分散智能型火灾报警控制系统的技术实现

【摘要】对传统的火灾报警及联动系统进行了分析，结合分散智能技术，提出了分散智能型火灾报警及联动控制系统的设计架构和实现方法，解决了传统的火灾报警及联动系统中由集中机来承担所有的功能和风险的实际问题，并分析了实现过程中可能遇到的干扰来源，同时针对这些干扰源提出了抗干扰措施。

【关键词】火灾报警及联动控制系统;分散型控制系统;功能分散;风险分散

一、研究背景

传统的火灾报警控制系统中，消防控制室内设置了一台集中机和多台区域机，区域机的所有报警联动信息必须上报集中机，区域机之间必须通过集中机才能交换数据。基本模式如图1-1示，这种结构模式其最主要的弊端有四个：一是集中机处于最顶层，数据信息量越大，信息丢失、错误数据的数量就越多;二是大数据信息对主机的处理能力要求越高，增大了数据安全的风险;三是这种高度集中的系统，一旦主机因断电或故障导致不能正常工作，就会影响区域机间联动信息的传递，在生命攸关的时刻不能起到保护人民生命财产的这种作用;四是集中机必将重复显示同一个控制室内区域机的报警事件，这样的话，资源浪费，消防工程的造价较高。

图1-1

随着科学技术的发展，DSC（Distributed Control System）分散型控制系统在工业控制中应用得越来越广泛。其主要特点是（1）通用性很强，系统组态灵活。由于分散系统的硬件采用了积木式结构，软件实现了模块化，所以整个系统的配置具有很大的灵活性。选用各种功能的软件模块，根据需要进行组态，即可构成各种控制功能的系统。（2）由于采用了数字化通信技术，数据处理迅速，显示操作集中，人机联系方便。（3）控制系统分散化，提高了运行的安全可靠性。由于各控制回路是由各自的功能组件组成控制系统的，“危险分散”了，同时也避免了中央计算机系统软件的复杂性。随着火灾报警控制系统组成越来越庞大，且对系统的安全可靠性要求越来越高，由此结合分散性控制系统的结构原理及兼顾现有火灾报警控制系统的特点，我们提出了一个完全符合《GB4717-2005火灾报警控制器》、《GB16806-2006消防联动控制系统》和《GB50116-2008火灾自动报警系统设计规范》国标要求的新型分散智能型火灾报警及联动系统。

二、系统设计架构

分散智能型火灾报警及联动系统划分若干分区控制单元（以下简称分区），每一分区是一个独立的控制系统，所有的分区挂接在一条通讯总线上，整个系统有一个显示终端，各分区及显示终端通过通讯总线进行通讯及数据交换。本系统中显示终端负责收集显示报警等各种信息，并向各分区发送操作指令，分区负责管理各种前端设备。如图2-1所示

本系统的主要特点是：（1）分区控制单元是能独立工作的子系统，可管理本身报警联动设备，又可以跨区域联动启动其他控制器上的相关设备，并接收其他控制器传递过来的联动信息，组网更加灵活;（2）采用令牌环的设计理念传递系统权限，任意一台控制器断电或停止工作均不影响系统其他控制器间的联动等信息的传输，增强系统可靠性;（3）对等网络是小型局域网常用的组网方式，将对等网络的成熟技术应用在消防报警系统中，为国内首创;（4）系统中所有控制器由一个显示终端集中管理，控制器不必都集中在控制室中，可以按照需求布置在任意消防场所，既符合消防规范的要求，又降低了工程造价，节省了成本。

图2-1 分散智能型火灾报警及联动系统结构

三、关键技术的实现

1.人机交互界面：可采用业界流行的7TFT液晶屏，采用形象的图标与友好的操作提示相结合的方式，用户使用更加方便。

2.分区单元相对独立，从单回路252点，到16回路4032点，独立存储设置数据和报警数据。各分区采用独立电源，相互不影响，8分区组网容量可达32000点。分区内采用模块化设计，每个模块的板卡都支持热插拔，虽然每个板卡的上电及工作电流较小，但由于板卡数量较多，同时上电时，对电源的电流输出的冲击影响较大，如果因为一个板卡的插拔，需要对整个控制器进行断电上电，也就增加了对消防电源的冲击影响的次数，使电源的使用寿命变短，电源为整个消防系统的动力核心，电源的稳定性决定整个系统的稳定。事实证明采用热插拔技术可以很好地提高了系统的稳定性。

3.通讯总线可采用异步传输接口配接CAN驱动器，与通常使用的RS485驱动器比较起来，具有以下优势：可以提高通讯速度和传输线路的长度;具有发送脉冲斜率控制，可降低射频干扰;差分接收器能抗拒较宽范围的共模干扰;手牵手的连接方式，增强了每个节点的接续能力。如果线路长度超出限定，则可以接入CAN中继器。

4.通讯协议：一主多从的通讯架构，显示终端作为主机，各个分区单元作为从机。显示终端按照一定的时间间隔依次巡检分区单元，分区单元随之将事件上传给显示终端，保证了显示终端与分区之间数据传递的有序性。

①为了保证事件显示的实效性，显示终端的巡检间隔呈弹性变化，是根据分区单元总数来确定，总数越多，则巡检间隔将变短，总数越少，则巡检间隔可以加长，最终都能保证一个固定的巡检周期。

②考虑到用户操作的急迫需求，在巡检周期期间可以立即插入因人为操作引起的任何命令，真正体现了国标要求的“手动操作优先”的原则。

5.系统扩展：当系统容量过大或者分区总数较多，会增加巡检周期，降低实时性，因此可考虑采用层级结构方式。

6.对于该分散系统来讲，各分区间可能远距离连接，解决干扰是分散式系统可靠运行的最为关键的问题。

（1）干扰来源：

①电网内部的变化、开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边，从而对分散系统产生干扰。

②空间的辐射电磁场-EMI，由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、高频设备等产生的辐射干扰，可以对系统内部进行辐射。

③信号线受空间电磁辐射感应的干扰，可以产生差模干扰信号。

④由于信号的接地点电位不平衡而引起的地环路电流，可以通过信号线引入，也将产生共模干扰，称为传导干扰。

（2）抗干扰措施：

①三原则：抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高系统的抗干扰能力。

②对分散系统进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰，控制室机柜内的所有控制设备的信号地都连接至机柜，保持柜内的等电位连接，并且机柜必须要良好接大地;远端的分区也要做到机壳内等电位连接，一点接大地，以防空间电磁场的干扰。

③自制高可靠性的电源，电网干扰串入DCS控制系统，主要通过DCS系统的供电电源、变送器供电电源和与DCS系统具有直接电气连接的仪表供电电源耦合进入的，所以系统设计了隔离性能很好的电源。

④对外引线，也就是分区间的通讯线，通过隔离CAN中继器连接，特别是远离动力电缆、分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰。

⑤分区间的通讯线宜采用屏蔽双绞线，通讯线通过接线盒等中间有转接时，两头屏蔽层应通过转接端子牢固连接，做好绝缘处理，保证全线路屏蔽层应有可靠的电气连续性及一点接地。

⑥分区内回路板采用变压器隔离加微处理器信号编码及解码的数字化智能处理技术，可以彻底隔离外界干扰信号对数字信号的影响，提高了系统的可靠性。

⑦分区内各回路板间信号地隔离，可解决工地多栋建筑共用一台主机时的地线干扰问题。

⑧系统内的信号线与地间并接电容，以减少了共模干扰;在信号线间加装滤波器以减少差模干扰。

⑨由于电磁干扰的复杂性，要根本消除硬件干扰影响是不可能的，因此在分散系统的软件设计时，还在软件方面进行了抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。采取的措施有：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰;定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移;采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位;采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。

四、结束语

随着经济建设的迅猛发展，大型建筑群是建筑行业的发展趋势，该系统完全符合消防自动化系统及楼宇自动化系统功能分散、风险分散的一贯的设计理念，极大地降低了整个系统一旦局部风险发生时对整个系统的影响，并且将这种影响尽可能的降到了最低，尤其适用于大规模消防工程。

参考文献

[1]GB4717-2005火灾报警控制器.

[2]GB16806-2006消防联动控制系统.

[3]GB50116-2008火灾自动报警系统设计规范.

[4]史忠植.中国科学院计算技术研究所.高级人工智能-分布智能.

[5]刘海涛，洪炳F，乔立民.朴松昊 哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院.多智能体机器人系统分散式通信决策研究[J].机器人，2007，6.