應(yīng)急照明系統(tǒng)二總線中繼裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

武 鑫 李德春 狄 國

（1.山東華天科技集團(tuán)股份有限公司 2.山東華天電氣有限公司）

0 引言

消防二總線是一種相對于四線系統(tǒng)（兩根供電線路、兩根通訊線路），將供電線與信號線合二為一，實(shí)現(xiàn)信號和供電共用一個(gè)總線的技術(shù)。二總線節(jié)省了施工和線纜成本，給現(xiàn)場施工和后期維護(hù)帶來了極大的便利，在消防、儀表、傳感器、工業(yè)控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在消防領(lǐng)域，消防應(yīng)急照明控制系統(tǒng)是不可或缺的消防系統(tǒng)之一。在大型建筑照明設(shè)計(jì)中，普遍存在照明線路遠(yuǎn)距離供電的場景，在地鐵區(qū)間隧道設(shè)計(jì)中尤為常見。當(dāng)供電線路距離過遠(yuǎn)，線路末端的電壓降增大，影響照明質(zhì)量；同時(shí)，遠(yuǎn)距離供電由于電壓損失加大，要維持燈具的功率，必須加大電流，線路較長時(shí)電感增大，在電流增大時(shí)會影響到通訊波形的畸變從而影響通訊。因此，本文結(jié)合實(shí)際工程，從中繼裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行分析探討。

1 電壓降相關(guān)規(guī)范要求

按照GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]（以下簡稱《照明標(biāo)準(zhǔn)》）第7.1.4條規(guī)定：照明燈具的端電壓在一般工作場所不宜低于其額定電壓的95%；應(yīng)急照明和用安全特低電壓（SELV）供電的照明不宜低于其額定電壓的90%。對于普通照明系統(tǒng)，大型建筑照明末端線路的電壓降允許值可按照一般情況選取為額定電壓的5%。

對于消防應(yīng)急照明系統(tǒng)，根據(jù)GB 51309—2018《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]（以下簡稱《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》）第3.1.2條：對于大型建筑，一般設(shè)有消防控制室，消防應(yīng)急照明系統(tǒng)采用集中控制型系統(tǒng)，8m及以下空間燈具采用集中電源A型燈具，該系統(tǒng)末端線路的電壓降允許值可按《照明標(biāo)準(zhǔn)》第7.1.4條第3款安全特低電壓供電要求選取系統(tǒng)額定電壓的10%。

2 通訊解碼要求

標(biāo)準(zhǔn)UART的RXD前端有一個(gè)“1到0跳變檢測器”，當(dāng)其連續(xù)接受到8個(gè)RXD上的地電平時(shí)，該檢測器就認(rèn)為RXD線出現(xiàn)了起始位，進(jìn)入接受數(shù)據(jù)狀態(tài)。在接受狀態(tài)，接受控制器對數(shù)據(jù)位7、8、9三個(gè)脈沖采樣，并遵從三中取二的原則確定最終值。采用這一方法的根本目的還是為了增強(qiáng)抗干擾，提高數(shù)據(jù)傳送的可靠性，采樣信號總是在每個(gè)接受位的中間位置，可以避開數(shù)據(jù)位兩端的邊沿失真，也可以防止接受時(shí)鐘頻率和發(fā)送時(shí)鐘頻率不完全同步引起的誤差。異步串口通訊的數(shù)據(jù)格式如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)格式

由于在空閑狀態(tài)時(shí)，傳送線為邏輯“1”狀態(tài)，而數(shù)據(jù)的傳送總是以一個(gè)起始位“0”開始，所以當(dāng)接收器檢測到一個(gè)從“1”向“0”的跳變時(shí)，便視為可能的起始位（要排除干擾引起的跳變）；起始位被確認(rèn)后，就知道發(fā)送器已開始發(fā)送，接收器就可以按這個(gè)數(shù)據(jù)通信格式接收后續(xù)的數(shù)據(jù)了；當(dāng)檢測到停止位“1”后就表明一幀字符數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢。

為了提高采樣的準(zhǔn)確率，需確保采樣點(diǎn)處于被采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間中間點(diǎn)。所以，在接收采樣時(shí)要用比數(shù)據(jù)波特率高n倍（n≥1）速率的時(shí)鐘對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，如圖2所示。

圖2 采樣示意圖

如圖2所示，在t1時(shí)刻若檢測到低電平，就開始對這個(gè)低電平進(jìn)行連續(xù)的檢測；當(dāng)檢測了8個(gè)時(shí)鐘周期后，到達(dá)t2，此刻，若前面的8個(gè)周期都是低電平，則認(rèn)為檢測到了起始脈沖。否則就認(rèn)為是干擾，重新檢測；在檢測到起始位后，再計(jì)數(shù)16個(gè)采樣時(shí)鐘周期就到達(dá)了第一個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間中間點(diǎn)t3，在此刻采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存；然后再經(jīng)過16個(gè)周期，就是第二個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間中間點(diǎn)，在此時(shí)刻進(jìn)行采樣；然后，再經(jīng)過16個(gè)周期，就是第三個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間中間點(diǎn)，在此時(shí)刻進(jìn)行采樣……，如此重復(fù)采樣，直到把所有的數(shù)據(jù)位采樣完畢。

因此由于電感續(xù)流的原因產(chǎn)生波形畸變，當(dāng)通訊波形的寬度小于原波形的一半時(shí)就會發(fā)生通訊誤碼，造成系統(tǒng)失去控制。

3 數(shù)學(xué)建模

通常，二總線主從系統(tǒng)的連接方式如圖3所示。

圖3 總線示意圖

按照國家建筑設(shè)計(jì)圖集21D702-8 《地鐵及城市交通隧道應(yīng)急照明設(shè)計(jì)與安裝》中關(guān)于地鐵工程地下區(qū)間直流照明配電線路電壓損失計(jì)算，燈具在配電線路上均勻布置。

計(jì)算方法：

1）n個(gè)光源折算為集中復(fù)核后的線路長度（m）：

式中，N為本回路燈具數(shù)量；L1為集中電源進(jìn)入?yún)^(qū)間第一站燈的線路長度；L2為區(qū)間燈具的間隔，m。

2）當(dāng)回路有n盞燈時(shí)，最末一盞燈處的電壓損失（V）：

式中，P為單燈額定功率，W；U為額定電壓，V；ρ為溫度為70℃時(shí)導(dǎo)線電阻率，Ω×mm2/m；S為導(dǎo)線截面，mm2。

3）電壓損失百分比：

當(dāng)應(yīng)急照明燈具單燈功率為10W的地鐵區(qū)間，L1為200m，線徑為4mm2，燈具間距為10m，第6盞燈具的直流線路電壓損失已超過10%，第11盞燈具電壓損失已超過20%。

由于應(yīng)急照明燈具的電氣特性為恒功率特性，隨著電壓損失逐步增大，燈具入口的電壓逐步降低，燈具的電流逐步增大。

二總線系統(tǒng)等效模型如圖4所示。

圖4 二總線系統(tǒng)電路等效模型

續(xù)流過程分析：當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，第一段電感產(chǎn)生反向電動(dòng)勢，此時(shí)E=U1，di=i0-it（i0為斷開前電路中的電流N×I；在開關(guān)斷開后電感中的電流會隨著時(shí)間逐漸減小，it為在t時(shí)刻電路中的電流，此時(shí)燈具1已經(jīng)退出續(xù)流過程，此時(shí)it=（N-1）×I；因此di=N×I-（N-1）I=I，由此也可以得出每次電流的變化量為單燈電流），因此回路整體的續(xù)流寬度：

4 中繼裝置設(shè)計(jì)

在總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線信號波形圖如圖5所示。

圖5 總線信號波形示意圖

當(dāng)回路的續(xù)流寬度大于總線電壓波形低電平寬度的1/2時(shí)，通訊出現(xiàn)解碼錯(cuò)誤，本文將針對這種情況進(jìn)行一種二總線中繼裝置的設(shè)計(jì)，如圖6所示的二總線中繼裝置，包括上行電路1、儲能電路2、總線控制器3和下行電路4。

圖6 中繼裝置示意圖

其中，上行電路1包括上行接收電路和上行發(fā)送電路；上行接收電路包括相互并聯(lián)的第一穩(wěn)壓管D1和檢波分壓電阻；第一穩(wěn)壓管D1并聯(lián)在中繼電路的兩個(gè)輸入端；檢波分壓電阻包括第一檢波分壓電阻R1和第二檢波分壓電阻R2，通過第一檢波分壓電阻R1和第二檢波分壓電阻R2進(jìn)行所輸入電平的分壓，將分壓轉(zhuǎn)化后的電平信號輸入到總線控制器中；上行發(fā)送電路包括回傳控制三極管T1和回傳限流電阻R1，回傳控制三極管T1的集電極連接第一穩(wěn)壓管D1的一端和第一檢波分壓電阻R1的一端，回傳控制三極管T1的發(fā)射極通過回傳限流電阻R3連接遠(yuǎn)離第一檢波分壓電阻R1的第二檢波分壓電阻R2的一端，回傳控制三極管T1的集電極連接總線控制器的上行發(fā)送單元。

儲能電路2包括第一二極管D2和第一電容C1。其中，第一二極管D2的陽極連接回傳控制三極管T1的集電極，第一二極管D2的陰極連接第一電容C1的陽極，第一電容C1的陰極連接遠(yuǎn)離回傳控制三極管T1發(fā)射極的回傳限流電阻R3的一端。

總線控制器3包括微控制器和供電單元，其中，微控制器與供電單元電連接，微控制器包括上行接收單元、上行發(fā)送單元、下行發(fā)送單元和下行接收單元；供電單元的一端分別與第一二極管T2的陰極、第一電容C1的陽極和第二二極管D3的陰極相連接，供電單元的另一端與第一電容C1的陰極和遠(yuǎn)離回傳控制三極管T1發(fā)射極的回傳限流電阻R3的一端相連接；上行發(fā)送單元與回傳控制三極管T1的基極相連接，上行接收單元與第一檢波分壓電阻R1和第二檢波分壓電阻R2連接的位置處相連接。

下行電路4包括下行發(fā)送電路和下行接收電路；其中，下行發(fā)送電路包括晶閘管Q1、第一三極管T2、第一電阻R5、第二電阻R6和第二三極管T3；其中，晶閘管Q1的發(fā)射極連接第一二極管D2的陰極，其集電極連接第一三極管T2的發(fā)射極，其基極連接下行發(fā)送單元的一端；第一三極管T2的發(fā)射極分別連接第二電阻R6的一端和晶閘管Q1的集電極，其集電極分別連接第二三極管T3的基極和下行發(fā)送單元的另一端，其基極與第一電阻R5的一端相連接；第一電阻R5的另一端分別與第二電阻R6的另一端和第二三極管T3的發(fā)射極相連接；下行接收電路包括采樣電阻R4、第二二極管D3和第二穩(wěn)壓管D4，第二二極管D3的陽極分別與采樣電阻R4的一端和下行接收單元的一端相連接，第二二極管D3的陰極連接第一三極管T2的發(fā)射極和晶閘管Q1的集電極，采樣電阻R4的另一端連接下行接收單元的另一端；第二三極管T3的集電極與第二穩(wěn)壓管D4的一端相連接；第一三極管T2的發(fā)射極與第二穩(wěn)壓管D4的一端相連接，第二穩(wěn)壓管D4并聯(lián)在中繼電路的兩個(gè)輸出端。

通過第一檢波分壓電阻R1和第二檢波分壓電阻R2的分壓作用，將36V的電平信號轉(zhuǎn)換成TTL電平信號VTTL=R2/（R1+R2）×36V進(jìn)入總線控制器；通過回傳控制三極管T1的開通與關(guān)斷將所得到的TTL回傳信號轉(zhuǎn)換為電流信號，通過主站上傳到上位機(jī)，回傳控制三極管T1開通時(shí)從主站拉取電流，回傳控制三極管T1關(guān)斷時(shí)停止拉取電流，主站通過電流-電壓變換讀取信號；儲能電路用于為中繼裝置本身及后端負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電壓；第一電容C1用來將上行總線的波形濾除，輸出為穩(wěn)定的電壓信號；第一二極管D2用來消除后端電壓給前端采樣帶來的影響；總線控制器用于通信解析及轉(zhuǎn)發(fā)控制；上行接收單元將收到上行的信號TTL電壓信號解析后通過下行發(fā)送單元輸出到下行設(shè)備；下行接收單元將收到的下行設(shè)備回傳信號解析后通過上行發(fā)送單元回傳到上位機(jī)；下行電路用于將接收到的上行下發(fā)信號發(fā)送到下行終端設(shè)備以及將終端設(shè)備的回傳信號接收解析后通過上行發(fā)送單元回傳到上位機(jī)；在下行發(fā)送電路的作用下，通過對晶閘管Q1及第一三極管T2、第二三極管T3按照時(shí)序進(jìn)行開通關(guān)斷控制，發(fā)送低電平時(shí)，晶閘管Q1關(guān)斷，第二三極管T3開通，達(dá)到限流值后第一三極管T2開通，將第二三極管T3關(guān)斷；發(fā)送高電平時(shí)，晶閘管Q1開通，第一三極管T2、第二三極管T3都截止，將輸入電壓高電平電壓直接輸出，從而將TTL信號調(diào)制為總線電壓波形；采樣電阻R4將回傳電流環(huán)信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，電流信號通過采樣電阻R4轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號進(jìn)入控制器進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，第二二極管D3用來防止總線電壓波形進(jìn)入回傳解析單元。

根據(jù)實(shí)際波形測試，加入中繼裝置后可將因電感效應(yīng)導(dǎo)致的波形低電平寬度減小的情況重新通過中繼低電平寬度展寬到正常通訊區(qū)間；根據(jù)現(xiàn)場測試可將單回路200W負(fù)載通訊距離延長一倍；根據(jù)現(xiàn)場測試情況可以在單回路滿載200W工況下實(shí)現(xiàn)可靠回傳；根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用此中繼裝置電路可無需額外供電，直接串聯(lián)在總線中，易于實(shí)施。

5 結(jié)束語

應(yīng)急照明是民用建筑電氣設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，在國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集21D702-8《地鐵及城市交通隧道應(yīng)急照明設(shè)計(jì)與安裝》中提供了A型燈具線路電壓損失百分?jǐn)?shù)和線路供電功率關(guān)系曲線等作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件，但僅對線路壓降進(jìn)行了說明，由于線路電感通過二極管續(xù)流造成的總線電壓波形畸變問題沒有解決，應(yīng)急照明系統(tǒng)為集中監(jiān)控系統(tǒng)，在保證供電可靠的基礎(chǔ)上，狀態(tài)巡檢以及應(yīng)急控制的穩(wěn)定性問題不容忽視，本文提出通過設(shè)計(jì)二總線中繼裝置的方式進(jìn)行總線通訊波形的整定，從而達(dá)到正常通訊，且在實(shí)際項(xiàng)目中得到了充分的驗(yàn)證。