光纖差定溫火災探測報警系統的工程應用

杭州和利時自動化系統工程有限公司 張靖宇 劉華 師虎

光纖差定溫火災探測報警系統的工程應用

杭州和利時自動化系統工程有限公司 張靖宇 劉華 師虎

文章針對化工原料庫區的消防報警系統的組成及其缺陷，分析了線性光纖差定溫火災探測器的工作原理、系統參數及網絡構成，并結合工程實際總結了線型光纖差定溫火災探測器的工程設計和施工方案。

消防報警；光纖探測器；敷設；系統

1 概述

化學工業一直是同發展生產力，保障人類社會生活必需品和應對戰爭等過程密不可分，隨著社會進步以及人們生活需求不斷增加，各種化工企業也越來越多，隨之而來的安全隱患也不斷增加。近年來化工廠安全事故時有發生——起火、爆炸、泄漏等等，現場慘狀觸目驚心，后果損失令人扼腕嘆息。如何增強防范措施，加強預防意識，將事故控制在萌芽狀態，盡量減少甚至避免各種事故給人民和企業帶來的傷害，成為一個不容忽視的重要課題。然而目前市面上的大部分事故探測、報警等裝置基本上都立足于事故發生之后，而這時已經產生了人員傷亡或設備的損害和損失，特別是在一些高危的化工企業，一旦事故發生就會迅速蔓延變得難以控制。因此，如何及時發現事故“隱患”，并對潛在事故發出“預警”，從而在事故尚未發生時就予以消除，是最好的事故防范措施。隨著微電子技術、探測傳感器技術、通信和網絡化技術的飛速發展，火災探測報警與消防通信技術領域發生了新的變化，而光纖差定溫探測報警裝置就是這樣的一支走在探測事故潛在隱患前面的“尖兵”。

2 光纖差定溫火災探測報警系統簡介

2.1 簡述

線型光纖感溫火災探測器是近幾年發展起來的，集光、機、電、計算機、光纖光纜和弱信號檢測等技術于一體，實時測量空間溫度場分布的高新技術。它能夠連續測量光纜沿線的溫度，測量距離可達幾公里，空間定位可達到數米，能夠進行不間斷大范圍的測量，并且由于傳輸信號是光信號而非傳統的電信號，檢測現場無需供電，實現了真正意義上的本質安全，并且具有節省能源、測量精度高、抗電磁干擾、防雷擊、抗腐蝕、耐高溫、體積小、數據傳輸快、自適應性能好等諸多優點，特別適用于化工原料庫區類的大范圍多點測量的應用場合。

2.2 工作原理

線型光纖差定溫分布式測量設備是基于拉曼光時域反散射技術（ROTDR）原理工作的。一個激光脈沖在光纖中傳輸可以在其傳送終端得到光纖上各點的背向散射信號，經過分析，拉曼散射信號的光強度包含了整條光纖溫度場信息。

在背向散射光信號中包含了很多波長，有些波長的信號受溫度變化的影響，有些不受影響。通過精準的測量背向散射信號的信號強度差異，將散射回來的光波經過波分復用，檢測解調送入信號處理系統，經專家算法和快速數據處理功能從而可以實現精確測溫，并且根據光波在光纖中的傳播速度和背向光回波的檢出時間可對信號進行精準定位。用光時域散射（OTDR）技術，可以確定光纖處的損耗，光纖故障點、斷點的位置，因此也可稱為光纖激光雷達。而利用改進的OTDR技術探測喇曼散射，可以確定沿光纖長度上的溫度分布。 在光纖L處局域的Stokes Raman散射光子數為：

在光纖L處局域的反Stokes Raman散射光子數為 ：

其中，Ks、Ka為與光纖Stokes和反Stokes Raman散射截面有關的系數；S為光纖的背向散射因子；為Stokes Raman和反Stokes Raman散射光子頻率；Nc為在光纖入射端的激光脈沖光子數；T為絕對溫度；分 別為入射、Stokes Raman散射、反Stokes Raman散射光頻率的光纖傳輸損耗；L為光纖待測局域處的長度；Rs (T)、Ra (T)為與光纖分子低能級和高能級上的布居數有關的系數，并有：

其中h是普朗克常數；k是玻爾茲曼常數。

解調法是用Stokes Raman散射OTDR曲線解調反Stokes Raman散射OTDR曲線。

圖1 光波返回信號圖

利用光時域反射（OTDR）技術，由光纖中光傳播速度和背向回波時間，能對所測各溫度點定位（類似于光雷達系統）。

圖2 系統組成圖

溫度分辨率受以下幾個方面的影響：測量時間，空間分辨率，傳感光纖長度和光纖的衰減，熔接或連接器損耗。

2.3 技術特性

系統可以做到幾公里范圍內的分布式溫度實時監控，提供連續的動態數據監測任意溫度點預報警，溫度分辨率0.1℃，精度±2℃。與工業常用的測溫設備和元器件相比大大減少了設備數量和施工難度從而大幅度降低了工程投入。

具體技術參數見表1。

表1 技術參數

傳感光纖光纖類型5 0 / 1 2 5或6 2 . 5 / 1 2 5 多模光纖動態范圍1 5 d B測溫范圍-1 0 0℃～5 0 0℃(取決于探測光纜)接口類型光纖類型5 0 / 1 2 5或6 2 . 5 / 1 2 5 多模光纖動態范圍1 5 d B測溫范圍-1 0 0℃～5 0 0℃(取決于探測光纜)其他可允許設置的測量時間1秒、2秒、3秒、5秒、1 0秒及以上可允許的測量模式單端、雙端（可選）推薦校準周期3年激光輻射等級（I E C 6 0 8 2 5 -1：2 0 0 7）C L A S S 1

3 在某化工罐區的設計與施工

現有的化工罐區常用的有內浮頂、外浮頂、拱頂及球罐等。光纖差定溫探測報警系統主要用于浮排密封圈附近，儲罐頂部，球罐四周的溫度探測。根據現場情況一般用機械夾具將感溫光纜固定在儲罐上。

3.1 感溫光纜鋪設方案

在此項目中儲罐形式為臥式儲罐，最終確定如下光纜敷設方案：

探測光纜從地下保護管引出沿著球型儲罐的支撐柱拉向球型儲罐的底部，從底部開始以螺旋方式盤繞在球型儲罐外表面直至頂部。等光纜鋪設到頂部后再沿著儲罐外表面直接鋪往地下，進入下一個儲罐的鋪設。

圖3 臥式儲罐光纜鋪設圖

考慮到儲罐的外層為金屬鋼板，因此可以采用磁性較強的鎳磁固定光纜鋪設方式非常合適；在球型儲罐的赤道線一下每隔0.5～1m設置一個固定點，而在赤道線以上每隔1m～3m設置一個固定點；每圈光纜之間的間距應在1.0m至3.0m之間，實際參數的設定應根據具體情況進行設定。

對于臥式儲罐可以采用如圖3所示的鋪設方法，此法鋪設起來簡單易行，監測效果良好。

圖4 臥式儲罐光纜鋪設展開圖

如圖4所示探測光纜從地下保護管引出后從臥式儲罐的一端開始以類似正弦形的方式沿著儲罐外表面鋪向另一端，鋪完后引入地下進入下一個儲罐的鋪設。

3.2 軟件系統安裝

運行安裝目錄下的文件Setup.exe，首先會檢測Windows系統中是否有DTS系統運行所需要的Microsoft .NET Framework環境，如果沒有，會首先運行dotnetfx.exe，安裝Microsoft .NET Framework環境。

安裝好Microsoft .NET Framework環境后，再運行Setup. Exe，或者第一次運行時已經檢測到運行環境的存在，就會調用DTSSetup.msi，進行DTS系統程序的安裝。

運行DTSSetup.msi后，首先進入歡迎界面。點擊“下一步”，進入系統安裝目錄的選擇，安裝目錄可以使用默認的目錄，也可以選擇其他的安裝目錄。

軟件安裝好之后，首先要進行注冊，才能正常使用本系統軟件。從桌面的“DTS分布式光纖測溫系統”圖標或“開始”-“程序”-“振東光電DTS”-“DTS分布式光纖測溫系統”運行系統程序，進入主界面；后點擊菜單“幫助”-“注冊”，進入注冊窗口；在注冊碼的輸入框中輸入設備供應商提供的注冊碼，然后點“注冊”按鈕，注冊成功后，就可以正常使用本系統軟件了。

4 工程總結

光纖差定溫火災探測報警系統設備投入少，安全性能高，探測精確，可重復多次利用，后期維護成本低，使用壽命長達20到30年，可與噴淋降溫系統和消防滅火系統實時聯動，能夠大大提升化工廠設備的火災預警能力，減少設備損壞和人員傷亡事故。因此，特別適合于石化、化工、罐區等易燃易爆的特殊場所。隨著國家對安全生產越來越重視，用戶對系統安全性的要求越來越高，消防安全的預警探測系統不僅滿足了工業生產安全的需求，而且對啟發我們在自控行業的現場探測傳感方面的新思路也不無裨益。

西門子將增加研發投入3億歐元，總額增至48億歐元

2016財年（2015年10月1日至2016年9月30日），西門子將投入近48億歐元用于研發，這一金額與上財年相比增加了約3億歐元。至此，西門子在研發方面的投入相較于2014財年增長近20%。所增加投入的主要部分將被用于自動化、數字化以及分布式能源系統領域的研發工作。2015財年，西門子的研發力度（research intensity，即研發支出占營收額比重）為5.9%，較2014財年增長0.3%。此外，西門子還采取了一系列措施用于進一步加強公司的創新能力。

西門子股份公司總裁兼首席執行官凱颯（Joe Kaeser）表示，“西門子需要好的創意，因此我們正在創造條件以滿足那些來自于公司內外部、擁有聰明才智的人能夠快速有效地執行他們的想法。”

為了實現該目標，西門子正在組建一個新的部門，將在一個初創企業的環境中為新的嘗試和增長提供空間。這個暫定名為“Innovation AG”的新部門將為業務和項目創意提供咨詢、宣傳以及風險投資服務。與初創企業類似，該部門獨立于西門子核心業務之外，并將補充和加強西門子現有的初創項目。

為了增強公司整體的技術創新實力，西門子還同時成立了一個科學委員會。西門子技術與創新委員會（STIC）將為西門子股份公司管理委員會在技術與創新領域的戰略話題提供系統的監測與分析。STIC由西門子股份公司首席技術官魯思沃（Siegfried Russwurm）及其他七位在國際科研團體中德高望重、經驗豐富的專家組成。

根據與在德員工代表達成的一致意見，西門子將啟動一項投資基金以有針對性地加強員工的創新能力。為此，西門子除了在本財年內增加3億歐元的研發投入外，還將在未來三年額外投入約1億歐元。在未來一年內，將有約1,000萬歐元的研發基金用于德國。這些資金將用于在員工內部培育能夠帶來經濟效益的創新理念。與Innovation AG所資助的項目不同，這些創新理念無須完全專注于新技術或新業務才能獲得資助，它們也可以是致力于改進流程、改善服務或者更好地維持客戶關系。

作為與頂級大學建立研發合作的延伸，西門子在位于慕尼黑郊區的慕尼黑工業大學（TUM）加興校區建立了新的研發中心。在該研發中心，超過100名西門子科學家將與慕尼黑工業大學的研究員一起，共同從事從信息技術安全到自動化系統方面的研究。2016年，西門子將在中國成立一個新的研發創新中心。該中心將實現跨業務集團合作，超過300名員工將從事針對中國和國際市場的全新數字化解決方案的研究。

西門子不僅與高校展開合作，還將進一步加強與初創企業的合作。例如，公司將在以色列的特拉維夫市設立新的聯絡處，以建立與以色列初創企業的緊密聯系。西門子已經在全球設立了三個此類辦公室，分別位于伯克利、上海和慕尼黑。為了找到最創新的點子，西門子“星探”每年會聯系超過1,000個年輕的公司。

Engineering Application of Fiber Fixed Temperature Fire Detection and Alarm System

Aiming to composition and defects of the fire alarm system for the chemical raw materials warehouse, this article analyzes the working principle of linear fiber optic fixed temperature fire detector, parameters and network configuration of the alarm system, and summarizes the engineering design and construction scheme of the detector according to the real project.

Fire alarm; Optical fiber detector; Fiber optic cable laying; System

張靖宇（1972-），男，山東濟南人，工程師，碩士研究生，研究方向為工業自動化儀表的應用。

劉華（1984-），女，山東濟南人，助理工程師，本科學歷，研究方向為工業自動化儀表的產品開發及應用。

師虎（1969-），男，黑龍江雙城人，助理工程師，現任杭州和利時自動化系統工程有限公司華東區儀表業務負責人，主要負責電氣、儀表的后期實施。