火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中環(huán)形與樹(shù)形總線形式優(yōu)缺點(diǎn)探討

李東旭， 倪可樂(lè)

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430014)

0 引言

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中，其探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要由觸發(fā)裝置(火災(zāi)探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警按鈕)、報(bào)警裝置(聲、光警報(bào)器、消防應(yīng)急廣播)及火災(zāi)報(bào)警控制器組成?；馂?zāi)探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警按鈕通過(guò)報(bào)警總線與火災(zāi)報(bào)警控制器連接，火災(zāi)報(bào)警控制器通過(guò)對(duì)探測(cè)器上傳的報(bào)警信息進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理后，確認(rèn)火警信號(hào)，發(fā)出報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制指令。因此，火災(zāi)報(bào)警控制器相當(dāng)于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的“大腦”，而報(bào)警總線相當(dāng)于系統(tǒng)的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。而該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不僅取決于首端火災(zāi)報(bào)警控制器以及末端探測(cè)器、警報(bào)器的性能，還取決于報(bào)警總線是否可靠。

目前，國(guó)內(nèi)報(bào)警總線主要采用二線制，總線形式主要為環(huán)形和樹(shù)形形式兩種，本文即就兩種形式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行一些探討和總結(jié)。

1 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)總線分類

美國(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì)(NFPA)編制的火災(zāi)報(bào)警規(guī)范《National Fire Alarm and Signaling Code》將系統(tǒng)總線分為了六類:Class A、Class B、Class C、Class D及Class E、Class X，美國(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì)(NFPA)對(duì)這六類總線形式的定義如表1所示。

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)總線分類表1

總線類別總線需滿足條件Class A包含一個(gè)冗余路徑斷路時(shí)可以繼續(xù)工作,并返回信號(hào)單根線接地時(shí),能產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)Class B不包含冗余路徑斷路時(shí),無(wú)法工作單根線接地時(shí),能產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)Class C包含一到多個(gè)通訊路徑,通過(guò)端到端的通訊來(lái)驗(yàn)證總線的可靠性Class D具有故障保護(hù)功能,在通訊異常時(shí),可以繼續(xù)工作Class E不具有監(jiān)控功能Class X包含一個(gè)冗余路徑斷路時(shí)可以繼續(xù)工作,并返回信號(hào)單根線接地時(shí)可以繼續(xù)工作,并返回信號(hào)

目前主要應(yīng)用的兩種總線形式為環(huán)形總線和樹(shù)形總線即Class A與Class B總線，前者總線具有冗余路徑，在總線斷路時(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)總線故障信號(hào)；后者總線不具有冗余路徑，在總線斷路時(shí)總線功能消失。兩類總線形式在總線異常、影響總線正常運(yùn)行時(shí)，都需要產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)。

2 環(huán)形總線與樹(shù)形總線形式

2.1 樹(shù)形總線

目前國(guó)內(nèi)項(xiàng)目中比較常用的為樹(shù)形形式，該形式將回路中的探測(cè)器、警報(bào)器、聯(lián)動(dòng)模塊等依次通過(guò)總線與火災(zāi)報(bào)警控制器相連，通常在干線中具有分支。如圖1所示。

圖1 樹(shù)形總線連接方式

該總線形式在總線某處發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，該故障點(diǎn)后部的所有設(shè)備與火災(zāi)報(bào)警控制器斷開(kāi)，失去與火災(zāi)報(bào)警控制器的通訊。而在總線某一點(diǎn)發(fā)生短路或接地故障時(shí)，整個(gè)回路電壓降低，也會(huì)失去與控制器的通訊，情況嚴(yán)重時(shí)甚至將燒毀主機(jī)接口，影響整個(gè)控制器的工作。因此樹(shù)形接法通常會(huì)在首端設(shè)置一處短路隔離器，以免某個(gè)回路發(fā)生短路故障時(shí)，影響整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.2 環(huán)形總線

環(huán)形接法是將回路中的探測(cè)器、報(bào)警器、聯(lián)動(dòng)模塊等依次通過(guò)總線與火災(zāi)報(bào)警控制器相連，并最終返回火災(zāi)報(bào)警控制器，形成一個(gè)環(huán)形通路，通常在干線中沒(méi)有分支，如圖2所示。

圖2 環(huán)形總線連接方式

該總線形式雙向都可以傳輸信號(hào)，提供了一條冗余的傳輸路徑，因此在總線任一點(diǎn)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，不會(huì)影響整個(gè)回路的正常運(yùn)行。在總線某一點(diǎn)短路時(shí)，線路首末兩端的短路隔離器斷開(kāi)整個(gè)回路，以免影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

通過(guò)上述兩種形式的比較可知，任何一種形式，在發(fā)生短路故障時(shí)，整個(gè)回路都無(wú)法正常工作。

3 總線短路隔離器的作用與接線

針對(duì)以上問(wèn)題，GB 50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)系統(tǒng)總線上設(shè)置總線短路隔離器做了詳細(xì)要求“3.1.6系統(tǒng)總線上應(yīng)設(shè)置總線短路隔離器，每只總線短路隔離器保護(hù)的火災(zāi)探測(cè)器、手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕和模塊等消防設(shè)備的總數(shù)不應(yīng)超過(guò)32點(diǎn)；總線穿越防火分區(qū)時(shí)，應(yīng)在穿越處設(shè)置總線短路隔離器”。通過(guò)設(shè)置總線短路隔離器，在發(fā)生短路故障時(shí)立即切斷故障部分，盡可能保障整個(gè)系統(tǒng)的功能不受影響。

這里需要說(shuō)明的是，樹(shù)形總線短路隔離器產(chǎn)品和環(huán)形總線短路隔離器產(chǎn)品是不一樣的，兩者不可通用。

下文將通過(guò)幾張接線圖來(lái)說(shuō)明樹(shù)形和環(huán)形結(jié)構(gòu)總線短路隔離器產(chǎn)品的接線形式。

(1)如圖3所示，為某樹(shù)形報(bào)警總線短路隔離器接線示意圖。其Z1、Z2為信號(hào)二總線輸入端子，ZO1、ZO2為信號(hào)二總線輸出端子，動(dòng)作電流為100mA。樹(shù)形報(bào)警總線短路隔離器分別并聯(lián)接入報(bào)警總線上，當(dāng)其中一個(gè)總線短路隔離器后的回路發(fā)生短路時(shí)，該總線短路隔離器動(dòng)作，將該故障回路的所有設(shè)備與報(bào)警總線斷開(kāi)，將短路故障影響的范圍限制在32個(gè)點(diǎn)位以內(nèi)。

圖3 樹(shù)形總線短路隔離器接線示意圖

(2)如圖4所示，為某環(huán)形報(bào)警總線短路隔離器接線示意圖。該模塊有2個(gè)4路接線端子，將模塊接入探測(cè)總線。其中A口上方兩個(gè)端口P、S接探測(cè)回路，下方兩個(gè)P、S可以接入T型分支回路或者不接，B口同A口。A口和B口順序接入報(bào)警總線中，當(dāng)隔離器前后發(fā)生短路故障時(shí)，該隔離器都會(huì)動(dòng)作(故障探測(cè)回路所接入的接口動(dòng)作)，斷開(kāi)該回路的設(shè)備。對(duì)于整個(gè)回路來(lái)說(shuō)，當(dāng)某兩個(gè)總線短路隔離器之間的回路發(fā)生短路時(shí)，該回路兩側(cè)的總線短路隔離器會(huì)同時(shí)動(dòng)作，將該故障回路的所有設(shè)備與總線斷開(kāi)，將短路故障的影響范圍限制在32個(gè)點(diǎn)位以內(nèi)。

圖4 環(huán)形總線短路隔離器接線示意圖

由兩種產(chǎn)品的比較可知，樹(shù)形報(bào)警總線隔離器只有一個(gè)接口，可以切斷隔離器所帶分支回路的設(shè)備；環(huán)形報(bào)警總線短路隔離器相對(duì)于樹(shù)形報(bào)警總線隔離器來(lái)說(shuō)有兩個(gè)接口，可以分別動(dòng)作，切斷兩個(gè)總線短路隔離器之間的前端設(shè)備。

4 環(huán)形總線與樹(shù)形總線的優(yōu)缺點(diǎn)比較

報(bào)警總線的接線形式也會(huì)影響到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，圖集14505-1《<火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范>圖示》中對(duì)環(huán)形總線和樹(shù)形總線接線方法以及短路隔離器的設(shè)置都有詳細(xì)的圖示介紹。下面就環(huán)形總線和樹(shù)形總線的優(yōu)缺點(diǎn)做簡(jiǎn)單比較。

(1)環(huán)形總線接線形式

火災(zāi)報(bào)警控制器具有雙端尋址的功能，信號(hào)可以雙向傳輸。如圖5所示，在整個(gè)環(huán)形回路任一點(diǎn)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，都可繼續(xù)通過(guò)A、B兩端進(jìn)行通信，以免通信中斷，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖5 環(huán)形總線形式兩端通信

在環(huán)形回路任一點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，短路點(diǎn)兩端的總線短路隔離器動(dòng)作，系統(tǒng)會(huì)隔離這一部分設(shè)備，保障其他線路現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常工作，將系統(tǒng)受故障影響范圍降低到最小；同時(shí)可以通過(guò)隔離器動(dòng)作位置，迅速查找線路故障點(diǎn)。

(2)樹(shù)形總線接線形式

火災(zāi)報(bào)警控制器只有單端尋址方式，如圖6所示。在樹(shù)形回路分支上發(fā)生開(kāi)路時(shí)，開(kāi)路(A)后的部分設(shè)備將失去與火災(zāi)報(bào)警控制器的通訊；當(dāng)開(kāi)路發(fā)生在樹(shù)形回路干線上時(shí)，開(kāi)路(B)后的設(shè)備全部失去與火災(zāi)報(bào)警控制器的通訊，影響范圍較大。

圖6 樹(shù)形總線形式單端通信

在樹(shù)形回路分支上發(fā)生短路時(shí)，該分支上的總線短路隔離器動(dòng)作，系統(tǒng)隔離這一部分設(shè)備。但當(dāng)樹(shù)形回路總線上發(fā)生短路時(shí)，則整個(gè)回路全部設(shè)備均無(wú)法正常工作，且無(wú)法定位故障點(diǎn)，總線短路隔離器的設(shè)置失去了作用。

(3)優(yōu)缺點(diǎn)比較

1)可靠性：環(huán)形總線接線方式在總線任意處開(kāi)路時(shí)，可以保證線路的安全，主干線短路時(shí)也可以保證回路中所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常工作。

2)布線：施工中，環(huán)形總線接線可以避免在總線根部強(qiáng)制分線，節(jié)省布線工作量，但需要所有設(shè)備手拉手形成一個(gè)環(huán)，無(wú)形中增加了線路的長(zhǎng)度，布線比較復(fù)雜，僅部分產(chǎn)品支持環(huán)形總線上分支結(jié)構(gòu)，可后期局部改造；而樹(shù)形接線形式布線相對(duì)自由，可以在干線上分支，方便現(xiàn)場(chǎng)施工和后期改造。

3)故障率：相對(duì)于樹(shù)形總線隔離器，環(huán)形總線隔離器在總線因線路進(jìn)水、絕緣問(wèn)題導(dǎo)致總線間阻抗異常時(shí)，可以起到隔離保護(hù)作用。且可以為所有前端設(shè)備內(nèi)置環(huán)形短路隔離器，當(dāng)任何位置發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)兩側(cè)的前端設(shè)備內(nèi)置的環(huán)形短路隔離器動(dòng)作，隔離故障點(diǎn)，可以將影響范圍縮減到最小。但樹(shù)形接線形式的隔離模塊可集中設(shè)置在接線端子箱內(nèi)，檢修比較方便。同時(shí)隔離模塊集中設(shè)置時(shí)，干線較短，不易發(fā)生故障，支干線發(fā)生故障時(shí)，故障范圍也較小，可以控制在32個(gè)點(diǎn)位內(nèi)。

4)成本：環(huán)形總線需要火災(zāi)報(bào)警控制器提供環(huán)形總線接口，且環(huán)形總線短路隔離器價(jià)格更高。而樹(shù)形總線只需要普通總線接口和總線短路隔離器，相對(duì)于環(huán)形接線形式，成本約低20%。

5)通訊距離：樹(shù)形總線接線形式為單端通訊，通訊距離可以達(dá)到1 500m，增加中繼模塊可將信號(hào)延長(zhǎng)至 3 000m；而環(huán)形總線為雙向通訊，通訊距離只有樹(shù)形總線的一半。

5 環(huán)形總線與樹(shù)形總線適用范圍

根據(jù)環(huán)形總線和樹(shù)形總線接線形式和特點(diǎn)，筆者總結(jié)了兩種接線形式的適用范圍。

(1)環(huán)形接線形式的適用范圍

對(duì)于大型酒店、商業(yè)、機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓等火災(zāi)危險(xiǎn)性較大，對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可靠性要求較高的場(chǎng)所，建議采用環(huán)形總線接線形式。而且，這些場(chǎng)所每層或每個(gè)防火分區(qū)面積較大，比較容易成環(huán)，相對(duì)普通樹(shù)形接線形式需要的線纜長(zhǎng)度增加不大。

在歐洲、北美、南美等市場(chǎng)，目前只接受環(huán)形總線的消防報(bào)警系統(tǒng)，會(huì)明確提出火災(zāi)報(bào)警控制器必須提供環(huán)形總線接口。而且，根據(jù)公安部發(fā)布的《建筑高度大于250米民用建筑防火設(shè)計(jì)加強(qiáng)性技術(shù)要求(試行)》(公消[2018]57號(hào))，第二十三條也明確提出，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的消防聯(lián)動(dòng)控制總線應(yīng)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。因此我國(guó)建筑高度>250m的民用建筑，也必須采用環(huán)形總線接線形式。

(2)樹(shù)形接線形式的適用范圍

對(duì)于住宅、辦公等火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)較小的場(chǎng)所，每層面積較小，特別是住宅建筑(除超高層住宅外)，只需要在公共部位設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，布線不易成環(huán)，采用環(huán)形接線形式比較浪費(fèi)，因此建議采用樹(shù)形總線接線形式，可以節(jié)約成本。

由于采用樹(shù)形總線接線形式在主干線路發(fā)生開(kāi)路或者短路時(shí)影響范圍較大，筆者建議，可將樹(shù)形總線隔離模塊集中設(shè)置在接線端子箱內(nèi)，各樹(shù)形總線隔離器再放射至各前端設(shè)備，減少主干線路的敷設(shè)長(zhǎng)度和范圍，雖然會(huì)增加總線電纜的長(zhǎng)度，增加成本，但是可以有效減小主干線路故障的概率，增加系統(tǒng)可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)總線形式，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品主要以樹(shù)形結(jié)構(gòu)為主，設(shè)計(jì)師也多習(xí)慣于設(shè)計(jì)樹(shù)形結(jié)構(gòu)。但是隨著越來(lái)越多的國(guó)外消防報(bào)警品牌的引入，這些品牌大多可以提供兼容環(huán)形總線和樹(shù)形總線的接口。而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品也開(kāi)始提供環(huán)形總線結(jié)構(gòu)的工程解決方案，推出了環(huán)形總線接口和環(huán)形總線隔離模塊等產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)一些特殊場(chǎng)所(如大型連鎖酒店等)咨詢公司也會(huì)提出環(huán)形總線結(jié)構(gòu)要求，特別是公安部“建筑高度>250m民用建筑必須采用環(huán)形總線結(jié)構(gòu)”的要求，對(duì)國(guó)內(nèi)廠家和設(shè)計(jì)師提出了新的要求。