基于CAN總線的高層建筑電氣火災(zāi)監(jiān)控

王永全

(深圳市一方建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引 言

高層建筑是目前市場(chǎng)中建筑的主流建設(shè)模式，盡管此種發(fā)展模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市有限空間的無限擴(kuò)充，但隨之而來的高層建筑安全問題也不容小覷。在對(duì)建筑安全事故的整理與統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，電氣火災(zāi)是高層建筑中一種較為常見的安全事故，也是會(huì)對(duì)社會(huì)秩序造成較大影響的事件。為解決此方面問題，提高建筑中住戶居民的安全性，應(yīng)完善對(duì)火災(zāi)的監(jiān)控工作[1]。為此，本文在CAN總線技術(shù)的應(yīng)用下，對(duì)電氣火災(zāi)監(jiān)控方法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)將建筑電氣火災(zāi)事故控制在發(fā)生前，減少由于火災(zāi)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)化發(fā)展造成的影響。

1 高層建筑電氣火災(zāi)類型

在對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的綜合分析中發(fā)現(xiàn)，大部分大型火災(zāi)都是由建筑電氣失火導(dǎo)致的。根據(jù)我國《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50045—95)中的相關(guān)規(guī)定，在人員較為密集的場(chǎng)所、高層、超高層建筑中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)置漏電、火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，以保證對(duì)火災(zāi)事故的及時(shí)察覺，避免事故的危害范圍逐步擴(kuò)大[2]。在此項(xiàng)工作逐步推進(jìn)與落實(shí)中，早期普遍應(yīng)用在建筑中的火災(zāi)報(bào)警器的缺陷逐步顯露，隨著技術(shù)進(jìn)步升級(jí)，火災(zāi)報(bào)警器現(xiàn)已逐步演變成了集中式火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)[3]。為保證與之相關(guān)的工作的實(shí)施可以達(dá)到預(yù)期效果，下面詳細(xì)介紹電氣火災(zāi)的四種常見類型，以此為后續(xù)對(duì)電氣火災(zāi)事故的監(jiān)控提供借鑒與參照。

1.1 建筑電氣漏電火災(zāi)事故

電氣漏電包括電氣設(shè)備漏電和電氣線路漏電，是指電氣設(shè)備及其連接線路由于某種原因(可能是自身原因，也可能是外界環(huán)境原因)，出現(xiàn)設(shè)備及線路的絕緣層絕緣性能下降，導(dǎo)致多個(gè)電氣設(shè)備之間及其連接線路存在電流直接流經(jīng)的現(xiàn)象。發(fā)生此種現(xiàn)象后，電流將在導(dǎo)入地面前持續(xù)流經(jīng)設(shè)備的多個(gè)電阻，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的電阻值過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電氣設(shè)備局部溫度過高的問題，此時(shí)周邊環(huán)境中若存在可燃物或易燃物，很有可能引發(fā)火災(zāi)。此外，當(dāng)設(shè)備或線路的絕緣層的漏電位置出現(xiàn)火花時(shí)，也會(huì)誘發(fā)可燃物燃燒，導(dǎo)致火災(zāi)事故[5]。

1.2 建筑電氣短路火災(zāi)事故

當(dāng)線路的絕緣層破損后，火線將與零線、地線發(fā)生碰撞，此時(shí)，發(fā)生碰撞的線路電流將出現(xiàn)突然增加的變化趨勢(shì)，此種現(xiàn)象被稱為短路，也可被稱為混線或碰線。當(dāng)線路出現(xiàn)短路問題時(shí)，線路的電阻值將驟然下降，對(duì)應(yīng)的電流值驟然增加，電阻的瞬時(shí)發(fā)熱量將達(dá)到最高。當(dāng)其發(fā)熱量超出了設(shè)備可承載溫度時(shí)，短路點(diǎn)或碰線點(diǎn)將瞬間出現(xiàn)火花、電弧，絕緣層迅速發(fā)生燃燒反應(yīng)，此時(shí)的溫度可以直接將金屬導(dǎo)線熔化，從而造成可燃物發(fā)生燃燒。

1.3 建筑電氣過負(fù)荷火災(zāi)

當(dāng)電氣設(shè)備連接導(dǎo)線流通的電流值超過設(shè)備運(yùn)行安全閾值時(shí)，連接導(dǎo)線的溫度將呈現(xiàn)瞬時(shí)升高現(xiàn)象，此種現(xiàn)象被稱為導(dǎo)線過負(fù)荷。當(dāng)高層建筑中的電氣設(shè)備導(dǎo)線存在此種問題時(shí)，導(dǎo)線絕緣層的老化速度迅速提升，當(dāng)絕緣層完全老化后，將會(huì)出現(xiàn)建筑電氣火災(zāi)事故(事故原理同上)。

1.4 建筑電氣施工中的不規(guī)范行為引發(fā)的火災(zāi)事故

工程施工方在進(jìn)行建筑電氣接線與安裝施工時(shí)，會(huì)由于施工行為不規(guī)范、施工技術(shù)不標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)接線錯(cuò)誤、接觸不良、絕緣層破壞等方面的問題，可引發(fā)火災(zāi)事故[6]。尤其是在電氣安裝接線時(shí)，若是中性線安裝錯(cuò)誤，單相設(shè)備的損壞概率將呈現(xiàn)顯著提升趨勢(shì)，在此種狀況下進(jìn)行電氣設(shè)備的高頻率使用，勢(shì)必會(huì)引發(fā)火災(zāi)事故。

2 基于CAN總線的高層建筑電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建高層建筑電氣火災(zāi)監(jiān)控框架結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑電氣火災(zāi)的智能監(jiān)控，嘗試引入CAN總線技術(shù)，首先針對(duì)火災(zāi)監(jiān)控的整體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 高層建筑電氣火災(zāi)監(jiān)控整體框架結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1中的框架結(jié)構(gòu)可以看出，針對(duì)電氣火災(zāi)的監(jiān)控需要通過各類傳感器的應(yīng)用與安裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)與電氣火災(zāi)相關(guān)的參數(shù)的獲取[7]。除此之外，還需要增設(shè)信號(hào)調(diào)理裝置、光電隔離裝置、A/D轉(zhuǎn)換器等設(shè)備的輔助，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。將需要獲取的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過RS-485總線傳輸?shù)礁鱾€(gè)控制器上，或?qū)ζ溥M(jìn)行就地控制。針對(duì)監(jiān)控框架結(jié)構(gòu)當(dāng)中的微處理器可選用STC系列8G1K08-36I-SOP8型號(hào)單片機(jī)。該型號(hào)單片機(jī)針腳數(shù)為SOP-8；采用50PCS/管封裝；最小工作溫度為-50 ℃，最大工作溫度為125 ℃；規(guī)格為9.7 mm×3.2 mm×2.5 mm(長×寬×高)。在應(yīng)用過程中，向8G1K08-36I-SOP8型號(hào)單片機(jī)中安裝10位A/D轉(zhuǎn)換器，并將轉(zhuǎn)換器的精度設(shè)置為10位。利用8G1K08-36I-SOP8型號(hào)單片機(jī)的顯示部分可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電流以及漏電流測(cè)量參數(shù)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示[8]。將獲取到的0～5 V范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)中。當(dāng)傳感器檢測(cè)信號(hào)超出了事先設(shè)定的閾值，此時(shí)通過監(jiān)控模塊自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并啟動(dòng)脫扣使各個(gè)電氣設(shè)備暫停運(yùn)行。

高層建筑電氣火災(zāi)監(jiān)控整體框架結(jié)構(gòu)中針對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行采集的傳感器選用SENSIRION-SHT20型號(hào)溫度傳感器；針對(duì)濕度參數(shù)進(jìn)行采集的傳感器選用BME680 BOSCH型號(hào)濕度傳感器；針對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙霧氣體參數(shù)進(jìn)行采集的傳感器選用GQQ5-4980型號(hào)煙霧傳感器。表1為三種傳感器的性能描述對(duì)照表。

表1 三種傳感器的性能描述對(duì)照表

將上述三種不同功能傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鱾€(gè)互感器裝置當(dāng)中，并按照上述各個(gè)裝置的協(xié)助實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑電氣火災(zāi)的監(jiān)控。

2.2 基于CAN總線的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)集中控制器選型設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑電氣火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的集中監(jiān)控，引入CAN總線實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)監(jiān)控模塊的連接。選用主控微芯片為AT6465-460型號(hào)的控制器，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器獲取到的參數(shù)以及故障特征數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并將結(jié)果顯示在LCD上?；贑AN總線的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)集中控制器結(jié)構(gòu)框架圖如圖2所示。

圖2 基于CAN總線的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)集中控制器結(jié)構(gòu)框架圖

結(jié)合圖2中所示的結(jié)構(gòu)框圖，通過上位機(jī)監(jiān)控界面以滾動(dòng)的形式對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)展示。同時(shí)，在上位機(jī)當(dāng)中還可以對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行添加、刪除等操作，通過設(shè)置延時(shí)時(shí)間也可實(shí)現(xiàn)防止誤動(dòng)作產(chǎn)生，以避免其影響監(jiān)控質(zhì)量和監(jiān)控效果。除此之外，通過對(duì)歷史相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑電氣火災(zāi)的發(fā)生原因、發(fā)生時(shí)間及發(fā)生時(shí)報(bào)警通道等信息的獲取，以此為后續(xù)火災(zāi)救援提供更有力的信息。

2.3 監(jiān)控信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)集中控制器的選型后，為了確保各個(gè)監(jiān)控模塊之間實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)行，針對(duì)各個(gè)模塊之間連接的監(jiān)控信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)用精密整流電流將原本以交流形式傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，并通過單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理，從而使信號(hào)能夠被RS-485總線識(shí)別并傳輸，確保在控制器當(dāng)中能夠獲取到所需的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。根據(jù)上述需要，設(shè)計(jì)如圖3所示的監(jiān)控信號(hào)調(diào)理電路。

圖3 監(jiān)控信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)示意圖

按照如圖3所示的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)理電路的連接，并輔助實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控信號(hào)的傳輸，確保后續(xù)高層建筑電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警及顯示有充足的信息支撐。

2.4 高層建筑電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警及顯示

在上述完成對(duì)監(jiān)控信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)后，為了能夠在第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑電氣火災(zāi)的報(bào)警與實(shí)時(shí)顯示，針對(duì)其報(bào)警及顯示進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在這一過程中，首先對(duì)各個(gè)信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行初始化處理，并通過鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)AD采樣條件的設(shè)置。在完成信號(hào)采樣后，對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，并啟動(dòng)報(bào)警裝置。若在這一過程中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)變化，則說明高層建筑電氣發(fā)生了火災(zāi)事故，并且電氣設(shè)備的運(yùn)行受到了影響，無法正常使用。此時(shí)在經(jīng)過延時(shí)程序后，單片機(jī)的引腳導(dǎo)通并切斷電氣設(shè)備的電氣回路，使受到影響的電氣設(shè)備處于不工作的狀態(tài)。若在這一過程中未出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)變化，則說明此時(shí)未發(fā)生火災(zāi)，且電氣設(shè)備運(yùn)行沒有受到影響，可以正常使用。此時(shí)在經(jīng)過監(jiān)控判斷后，單片機(jī)的引腳不會(huì)導(dǎo)通，電氣設(shè)備可繼續(xù)運(yùn)行完成工作程序。按照上述論述內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑電氣火災(zāi)的監(jiān)控報(bào)警，并在發(fā)生火災(zāi)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)切換。同時(shí)，將上述操作過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)當(dāng)中，可供監(jiān)控人員對(duì)數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，從而在第一時(shí)間確定火災(zāi)發(fā)生的位置，并完成相應(yīng)的防護(hù)措施。

3 對(duì)比分析

為證明設(shè)計(jì)的火災(zāi)監(jiān)控方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，設(shè)計(jì)如下文所示的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，將此方法集成在高層建筑終端設(shè)備中，使用VisionⅡ程序進(jìn)行監(jiān)控過程中參數(shù)的調(diào)試。此步驟過程為：監(jiān)控終端設(shè)備初始化處理→A/D數(shù)據(jù)采樣→監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集中處理→識(shí)別數(shù)據(jù)是否觸發(fā)預(yù)警或火災(zāi)事故→當(dāng)識(shí)別結(jié)果為“否”時(shí)，監(jiān)控終端直接顯示此時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，持續(xù)進(jìn)行電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控；當(dāng)識(shí)別結(jié)果為“是”時(shí)，證明此時(shí)電氣設(shè)備存在運(yùn)行危險(xiǎn)→定位出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的電氣設(shè)備→將此設(shè)備與繼電器線圈進(jìn)行連接→傳輸預(yù)警數(shù)據(jù)并在監(jiān)控終端顯示此時(shí)的數(shù)據(jù)→將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中整理后發(fā)送到數(shù)據(jù)調(diào)度中心，以便后續(xù)管理人員對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析等。

按照上述流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。完成對(duì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備后，設(shè)定一個(gè)監(jiān)控終端火災(zāi)事故預(yù)警參數(shù)，在高層建筑中的電氣設(shè)備接線端安裝傳感器與數(shù)據(jù)處理器，實(shí)時(shí)獲取電氣設(shè)備連接線路的溫度值。將本文介紹的監(jiān)控方法的反饋結(jié)果與傳統(tǒng)方法的反饋結(jié)果進(jìn)行整理，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，在13:23:55時(shí)刻，電氣設(shè)備的運(yùn)行溫度超出預(yù)警界限。在此種條件下，監(jiān)控終端應(yīng)立刻觸發(fā)預(yù)警。但在完成實(shí)驗(yàn)與監(jiān)控終端技術(shù)人員的信息交互時(shí)發(fā)現(xiàn)，本文方法的監(jiān)控終端存在1次溫度預(yù)警，而傳統(tǒng)方法的監(jiān)控終端沒有被觸發(fā)預(yù)警。說明本文設(shè)計(jì)的方法可以在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣火災(zāi)事故的有效預(yù)警，從而保障建筑中電氣設(shè)備在運(yùn)行中的安全性與穩(wěn)定性。

表2 本文方法與傳統(tǒng)方法對(duì)建筑電氣運(yùn)行的監(jiān)控

4 結(jié)束語

根據(jù)我國消防單位與公安部門整理與統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，在2019年全年，我國共發(fā)生大、中、小型火災(zāi)約9萬起，事故中屬于城市火災(zāi)事故的約為3.5萬起，在高層建筑或人員密集場(chǎng)所發(fā)生的火災(zāi)事故約為1.5萬起，占城市火災(zāi)事故總量的近三成。并且，隨著城市中高層結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量的增加，火災(zāi)事故的數(shù)量、規(guī)模、傷亡人數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失都呈現(xiàn)一種逐年遞增的趨勢(shì)。為解決建筑火災(zāi)問題，開展此次研究，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的方法可以在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣火災(zāi)事故的有效預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑電氣安全的有效保障。