分布式智能消防報警與聯動控制系統

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重要性等級如圖1所示，其中消防報警系統的重要性等級最高，對大樓可否使用有著最高的否決權。因此很多文獻從不同層面進行了專題探討:文獻［1］對智能樓宇火災自動報警與消防聯動系統作了比較全面的研究;文獻［2－3］對火災探測與消防聯動作了系統分析;文獻［4］討論了火災自動報警系統的相關設計問題;文獻［5］就高層民用建筑火災自動報警系統的發展趨勢作了綜述;文獻［6］側重研究了究智能化樓宇火災自動報警與消防聯動系統的設計問題。近年來，消防報警與聯動控制愈來愈引起人們的關注。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動控制系統。

圖1 智能化大樓組成部分的重要性等級

1 火災形成原因與過程

1.1 形成原因

建筑物內存在大量可燃體，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。造成火災的根本原因在于對火災危害認識不足，在管理等方面疏于防范而留下火災隱患。大部分火災由下列原因造成:① 人為造成火災。防火意識淡薄，違規操作，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甚至爆炸。人為因素是造成火災最直接的原因，據歷年統計，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。現代建筑中電氣設備及線路極為復雜，管線縱橫交錯，四處接頭。由于設計、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，大量劣質電氣產品經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，雷擊形成火災也屬電氣火災范疇。③可燃體自燃或爆炸形成火災。違規儲存大量可燃固體，如棉花、紙張、化工纖維材料、木材、煤炭等，由于某種原因，致使環境溫度升高，有的固體物質會分解一些可燃氣體，又由于通風不良，均可能使這些固體物質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，遇火源即能發生爆炸而形成火災。可燃液體、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，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“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℃)，即在正常的環境溫度下遇火源也能閃燃，從而造成火災?？梢?，對可燃體的儲存與保管是十分重要的，應當嚴格按規章進行管理。

1.2 火災形成過程

一般認為火災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、預熱，室內溫度升高，產生大量的煙霧氣溶膠，如果此階段能將火災信息感知報警，可將火災損失降低到最低程度。陰燃階段，室內的煙霧氣體積濃度已達相當水平，但是蓄積的熱量使環境溫度迅速升高，遇明火極易點燃，這個階段所占的時間較短。在火災初始與陰燃階段最顯著的特征是產生大量煙霧氣?；鹧嫒紵A段，室內可燃物充分燃燒，產生大量可見光，室內溫度迅速上升，火勢迅速蔓延，當燃燒產生的熱與通過外圍結構散失的熱量逐漸平衡后，室內溫度基本上維持恒定，此時已形成火災。

2 火災探測器

2.1 火災探測器

火災探測器是火災自動報警與聯動控制系統最基本和最關鍵的部件之一，本質上是感知其裝置區域范圍內火災形成過程中的物理和化學現象的部件。其基本功能要求是:信號傳感要及時，具有相當精度;傳感器本身應能給出信號指示;通過報警控制器，能分辨火災發生具體位置或區域;探測器應具有相當穩定性，盡可能地防止干擾。火災探測器通常由敏感元件、相關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形成過程中的物理或化學參量，如煙霧、溫度、輻射光、氣體體積濃度等，并將其轉換為模擬量，它是火災探測器的核心部件。

電路的作用是對敏感元件感知并轉換成的模擬電信號進行放大和處理，通常由轉換電路、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 火災探測器電路框圖

轉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，使之成為滿足火災報警系統傳輸所需的模擬載頻信號或數碼信號，通常由匹配電路、放大電路和閾值電路等部分組成。保護電路是用于監視探測器和傳輸線路故障的電路，由監視電路和檢查電路2部分組成?？垢蓴_電路用于提高火災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，一般在探測器上設置動作信號燈。接口電路用以實現火災探測器之間、火災探測器和火災報警器之間的信號連接。此外，固定部件用于固定探測器，其外殼應既能保證煙霧、氣流、光源、溫度等物理和化學量達到敏感元件，又能盡可能地防止灰塵及其他非感知信號進入。

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

圖3 感煙火災探測器分類

感溫火災探測器是工程上常見的火災探測器之一，主要作用于不適合或不完全適合感煙火災探測器的一些場合，圖4所示為其主要類型。氣體火災探測器用于對可燃氣體體積濃度進行檢測，對周圍環境氣體進行“空氣采樣”和對比測定，發出火災警報信號。它不僅可以極早預報火災發生，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報。

圖4 感溫火災探測器分類

2.2 分布智能式火災探測器

火災探測器本身并不報警。其中模擬量火災探測器實質上就是作為火災探測用的傳感器，其輸出值能夠真實地再現變化著的輸入量，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，由報警控制器實現數據記憶、存儲、計算、分析和統計處理。根據設定的火災模型來判斷該信號是否為火災信號，同時對溫度、濕度和灰塵等外界非火災因素的變化實施自動補償，對電干擾及線路分布參數的影響進行自動處理。當然也可根據現場的不同環境，在報警控制器中用軟件設置探測器的靈敏度。存在的主要問題:為使系統能夠識別真假火災現象和防止誤報，提高探測器的靈敏度，必須采用復雜的火災數據處理方法，這樣增加了火災報警控制器的復雜性。因此，為了解決火災信息探測處理過程中模擬量火災探測器數據處理能力單一、火災報警控制器功能過于復雜和系統內部數據傳輸量較大等技術問題，其努力方向是設置分布式智能火災監控系統。它的顯著特點是每個探測器上都帶有CPU，火災探測器把采集到的現場信號與在探測器內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，火災時探測器以中斷方式向控制器傳送采集處理后的信息數據，由控制器做進一步的分析判斷。由于擺脫了傳統巡檢技術的弊病，數據傳輸不再受巡檢周期的限制，大大縮短了火災報警和啟動消防設備所需的時間。而火災報警控制器由于免去了大量的現場信號處理負擔，可以從容不迫地實現多種管理功能，從根本上提高了系統的穩定性和可靠性。另外火災報警控制器采用多CPU并行處理技術，除了主CPU外，在每一個回路驅動板上都帶有1個CPU，這些CPU并行工作，分別對回路進行掃描，提高了系統信息處理速度。智能建筑中火災探測器的選擇應根據探測區域內可能發生的初期火災的形成和發展特征、房間高度、環境條件以及可能引起誤報的原因等因素綜合確定，采用模擬量火災探測器或分布智能式火災探測器。

3 火災報警控制器工作原理

圖5為火災報警控制器工作原理。由圖5可知，無論是區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，從消防報警系統角度出發，它主要包括輸入單元、輸出單元、監控單元、記憶單元以及電源單元。輸入單元接收人工或自動火災探測器送來的信號，送至CPU加以判別、確認，并識別相應的編碼地址。輸出單元確認火災信號后，一方面輸出聲(喇叭、蜂鳴器)，光(顯示)報警信號，另一方面向有關聯動滅火與減災子系統輸出主令控制信號，這些信號可以是電信號，也可以是繼電器接點信號。監控單元的作用在于:一是檢查報警控制器與探測器以及區域報警控制器與集中報警控制器之間線路的狀態是否存在斷路(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，報警控制器應給出故障聲、光報警，以確保系統工作安全可靠;二是自動巡回檢測，自動定期周而復始地逐個對編碼探測器發出的信號進行檢測，實現報警控制器的實時控制。記憶單元:實時時鐘記下第1次火災報警時間，直到火警消除、復位后方恢復正常。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報警控制器。圖5顯示出，通過I/O接口，火災報警控制器具有了圖形顯示功能和聯網及信息中繼能力，可以實現與建筑物內其他子系統之間的系統集成。系統程序通常由產品制造商直接寫入只讀存儲器中，使用者無法更改。

圖5 火災報警控制器工作原理

4 聯動控制系統

現代消防報警控制器除具有自動報警功能外，幾乎都具有聯動減災和滅火控制功能，有的消防控制系統為了強化滅火與減災控制功能也采用專用的聯動控制柜，通過RS485接口分別與集中報警控制器和各類手動控制盤聯接?，F以自動氣體滅火聯動系統為例進行分析。目前工程上采用的自動氣體滅火系統主要是指二氧化碳滅火系統和鹵代烷(1211、1301)滅火系統。二氧化碳和鹵代烷均屬于氣體滅火介質。二氧化碳滅火機理主要是對可燃物質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反應過程，因此滅火速度快、滅火效果優于二氧化碳。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，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，因此國家規定不得在存貯上述物品的環境中采用鹵代烷滅火系統。近年來，出現一種新型的滅火介質——煙烙盡(Inerqen)代替鹵代烷，不過煙烙盡價格過高，因此選用時應謹慎。此外，鹵代烷的價格也遠高于二氧化碳。二氧化碳滅火系統和鹵代烷氣體在一定溫度和一定壓力下均可以以液態貯存，作為滅火劑釋放出來后又成為氣體狀態，在滅火后不留痕漬，且不導電，但均對人體有害。所以在工程上通常將氣體滅火系統作為自動水滅火系統的補充，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。

自動氣體滅火系統主要由氣體貯存鋼瓶、容器閥、啟動氣瓶、噴頭、管網及裝于管網上的壓力訊號器組成，其系統控制框圖如圖6所示。當設置在滅火區內的火災探測器發出火災信號以后，經火災報警控制器確認，驅動聯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，經分配閥、相應部分的管路以及布置于滅火區內的噴頭，噴出二氧化碳或鹵代烷氣體進行滅火。壓力訊號器負責檢測管道內的壓力并將其轉換為電信號或開關信號，作為反饋信號反饋至消防控制中心，實現聯動的閉環自動控制。

圖6 自動氣體滅火系統框圖

5 分布式智能消防報警與聯動控制系統

現代火災報警與聯動控制系統一般采用地址編碼式尋址的消防報警系統，其特點是將各個探測器進行數字式的地址編碼。由于20世紀80年代以后普遍采用了具有聯網功能的集中式智能消防報警與聯動控制系統，但是仍采用傳統編址式的火災探測器，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，由主機內置軟件將探測器回傳信號與內存的火災典型信號進行比較，根據其速率變化量、閾值幅度、連續變化情況等因素判斷信號類型是火災信號還是其他干擾信號，只有信號特征與主機內置的典型火災信號特征相符時，確定為火災信號，才會報警，從而極大減少了誤報率。由于系統大量采用了計算機微處理技術，具有集中式圖形顯示和聯網功能，從而可以實現消防系統(FAS)與閉路電視監控系統(CCTVS)、樓宇自動控制系統(BAS)間的系統集成。盡管此類集中式智能系統比非智能型系統優點多、功能強大，但顯然存在主機負擔過重，致使系統出現軟件程序復雜、量大，檢測器巡檢周期長等問題，從而使實時監控能力削弱，降低了系統可靠性和使用維護的方便性。分布式智能消防報警與聯動控制系統可減少主機處理大量現場信號負擔，集中實施多種管理功能的消防報警系統，可方便實現系統的聯動控制。此類系統的火災探測器本身具有微處理功能，可以實現火災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，提高了整個系統的穩定性和可靠性。

6 結束語

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

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