滅火效果優(yōu)于二氧化碳。然而鹵代烷氣體對大氣臭氧層具有破壞作用，屬于限制使用的消防滅火介質(zhì)，同時它可能對文物、重要文獻、珍品和重要的音像制品有一定破壞作用，因此國家規(guī)定不得在存貯上述物品的環(huán)境中采用鹵代烷滅火系統(tǒng)。近年來，出現(xiàn)一種新型的滅火介質(zhì)——煙烙盡(Inerqen)代替鹵代烷，不過煙烙盡價格過高，因此選用時應(yīng)謹慎。此外，鹵代烷的價格也遠高于二氧化碳。二氧化碳滅火系統(tǒng)和鹵代烷氣體在一定溫度和一定壓力下均可以以液態(tài)貯存，作為滅火劑釋放出來后又成為氣體狀態(tài)，在滅火后不留痕漬，且不導(dǎo)電，但均對人體有害。所以在工程上通常將氣體滅火系統(tǒng)作為自動水滅火系統(tǒng)的補充，用于一些重要的資料文獻和儲品庫，以及電力、電訊和大中型計算機房的滅火。

自動氣體滅火系統(tǒng)主要由氣體貯存鋼瓶、容器閥、啟動氣瓶、噴頭、管網(wǎng)及裝于管網(wǎng)上的壓力訊號器組成，其系統(tǒng)控制框圖如圖6所示。當設(shè)置在滅火區(qū)內(nèi)的火災(zāi)探測器發(fā)出火災(zāi)信號以后，經(jīng)火災(zāi)報警控制器確認，驅(qū)動聯(lián)動控制柜給出滅火指令信號，引爆啟動氣瓶電爆管使啟動氣瓶開啟，通過管道釋放出高壓氮氣，用以啟動貯氣鋼瓶的瓶頭閥，釋放貯存氣體，經(jīng)分配閥、相應(yīng)部分的管路以及布置于滅火區(qū)內(nèi)的噴頭，噴出二氧化碳或鹵代烷氣體進行滅火。壓力訊號器負責(zé)檢測管道內(nèi)的壓力并將其轉(zhuǎn)換為電信號或開關(guān)信號，作為反饋信號反饋至消防控制中心，實現(xiàn)聯(lián)動的閉環(huán)自動控制。

圖6 自動氣體滅火系統(tǒng)框圖

5 分布式智能消防報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)

現(xiàn)代火災(zāi)報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)一般采用地址編碼式尋址的消防報警系統(tǒng)，其特點是將各個探測器進行數(shù)字式的地址編碼。由于20世紀80年代以后普遍采用了具有聯(lián)網(wǎng)功能的集中式智能消防報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)，但是仍采用傳統(tǒng)編址式的火災(zāi)探測器，探測器本身不具備閾值比較電路和微處理功能，探測器所檢測到的信號通過總線傳給處于消防控制中心的主機，由主機內(nèi)置軟件將探測器回傳信號與內(nèi)存的火災(zāi)典型信號進行比較，根據(jù)其速率變化量、閾值幅度、連續(xù)變化情況等因素判斷信號類型是火災(zāi)信號還是其他干擾信號，只有信號特征與主機內(nèi)置的典型火災(zāi)信號特征相符時，確定為火災(zāi)信號，才會報警，從而極大減少了誤報率。由于系統(tǒng)大量采用了計算機微處理技術(shù)，具有集中式圖形顯示和聯(lián)網(wǎng)功能，從而可以實現(xiàn)消防系統(tǒng)(FAS)與閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(CCTVS)、樓宇自動控制系統(tǒng)(BAS)間的系統(tǒng)集成。盡管此類集中式智能系統(tǒng)比非智能型系統(tǒng)優(yōu)點多、功能強大，但顯然存在主機負擔過重，致使系統(tǒng)出現(xiàn)軟件程序復(fù)雜、量大，檢測器巡檢周期長等問題，從而使實時監(jiān)控能力削弱，降低了系統(tǒng)可靠性和使用維護的方便性。分布式智能消防報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)可減少主機處理大量現(xiàn)場信號負擔，集中實施多種管理功能的消防報警系統(tǒng)，可方便實現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)動控制。此類系統(tǒng)的火災(zāi)探測器本身具有微處理功能，可以實現(xiàn)火災(zāi)信號與干擾信號的低級判斷，如利用閾值比較電路對信號閾值幅度進行“濾波”，從而大幅度地減少了主機信號判斷的程序量，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

6 結(jié)束語

火災(zāi)探測器，無論感煙、感溫和感光探測器，探測到火災(zāi)信號后，在發(fā)生火災(zāi)的前3 min內(nèi)是滅火的最佳時期，這個時期可以比較容易消滅火災(zāi)，減小損失。消防聯(lián)動涉及消火栓噴淋泵、噴霧泵、正壓風(fēng)機、防排煙風(fēng)機、防火閥、排煙閥、消防緊急斷電系統(tǒng)、電梯迫降、防火卷簾門、可燃氣體開關(guān)、緊急廣播、消防通信設(shè)備及消防電源等眾多系統(tǒng)，消防報警與聯(lián)動控制必須實現(xiàn)無縫連接，因此建立分布式智能消防報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)的管理平臺是今后努力的方向。

［1］林菁，王驥，沈玉利.智能建筑火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動系統(tǒng)研究［J］.建筑科學(xué)，2008，24(7):101 －104.

［2］張亞，張鳳眾.智能建筑中的火災(zāi)探測與消防聯(lián)動系統(tǒng)分析［J］.智能建筑與城市信息，2009(1):93－95.

［3］張社俊.智能建筑火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動系統(tǒng)分析［J］.今日科苑，2009(13):175 －176.

［4］梁子劍.智能建筑中火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的設(shè)計［J］.科技信息，2010(4):31－311.

［5］陳計榮.高層民用建筑火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢［J］.黑龍江科技信息，2010(18):225.

［6］肖鋒濤，于鐵錚.智能化樓宇的火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動系統(tǒng)的設(shè)計問題［J］.科技資訊，2011(36):62－63.

［7］敖星，米林，吳旋.一種基于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的智能抄表系統(tǒng)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010(11):85－88.

［8］張兢，候旭東，呂和勝.基于樸素貝葉斯和支持向量機的短信智能分析系統(tǒng)設(shè)計［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010(1):77 －80.

［9］陳海松，呂賢幫，劉鵬，等.基于智能客戶端的器材出入庫管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.四川兵工學(xué)報，2011(6):65－68.

［10］羅維平.基于織物面料的激光自動裁剪機控制系統(tǒng)［J］.激光雜志，2010(4):53 －55.

［11］趙美蓉，秦峰，林玉池.回轉(zhuǎn)式壓電微角度電動機的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.壓電與聲光，2010(6):922－925.