基于物联网的消防联动控制系统架构展望

力安科技3年前 (2021-09-07)支持与服务2047

近年来,建 / 构筑物呈现出建筑体量扩大化及使用功能复杂化的发展趋势,建 / 构筑物的这种发展趋势对消防联动控制系统的容量和控制功能提出了更高需求,也对系统运行的稳定性和可靠性提出了更高挑战;同时,各地智慧消防、智慧城市的建设也对消防联动控制系统的物联网功能提出了新的需求。然而,消防联动控制系统现有的架构模式及功能业已不能完全满足新形势下建 / 构筑物上述消防功能的需求。笔者依据国家标准《消防联动控制系统》GB 16806的修订思路,对未来消防联动控制的架构形式和系统功能进行简要解析和展望。


现有消防联动控制系统的架构模式及工作原理解析


>>>>现有消防联动控制系统的架构模式

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消防联动控制系统现有的组成架构如图1所示。

>>>>消防联动控制系统现有架构模式存在问题分析

消防联动控制系统现有架构模式在工程适用性方面存在下述几个方面的问题。

>>系统复杂的架构模式加大了系统的工程造价和维护管理难度


由图1可以看出,消防应急广播系统、消防应急照明系统、自动灭火系统等建筑消防系统、设施,均需通过联动模块与消防联动控制器连接,此系统架构模式看似简单,实则复杂。消防联动控制器通过回路总线配接联动模块,为保证系统运行的稳定性和可靠性,国家标准GB 50116 - 2013《火灾自动报警系统设计规范》中,明确规定任一台消防联动控制器地址总数或火灾报警控制器(联动型)所控制的各类模块总数不应超过1 600点,每个回路配接联动模块的数量不宜超过100点,且应留有不少于额定容量10 %的余量。对于大型商场、商业综合体等建筑规模较大的工程项目,现场设置的联动模块需要通过几十个甚至上百个总线回路从四面八方连接至消防控制室内的消防联动控制器上,消防控制室可能需要设置几台或几十台消防联动控制器,从而组成了复杂庞大的消防联动控制系统。消防联动控制器的这种架构模式,造成系统的布线工程浩大,加大了系统的工程造价,也加大了消防控制室维护管理的难度。


>>受控设备繁杂的控制逻辑加大了系统的控制难度和系统风险


根据消防联动控制系统现有的架构形式,确认火灾后,消防联动控制器需要根据火灾发展蔓延情况,通过联动模块按照预设的逻辑和时序控制建筑消防系统、设施的启动。消防联动控制器控制的系统、设施如图1所示,主要包括:消防火灾警报和消防应急广播系统、消防应急照明和疏散指示系统及机械加压送风和排烟系统等安全疏散辅助系统,自动喷水灭火系统、气体灭火系统和消火栓系统等灭火系统,防火卷帘、防火门等防火分隔系统,以及电梯、门禁、非消防电源等其他相关系统。按照GB 50116 - 2013的相关规定,不同系统设施的联动控制逻辑如表1所示。

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由表1可以看出,火灾发生后,由于各消防系统预设的消防功能不同,不同消防系统启动的报警区域及控制逻辑也不尽相同,对于建筑规模较大、设置消防设施的种类和数量较多时,消防联动控制器控制逻辑编程的复杂性可想而知。如此复杂的逻辑编程对消防联动控制器的逻辑判断和控制执行能力提出了更高的要求和挑战,在很大程度上降低了系统控制的可靠性;而且,消防联动控制器如此集中的控制模式,在一定程度上加大了系统的整体故障风险。


>> 回路总线集中连接现场设备的方式与按区域进行消防防控理念存在一定的矛盾


统观各项消防工程技术标准,均是根据消防安全防范的需求,对建 / 构筑物进行相应的区域划分,并基于区域的概念提出相应的消防工程技术要求。如:GB 50016 - 2014《建筑设计防火规范》(2018年版)规定的防火分区、GB 50116 - 2013规定的报警区域、GB 51309 - 2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》规定的疏散单元、GB 51251 - 2017《建筑防烟排烟系统技术标准》规定的防烟分区、GB 50084 - 2017《自动喷水灭火系统设计规范》规定的报警阀的防护区域、GB 50370 - 2005《气体灭火系统设计规范》规定的防护区域等等。按照上述消防工程技术标准的相关要求,火灾探测报警系统可以实现初起火灾的探测报警及报警区域的准确定位;确认火灾后,消防联动控制系统控制火灾警报和消防应急广播系统、消防应急照明和疏散指示系统及防排烟系统的应急启动,指挥、导引、保障各个疏散单元的人员进行安全疏散;根据火灾的发展情况,由消防联动控制器控制火灾区域的自动灭火系统启动,实施灭火;根据火灾的蔓延情况,由消防联动控制器控制火灾区域的防火门、防火卷帘等防火分隔系统动作,实施火灾区域的防火分隔。


为实现上述建筑消防设施预设的消防功能,按照消防联动控制系统现有的架构模式,一台消防联动控制器,甚至一个总线回路配接的联动模块需要控制不同区域内的受控设备。发生火灾时,火灾产生的高温、火焰等因素会直接影响火灾区域内设置的联动模块,甚至联动模块所在总线回路运行的稳定性和可靠性;即火灾区域内联动模块或回路总线的故障,会影响系统对其他非火灾区域受控设备控制的可靠性。由此,可以看出消防联动控制系统现有的集中总线架构模式,不能有效地将故障风险控制在相应的区域内,在某种程度上不适应区域防控的基本理念要求。


>> 单一状态信号反馈功能不能完全满足智慧消防建设的功能需求


按照GB 50116 - 2013的相关要求,消防联动控制器应能实时监测自动灭火系统、消火栓系统等建筑消防系统、设施的运行状态信息。按照消防联动控制系统现有的架构模式,目前,消防联动控制器仅能通过联动模块采集压力开关动作、消防风机启动等消防系统设备的动作状态信号,信号阀关闭、消防水池液位报警等消防系统设施的故障报警等开关量信号(0 / 1)。


由于不能实时采集消防水池的实时液位变化信息、消防供水管网的实时压力变化信息、消火栓出口的实时流量信息等消防系统运行的模拟量状态信息,无法有效实现消防设施的动态监管,尤其是无法有效实现消防设施预期功能变化的预判,从而实现对消防设施的潜在故障做出提前的应急处置;也就无法确保在发生火灾时,消防系统设备能够保证“万一工程”所必须具备的可靠性,而发挥其应有的消防功能。


消防联动控制系统的未来架构模式展望


>>>> 基于消防子系统独立控制的消防联动控制系统整体架构重构


鉴于目前消防联动控制系统集中控制架构模式存在的诸多问题,在新修订的国家标准《消防联动控制系统》GB 16806(以下简称“GB 16806”)中,依据火灾警报和消防应急广播、消防水系统、防排烟系统等消防控制子系统独立控制的原则,对消防联动控制系统的架构进行了重构。未来消防联动控制系统的组成架构如图2所示。

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通过图1、图2对比分析可以看出,消防联动控制系统新的架构模式主要变化体现在:


a. 消防联动控制器与其他建筑消防系统及相关系统之间不再采用联动模块连接,而是采用消防系统设备控制总线(FECBus)直接连接;


b. 消防联动控制系统对其他系统的控制,均采用了消防联动控制器 → 消防电气控制装置(各分系统控制器)→ 受控设备,标准的架构模式;消防应急照明控制器、防火门监控器、防火卷帘控制器及电气控制器等控制装置,虽不属于GB 16806中电气装置的范畴,但在新的架构模式中,上述设备的功能及在系统架构中的作用均等同于消防电气控制装置;


c.各系统受控设备由该系统的电气控制装置直接控制,根据系统受控设备的设置情况,分系统控制器可以采用回路总线连接受控设备。


>>>>消防联动控制系统未来架构模式下的控制逻辑解析


消防联动控制系统新的架构模式参考了工业控制系统(DCS)集中监管、分散控制的系统架构模式搭建。在新的架构模式下,消防联动控制系统的控制逻辑如下:


a. 建 / 构筑物确认火灾后,消防联动控制器通过FECBus向各系统控制器发送表1规定的火灾报警区域信号;


b. 火灾区域及相关区域设置的消防子系统控制器接收到符合系统启动触发条件的火灾报警区域信号后,按照预设逻辑和时序控制系统设备的动作;


c. 消防子系统控制器通过FECBus向消防联动控制器反馈该系统设备、设施的运行状态信息;


d. 消防子系统控制器接收到符合系统启动触发条件的火灾报警区域信号后,未能按照预设逻辑和时序控制系统设备的动作时,消防联动控制器应发出故障报警信号,并可向该消防子系统控制器发送优先级最高的控制指令,强制其控制受控设备启动。


>>>>消防联动控制系统未来架构模式的优势分析


消防联动控制系统新架构模式与现有架构模式相比,其优势主要体现在以下几个方面。


>>简化了系统的组成架构


消防联动控制系统新的架构模式取消了消防联动控制器与现场受控设备之间数量众多的联动模块,采用FECBus总线直接与各子系统控制器相连接;各系统的受控部件就近与该系统的分系统控制相连接,大大简化了系统的架构模式。


>>采取了标准化的控制层级


在现有的架构模式下,消防联动控制器对于不同的受控设备需要采用不同的控制层级。以机械排烟系统为例,按照现有的架构模式,消防联动控制器需要通过联动模块直接控制排烟阀、排烟口等现场部件的动作;而对于排烟风机的控制,则需通过联动模块给风机控制柜发送控制信号,再由风机控制柜控制排烟风机的启动。新的架构模式改变了消防联动控制系统控制层级混乱的现状,对于所有的受控设备均采用消防联动控制器 → 分系统控制器(电气控制装置)→ 受控设备,这种标准的控制层级架构。


>>各分系统控制逻辑编程的标准化


通过对表1的分系统可以看出,由于各消防系统预设的消防功能不同,因此不同系统应急启动的控制逻辑及控制时序不尽相同;当消防联动控制器控制的子系统种类和数量较多时,消防联动控制器的联动控制逻辑编程复杂,加大了不同系统应急启动控制逻辑判断的难度,在很大程度上降低了系统控制的可靠性。然而,对于各子系统而言,其控制逻辑及时序均是标准的;由各消防子系统独立自成系统的架构模式,大大简化了各子系统控制的逻辑编程和逻辑判断的难度,也在很大程度上提升了控制的可靠性。新的架构模式,改变消防联动控制器“一人统揽、身兼数职、身体力行、疲于应付”的困局,而对消防联动控制器采用了“集中监管、简政放权、专人专责、提高效率”的变革,极大地提高系统的控制时效性和可靠性。


基于物联网的消防联动控制子系统架构实例分析


前文基于GB 16806的修订思路,对消防联动控制系统的整体架构模式作了简要的介绍和解析。对于消防联动控制系统的架构重建而言,各消防联动控制子系统基于物联网的架构搭建同样是一个重要的环节,下面以湿式自动喷水灭火系统为例简要介绍消防水控制子系统的架构组成及控制功能实现。


>>>>基于物联网的消防水控制子系统架构组成


消防水控制子系统组成架构如图3所示。

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>>>>消防水控制子系统组成架构模式解析


>>消防水系统控制器采用集中区域的架构模式


消防水系统控制器可以直接连接压力传感器、信号阀等系统现场部件,也可以设置分区控制器,并采用集中区域的架构模式,由分区控制器就近连接系统现场部件。对于规模较大的工程项目,可在消防控制室设置消防水系统控制器,在高位水箱间、报警阀间等部位设置系统分区控制器,消防水系统控制器和分区控制器间采用子系统设备通信总线连接,压力传感器、信号阀等系统设备按照防护分区的划分情况,就近连接至相应防护区域的分区控制器。这种集中区域的架构形式大大减少了系统布线的工程量,而且防护区域设置分区控制器及回路总线的架构方式符合前述按区域进行消防防控的基本理念。


>>消防水控制子系统的物联网功能


消防水控制子系统自成系统的架构模式,支持液位传感器、压力传感器、流量传感器等传感器,通过回路总线向消防水系统控制器实时传送消防水系统各种工作状态的模拟量数据信息。各消防系统的控制子系统各自独立组成控制网络的架构模式,使得消防系统工作状态的动态实时监测成为可能,真正为智慧消防提供了底层数据支撑。


>>>>消防水控制子系统控制功能实现的解析


>>消防水系统设备的连锁控制


按照 GB 50084 - 2017相关规定,洒水喷头喷水导致系统出水干管压力开关、湿式报警阀压力开关或高位水箱出水流量开关动作后,消防水泵控制器应自动控制消防水泵启动为供水管网持续供水。上述部件设置的环境多为潮湿场所,且与水泵控制柜的距离较远(尤其是高位水箱间),现场部件与水泵控制柜间的连线很容易发生断路或接地故障,然而,按照现行GB 16806的规定,水泵控制器并不具备实时监测上述线路故障的功能,在实际工程项目中,由于上述线路故障而导致的消防水泵控制失效的情况屡有发生。鉴于工程应用环节存在的上述问题,在GB 50116 - 2013中要求消防联动控制器在确认火灾,且接收到出水干管压力开关、湿式报警阀压力开关或高位水箱出水流量开关动作信号后,通过联动模块对消防泵的启动采用冗余控制,这种冗余的控制方式在一定程度上解决了自动喷水灭火系统自身控制失效的问题,但也加大了系统施工及管理的复杂度。


本次GB 16806的修订中,对消防水系统控制器能够实时监测现场部件及连接线路工作状态的功能作出了明确要求,消防水系统控制器功能的强化,在很大程度上提升了系统控制的可靠性,也为实现GB 50084 - 2017中的连锁控制要求提供了相应的技术保障。根据GB 16806的修订情况,新修订的GB 50116中规定了电气控制控制装置的连锁控制功能,即各消防子系统控制器接收到符合本系统相关区域的火灾报警区域信号后,按预设逻辑和时序控制相应的受控设备启动。新修订的GB 50116规定消防水系统控制的连锁控制功能,也使得GB 50116和GB 50084 - 2017在自动喷水灭火系统的控制方式及要求上达到了一致和统一。


>>消防水系统设备的连锁控制逻辑解析


消防水系统的种类繁多,每类系统的工作原理、消防功能有较大差异,系统受控设备启动的控制逻辑不尽相同,消防水系统的控制逻辑如表2所示。


通过表2可以看出,对于某一具体的消防水系统而言,其受控设备是明确的,且其控制逻辑也是标准的、模式化的。


>>消防水系统连锁控制功能的实现及集中监管


>消防水系统连锁控制功能的实现


消防水系统控制器通过总线回路连接压力传感器、液位传感器、温度传感器、流量传感器等系统现场部件,并实时监测压力传感器、液位传感器、温度传感器、流量传感器等系统现场部件的工作状态信号。当系统出水干管压力传感器或高位水箱出水流量传感器的采集值达到设定阈值后,或湿式报警阀压力开关动作后,消防水系统控制器连锁控制消防水泵的启动。根据消防联动控制系统新的架构模式,现有的水泵控制柜作为消防水系统控制器的组成部分之一,且为了保障控制的可靠性,水泵控制柜应采用硬线直接控制消防水泵的启动和停止。


>消防联动控制器对消防水控制子系统连锁控制的集中监控


消防水系统控制器的控制逻辑应能手动或自动备份到消防联动控制器上,消防联动控制应能按照消防水系统的控制逻辑通过FECBus总线发送确认的火灾报警区域信号(如预作用系统、雨淋系统的防护区域编号),当消防水系统现场部件的动作信号和 / 或火灾报警区域信号满足系统的控制逻辑关系时,消防联动控制器和消防水系统控制器同时在对相关信号进行逻辑判断,且消防联动控制器在规定的时序内未接收到消防水系统控制器反馈的系统启动反馈信号时,应发出故障报警信号。消防联动控制器可以直接向消防水系统控制器发送控制消防水泵启动的控制指令,该控制指令具有最高优先级。


>消防联动控制器对消防水系统运行状态的实时监管


消防水系统控制器通过FECBus总线实时向消防联动控制器发送消防水泵房和高位水箱间的环境温度、消防泵和稳压泵供电电源的工作状态、系统各级管网的压力和流量等运行状态信息,从而实现消防联动控制器对消防水系统运行状态的实时监管。



本文有删减,全文载于《建筑电气》2021年第8期,详文请见杂志。

版权归《建筑电气》所有。



作者:

刘凯,男,应急管理部沈阳消防研究所,副研究员,主任。

陈众励,男,上海建筑设计研究院有限公司,教授级高级工程师,电气总工程师。

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