●瞿 凱,孫 悅

(1.盤錦市消防支隊,遼寧盤錦 124000;2.秦皇島市消防支隊,河北秦皇島 066000)

0 引言

目前國內生產的火災自動報警系統(tǒng)大多數為總線型火災自動報警系統(tǒng),雖然此類產品具有較先進的報警和控制功能,但形成的控制系統(tǒng)仍然是基于 DCS(Distributed Control System)的概念,其控制站仍然是集中式的,而且現場信號的檢測、傳輸和控制還是采用 4～20m A的模擬信號。然而從當今社會的需求來講,發(fā)展智能型火災自動報警系統(tǒng)已成為歷史的必然趨勢。本文研究的目標是構建基于 CAN(Controller Area Network)總線的分布式火災監(jiān)控系統(tǒng),完成對火災監(jiān)控系統(tǒng)的集成并實現系統(tǒng)的分布式處理,從而使本系統(tǒng)成為具有信息處理能力的智能火災監(jiān)控系統(tǒng)。

1 CAN總線火災探測控制系統(tǒng)設計

由于采用了許多新技術及獨特的設計,CAN總線與一般的通訊總線相比,它的數據通訊具有突出的可靠性、實時性和靈活性。因此用 CAN總線來構建火災監(jiān)控系統(tǒng)可以較好完成有效的火災探測,同時在火災時驅動現場聯動設備,完成對火災撲救過程的控制。

1.1 系統(tǒng)硬件總體設計

由于本系統(tǒng)設計的初衷是要實現分布式的火災探測與控制,因此,結合 CAN總線自身的特點我們將系統(tǒng)總體上分為：主控器節(jié)點、通用智能節(jié)點、計算機 -CAN適配器節(jié)點、智能火災探測器、PC機以及聯動設備。并為各部分分配相應的任務。其中,主控器結點主要負責為上位機提供服務,通用智能節(jié)點主要負責現場數據的采集以及各種命令的執(zhí)行,計算機-CAN適配器節(jié)點主要負責 RS232協議和 CAN協議的轉換,PC機作為上位機則主要負責各種數據的采集、顯示以及各種命令的下達等,聯動設備則負責響應各種命令來控制現場。根據以上各部分功能的定義,系統(tǒng)硬件總體結構如圖 1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件總體結構圖

1.1.1 主控器節(jié)點設計

為實現以上定義的主控節(jié)點的各種功能,其硬件結構實現如圖 2所示,總的來說主控節(jié)點由 CAN通訊模塊、中央處理單元、數據存儲單元、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊以及聲光報警等執(zhí)行驅動模塊 6個部分組成。

1.1.2 通用智能節(jié)點設計

通用智能節(jié)點在系統(tǒng)中位于網絡拓撲的底層,通常分布于監(jiān)控現場,可以說它們是整個系統(tǒng)的眼睛和手。通用智能節(jié)點的設計目標是：通過在通用節(jié)點上掛接不同的外部設備來完成不同的單一任務或者多種任務,從而實現這些節(jié)點的通用性。這里所設計的通用智能節(jié)點其硬件結構如圖 3所示。從圖 3可以看出,總的來說通用節(jié)點主要分為編解碼模塊、信號輸入模塊、功率放大驅動外設模塊 3個部分,該節(jié)點上既有信號輸入接口,又有功率放大驅動模塊,因此這類節(jié)點既可以作為探測節(jié)點來采集現場的各種數據,又可以作為執(zhí)行節(jié)點來驅動外圍各種可執(zhí)行設備,也就是說網絡上節(jié)點的功能完全取決于掛接在該節(jié)點上的設備,這也體現了該類節(jié)點的通用性和適用性,它能夠將已有的非網絡設備方便的改造為可遠程訪問的網絡設備。為了有效識別各網絡設備的類型,還專門在節(jié)點上對相應的I/O端口進行了分配,通過在節(jié)點內部為不同類型的設備指定相應的端口來實現對設備類型的有效區(qū)分。

圖2 主控器節(jié)點硬件結構圖

圖3 通用節(jié)點硬件結構

1.1.3 計算機 -CAN適配器節(jié)點設計

計算機 -CAN適配器節(jié)點在系統(tǒng)中的任務是銜接計算機和 CAN總線,從而將計算機納入監(jiān)控網絡。適配器節(jié)點的硬件結構如圖 4所示,其主要分為微處理器(MCU)、外部擴展 SRAM、CAN通訊接口以及 RS232通訊四大部分。在這里MCU主要負責完成在CAN協議和RS232串口協議之間進行數據轉換,并且適配器與計算機之間的數據交換采用異步通訊方式;外部擴展SRAM存儲器主要用作報文接收緩沖器,暫時存放從 CAN總線上接收到的數據直到數據傳送到 PC。

圖4 適配器硬件結構圖

1.1.4 復合火災探測器設計

本文主要設計以離子感煙探測器為例來實現系統(tǒng)的應用。離子感煙探測器的基本原理是對傳感器輸出的電壓信號進行放大、比較、重整等處理后作為探測器信號輸出。為實現探測器的智能化,將探測器作了一些改進,智能火災探測器結構如圖 5所示,在探測器中加入了分析模塊(MCU),通過MCU可以實現對電橋的自動調平和對報警閥值的自動設置,另外通過編制合理的算法還可以有效的避免因人員走動、反射等所造成的誤報,從而實現探測器的智能化。該探測器也給出了開關量和模擬量的雙路輸出,從而為探測器的調節(jié)和系統(tǒng)測試提供方便。

圖5 智能火災探測器結構

1.2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)中所有的客戶節(jié)點受所在子網主控器節(jié)點的管理,而系統(tǒng)中的所有主控制器節(jié)點都只負責自己所在子網的節(jié)點,這里是通過維護自己所在子網的節(jié)點信息列表完成的;中心計算機則維護整個網絡中所有節(jié)點的信息。網絡的拓撲結構為：上位機→CAN適配器→主控節(jié)點→網絡設備。為了將以上各模塊有機的結合起來,我們對系統(tǒng)軟件的結構作了總體規(guī)劃,如圖6所示。在以上總體框架的指導下,系統(tǒng)的總體數據流程如圖 7所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體結構

2 CAN總線火災探測控制系統(tǒng)實驗研究

2.1 探測器有效性實驗

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)總體數據流程圖

現階段已設計實現的探測器有紅外感光探測器和離子感煙探測器兩類。由于現階段對煙氣濃度的測量不太方便,因此這里介紹的實驗主要是對紅外感光探測器以及對兩探測器復合情況下的測試。對紅外探測器做蠟燭火和煤油火的實驗結果如圖 8、圖 9所示。從兩圖可以看出紅外探測器表現出較好的輸入輸出關系,當火源較遠時傳感器電壓輸出較小;當火焰較近時,輸出電壓較大。增大傳感器增益可以增大探測器的探測距離。然而,隨著增益的增大,探測器受環(huán)境光的干擾就越大,就越容易發(fā)生誤報。為解決這一矛盾,目前采取的辦法是設計了離子感煙探測器,并將感煙探測器與紅外探測器復合組成為一個復合探測器。經過實驗發(fā)現該辦法的確很有效的解決了誤報的問題、提高了探測器的穩(wěn)定性,然而這樣又相應的降低了探測器的靈敏度,在某些情況下還有可能會發(fā)生漏報,這是不允許的。為解決這一矛盾,目前的辦法是通過調節(jié)兩類探測器各自的增益達到一個平衡點,從而緩和誤報和漏報間的矛盾。要想從根本上解決這一矛盾可能還要依賴于智能探測算法,該工作有待于以后的工作中實現。

圖8 增益 -距離 -電壓關系(蠟燭火)

圖9 距離-電壓關系(煤油火)

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)有效性實驗

實驗空間如圖 10所示,圖中 1為增壓泵,2為管道閥,3為貯水箱,4為補水浮球,5為變頻控制柜,6為壓力傳感器,7為控制臺,8為水過濾器,9為渦輪流量計,10為水幕噴頭,11為細水霧噴頭,12為水壓表。

圖10 實驗環(huán)境布局示意圖

2.2.1 實驗條件

中央控制計算機和適配器位于控制室,其他設備均位于實驗現場;實驗現場空間為 4m×6m×12m;兩個復合探測器分別位于空間上方兩側,其中紅外探測器探頭參數為：敏感波段 500～1 050nm,峰值響應 880nm,探測器增益 120;氣罐輸出壓力 0.6MPa;火源為柴油火,油盤大小為 20cm×20cm;網線為雙絞線,節(jié)點供電電源為直流 +5V、+12V、-12V。

2.2.2 實驗步驟

用網線將所有節(jié)點按要求連接起來;將計算機通過串行通訊電纜接入網絡;打開數據采集軟件;打開主控器供電電源開關,并執(zhí)行初始化程序;探測節(jié)點完成網絡學習后進入監(jiān)控狀態(tài);點燃火源觀察現象并記錄滅火數據。

2.2.3 實驗結果

系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)后,點燃火源,探測器立即探測到火源,隨即系統(tǒng)啟動報警器,報警延遲 10s后系統(tǒng)啟動電磁閥,打開細水霧系統(tǒng),確認火源被撲滅后關閉報警器,停止火情報警,最后細水霧繼續(xù)施加 5s后自動關閉。圖 11是實驗過程中上位機采集數據的界面,實驗中系統(tǒng)滅火照片如圖 12所示。

圖11 滅火過程上位機采集數據界面

通過實體實驗發(fā)現該探測控制系統(tǒng)很好的驗證了上述監(jiān)控、滅火過程,從而驗證了系統(tǒng)的有效性。復合探測器能有效的探測到火源,同時系統(tǒng)各模塊采集、分析、處理及執(zhí)行命令過程中動作清晰無誤,可以表明該探測控制系統(tǒng)工作正常,基本上達到了最初的設計目標。

圖12 系統(tǒng)滅火實況圖

3 結束語

由于系統(tǒng)引進了先進的 CAN總線技術,因此該系統(tǒng)從整體上來講是具有一定先進性的新型火災監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：有良好的實時性和安全性、良好的擴展性、監(jiān)控網絡和試驗設計符合大型遠程監(jiān)控系統(tǒng)實際需要并且結構簡單,利于安裝和維修、便于實現復合探測,能夠滿足火災監(jiān)控需要,具有良好的應用前景。

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