杭州和利時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司 張靖宇 劉華 師虎

光纖差定溫火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的工程應(yīng)用

杭州和利時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司 張靖宇 劉華 師虎

文章針對(duì)化工原料庫(kù)區(qū)的消防報(bào)警系統(tǒng)的組成及其缺陷，分析了線性光纖差定溫火災(zāi)探測(cè)器的工作原理、系統(tǒng)參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，并結(jié)合工程實(shí)際總結(jié)了線型光纖差定溫火災(zāi)探測(cè)器的工程設(shè)計(jì)和施工方案。

消防報(bào)警；光纖探測(cè)器；敷設(shè)；系統(tǒng)

1 概述

化學(xué)工業(yè)一直是同發(fā)展生產(chǎn)力，保障人類(lèi)社會(huì)生活必需品和應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)等過(guò)程密不可分，隨著社會(huì)進(jìn)步以及人們生活需求不斷增加，各種化工企業(yè)也越來(lái)越多，隨之而來(lái)的安全隱患也不斷增加。近年來(lái)化工廠安全事故時(shí)有發(fā)生——起火、爆炸、泄漏等等，現(xiàn)場(chǎng)慘狀觸目驚心，后果損失令人扼腕嘆息。如何增強(qiáng)防范措施，加強(qiáng)預(yù)防意識(shí)，將事故控制在萌芽狀態(tài)，盡量減少甚至避免各種事故給人民和企業(yè)帶來(lái)的傷害，成為一個(gè)不容忽視的重要課題。然而目前市面上的大部分事故探測(cè)、報(bào)警等裝置基本上都立足于事故發(fā)生之后，而這時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生了人員傷亡或設(shè)備的損害和損失，特別是在一些高危的化工企業(yè)，一旦事故發(fā)生就會(huì)迅速蔓延變得難以控制。因此，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故“隱患”，并對(duì)潛在事故發(fā)出“預(yù)警”，從而在事故尚未發(fā)生時(shí)就予以消除，是最好的事故防范措施。隨著微電子技術(shù)、探測(cè)傳感器技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的飛速發(fā)展，火災(zāi)探測(cè)報(bào)警與消防通信技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了新的變化，而光纖差定溫探測(cè)報(bào)警裝置就是這樣的一支走在探測(cè)事故潛在隱患前面的“尖兵”。

2 光纖差定溫火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 簡(jiǎn)述

線型光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器是近幾年發(fā)展起來(lái)的，集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、光纖光纜和弱信號(hào)檢測(cè)等技術(shù)于一體，實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的高新技術(shù)。它能夠連續(xù)測(cè)量光纜沿線的溫度，測(cè)量距離可達(dá)幾公里，空間定位可達(dá)到數(shù)米，能夠進(jìn)行不間斷大范圍的測(cè)量，并且由于傳輸信號(hào)是光信號(hào)而非傳統(tǒng)的電信號(hào)，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需供電，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的本質(zhì)安全，并且具有節(jié)省能源、測(cè)量精度高、抗電磁干擾、防雷擊、抗腐蝕、耐高溫、體積小、數(shù)據(jù)傳輸快、自適應(yīng)性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適用于化工原料庫(kù)區(qū)類(lèi)的大范圍多點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2 工作原理

線型光纖差定溫分布式測(cè)量設(shè)備是基于拉曼光時(shí)域反散射技術(shù)（ROTDR）原理工作的。一個(gè)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(diǎn)的背向散射信號(hào)，經(jīng)過(guò)分析，拉曼散射信號(hào)的光強(qiáng)度包含了整條光纖溫度場(chǎng)信息。

在背向散射光信號(hào)中包含了很多波長(zhǎng)，有些波長(zhǎng)的信號(hào)受溫度變化的影響，有些不受影響。通過(guò)精準(zhǔn)的測(cè)量背向散射信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度差異，將散射回來(lái)的光波經(jīng)過(guò)波分復(fù)用，檢測(cè)解調(diào)送入信號(hào)處理系統(tǒng)，經(jīng)專(zhuān)家算法和快速數(shù)據(jù)處理功能從而可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)溫，并且根據(jù)光波在光纖中的傳播速度和背向光回波的檢出時(shí)間可對(duì)信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。用光時(shí)域散射（OTDR）技術(shù)，可以確定光纖處的損耗，光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)的位置，因此也可稱(chēng)為光纖激光雷達(dá)。而利用改進(jìn)的OTDR技術(shù)探測(cè)喇曼散射，可以確定沿光纖長(zhǎng)度上的溫度分布。 在光纖L處局域的Stokes Raman散射光子數(shù)為：

在光纖L處局域的反Stokes Raman散射光子數(shù)為 ：

其中，Ks、Ka為與光纖Stokes和反Stokes Raman散射截面有關(guān)的系數(shù)；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(shù)；T為絕對(duì)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(cè)局域處的長(zhǎng)度；Rs (T)、Ra (T)為與光纖分子低能級(jí)和高能級(jí)上的布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)，并有：

其中h是普朗克常數(shù)；k是玻爾茲曼常數(shù)。

解調(diào)法是用Stokes Raman散射OTDR曲線解調(diào)反Stokes Raman散射OTDR曲線。

圖1 光波返回信號(hào)圖

利用光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)，由光纖中光傳播速度和背向回波時(shí)間，能對(duì)所測(cè)各溫度點(diǎn)定位（類(lèi)似于光雷達(dá)系統(tǒng)）。

圖2 系統(tǒng)組成圖

溫度分辨率受以下幾個(gè)方面的影響：測(cè)量時(shí)間，空間分辨率，傳感光纖長(zhǎng)度和光纖的衰減，熔接或連接器損耗。

2.3 技術(shù)特性

系統(tǒng)可以做到幾公里范圍內(nèi)的分布式溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供連續(xù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)任意溫度點(diǎn)預(yù)報(bào)警，溫度分辨率0.1℃，精度±2℃。與工業(yè)常用的測(cè)溫設(shè)備和元器件相比大大減少了設(shè)備數(shù)量和施工難度從而大幅度降低了工程投入。

具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

傳感光纖光纖類(lèi)型5 0 / 1 2 5或6 2 . 5 / 1 2 5 多模光纖動(dòng)態(tài)范圍1 5 d B測(cè)溫范圍-1 0 0℃～5 0 0℃(取決于探測(cè)光纜)接口類(lèi)型光纖類(lèi)型5 0 / 1 2 5或6 2 . 5 / 1 2 5 多模光纖動(dòng)態(tài)范圍1 5 d B測(cè)溫范圍-1 0 0℃～5 0 0℃(取決于探測(cè)光纜)其他可允許設(shè)置的測(cè)量時(shí)間1秒、2秒、3秒、5秒、1 0秒及以上可允許的測(cè)量模式單端、雙端（可選）推薦校準(zhǔn)周期3年激光輻射等級(jí)（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(qū)的設(shè)計(jì)與施工

現(xiàn)有的化工罐區(qū)常用的有內(nèi)浮頂、外浮頂、拱頂及球罐等。光纖差定溫探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要用于浮排密封圈附近，儲(chǔ)罐頂部，球罐四周的溫度探測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況一般用機(jī)械夾具將感溫光纜固定在儲(chǔ)罐上。

3.1 感溫光纜鋪設(shè)方案

在此項(xiàng)目中儲(chǔ)罐形式為臥式儲(chǔ)罐，最終確定如下光纜敷設(shè)方案：

探測(cè)光纜從地下保護(hù)管引出沿著球型儲(chǔ)罐的支撐柱拉向球型儲(chǔ)罐的底部，從底部開(kāi)始以螺旋方式盤(pán)繞在球型儲(chǔ)罐外表面直至頂部。等光纜鋪設(shè)到頂部后再沿著儲(chǔ)罐外表面直接鋪往地下，進(jìn)入下一個(gè)儲(chǔ)罐的鋪設(shè)。

圖3 臥式儲(chǔ)罐光纜鋪設(shè)圖

考慮到儲(chǔ)罐的外層為金屬鋼板，因此可以采用磁性較強(qiáng)的鎳磁固定光纜鋪設(shè)方式非常合適；在球型儲(chǔ)罐的赤道線一下每隔0.5～1m設(shè)置一個(gè)固定點(diǎn)，而在赤道線以上每隔1m～3m設(shè)置一個(gè)固定點(diǎn)；每圈光纜之間的間距應(yīng)在1.0m至3.0m之間，實(shí)際參數(shù)的設(shè)定應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)定。

對(duì)于臥式儲(chǔ)罐可以采用如圖3所示的鋪設(shè)方法，此法鋪設(shè)起來(lái)簡(jiǎn)單易行，監(jiān)測(cè)效果良好。

圖4 臥式儲(chǔ)罐光纜鋪設(shè)展開(kāi)圖

如圖4所示探測(cè)光纜從地下保護(hù)管引出后從臥式儲(chǔ)罐的一端開(kāi)始以類(lèi)似正弦形的方式沿著儲(chǔ)罐外表面鋪向另一端，鋪完后引入地下進(jìn)入下一個(gè)儲(chǔ)罐的鋪設(shè)。

3.2 軟件系統(tǒng)安裝

運(yùn)行安裝目錄下的文件Setup.exe，首先會(huì)檢測(cè)Windows系統(tǒng)中是否有DTS系統(tǒng)運(yùn)行所需要的Microsoft .NET Framework環(huán)境，如果沒(méi)有，會(huì)首先運(yùn)行dotnetfx.exe，安裝Microsoft .NET Framework環(huán)境。

安裝好Microsoft .NET Framework環(huán)境后，再運(yùn)行Setup. Exe，或者第一次運(yùn)行時(shí)已經(jīng)檢測(cè)到運(yùn)行環(huán)境的存在，就會(huì)調(diào)用DTSSetup.msi，進(jìn)行DTS系統(tǒng)程序的安裝。

運(yùn)行DTSSetup.msi后，首先進(jìn)入歡迎界面。點(diǎn)擊“下一步”，進(jìn)入系統(tǒng)安裝目錄的選擇，安裝目錄可以使用默認(rèn)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(jìn)行注冊(cè)，才能正常使用本系統(tǒng)軟件。從桌面的“DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)”圖標(biāo)或“開(kāi)始”-“程序”-“振東光電DTS”-“DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)”運(yùn)行系統(tǒng)程序，進(jìn)入主界面；后點(diǎn)擊菜單“幫助”-“注冊(cè)”，進(jìn)入注冊(cè)窗口；在注冊(cè)碼的輸入框中輸入設(shè)備供應(yīng)商提供的注冊(cè)碼，然后點(diǎn)“注冊(cè)”按鈕，注冊(cè)成功后，就可以正常使用本系統(tǒng)軟件了。

4 工程總結(jié)

光纖差定溫火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備投入少，安全性能高，探測(cè)精確，可重復(fù)多次利用，后期維護(hù)成本低，使用壽命長(zhǎng)達(dá)20到30年，可與噴淋降溫系統(tǒng)和消防滅火系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，能夠大大提升化工廠設(shè)備的火災(zāi)預(yù)警能力，減少設(shè)備損壞和人員傷亡事故。因此，特別適合于石化、化工、罐區(qū)等易燃易爆的特殊場(chǎng)所。隨著國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)越來(lái)越重視，用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)安全性的要求越來(lái)越高，消防安全的預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)不僅滿(mǎn)足了工業(yè)生產(chǎn)安全的需求，而且對(duì)啟發(fā)我們?cè)谧钥匦袠I(yè)的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)傳感方面的新思路也不無(wú)裨益。

西門(mén)子將增加研發(fā)投入3億歐元，總額增至48億歐元

2016財(cái)年（2015年10月1日至2016年9月30日），西門(mén)子將投入近48億歐元用于研發(fā)，這一金額與上財(cái)年相比增加了約3億歐元。至此，西門(mén)子在研發(fā)方面的投入相較于2014財(cái)年增長(zhǎng)近20%。所增加投入的主要部分將被用于自動(dòng)化、數(shù)字化以及分布式能源系統(tǒng)領(lǐng)域的研發(fā)工作。2015財(cái)年，西門(mén)子的研發(fā)力度（research intensity，即研發(fā)支出占營(yíng)收額比重）為5.9%，較2014財(cái)年增長(zhǎng)0.3%。此外，西門(mén)子還采取了一系列措施用于進(jìn)一步加強(qiáng)公司的創(chuàng)新能力。

西門(mén)子股份公司總裁兼首席執(zhí)行官凱颯（Joe Kaeser）表示，“西門(mén)子需要好的創(chuàng)意，因此我們正在創(chuàng)造條件以滿(mǎn)足那些來(lái)自于公司內(nèi)外部、擁有聰明才智的人能夠快速有效地執(zhí)行他們的想法?！?/p>

為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，西門(mén)子正在組建一個(gè)新的部門(mén)，將在一個(gè)初創(chuàng)企業(yè)的環(huán)境中為新的嘗試和增長(zhǎng)提供空間。這個(gè)暫定名為“Innovation AG”的新部門(mén)將為業(yè)務(wù)和項(xiàng)目創(chuàng)意提供咨詢(xún)、宣傳以及風(fēng)險(xiǎn)投資服務(wù)。與初創(chuàng)企業(yè)類(lèi)似，該部門(mén)獨(dú)立于西門(mén)子核心業(yè)務(wù)之外，并將補(bǔ)充和加強(qiáng)西門(mén)子現(xiàn)有的初創(chuàng)項(xiàng)目。

為了增強(qiáng)公司整體的技術(shù)創(chuàng)新實(shí)力，西門(mén)子還同時(shí)成立了一個(gè)科學(xué)委員會(huì)。西門(mén)子技術(shù)與創(chuàng)新委員會(huì)（STIC）將為西門(mén)子股份公司管理委員會(huì)在技術(shù)與創(chuàng)新領(lǐng)域的戰(zhàn)略話(huà)題提供系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與分析。STIC由西門(mén)子股份公司首席技術(shù)官魯思沃（Siegfried Russwurm）及其他七位在國(guó)際科研團(tuán)體中德高望重、經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)家組成。

根據(jù)與在德員工代表達(dá)成的一致意見(jiàn)，西門(mén)子將啟動(dòng)一項(xiàng)投資基金以有針對(duì)性地加強(qiáng)員工的創(chuàng)新能力。為此，西門(mén)子除了在本財(cái)年內(nèi)增加3億歐元的研發(fā)投入外，還將在未來(lái)三年額外投入約1億歐元。在未來(lái)一年內(nèi)，將有約1,000萬(wàn)歐元的研發(fā)基金用于德國(guó)。這些資金將用于在員工內(nèi)部培育能夠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的創(chuàng)新理念。與Innovation AG所資助的項(xiàng)目不同，這些創(chuàng)新理念無(wú)須完全專(zhuān)注于新技術(shù)或新業(yè)務(wù)才能獲得資助，它們也可以是致力于改進(jìn)流程、改善服務(wù)或者更好地維持客戶(hù)關(guān)系。

作為與頂級(jí)大學(xué)建立研發(fā)合作的延伸，西門(mén)子在位于慕尼黑郊區(qū)的慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）加興校區(qū)建立了新的研發(fā)中心。在該研發(fā)中心，超過(guò)100名西門(mén)子科學(xué)家將與慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究員一起，共同從事從信息技術(shù)安全到自動(dòng)化系統(tǒng)方面的研究。2016年，西門(mén)子將在中國(guó)成立一個(gè)新的研發(fā)創(chuàng)新中心。該中心將實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)集團(tuán)合作，超過(guò)300名員工將從事針對(duì)中國(guó)和國(guó)際市場(chǎng)的全新數(shù)字化解決方案的研究。

西門(mén)子不僅與高校展開(kāi)合作，還將進(jìn)一步加強(qiáng)與初創(chuàng)企業(yè)的合作。例如，公司將在以色列的特拉維夫市設(shè)立新的聯(lián)絡(luò)處，以建立與以色列初創(chuàng)企業(yè)的緊密聯(lián)系。西門(mén)子已經(jīng)在全球設(shè)立了三個(gè)此類(lèi)辦公室，分別位于伯克利、上海和慕尼黑。為了找到最創(chuàng)新的點(diǎn)子，西門(mén)子“星探”每年會(huì)聯(lián)系超過(guò)1,000個(gè)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(jì)南人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化儀表的應(yīng)用。

劉華（1984-），女，山東濟(jì)南人，助理工程師，本科學(xué)歷，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化儀表的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。

師虎（1969-），男，黑龍江雙城人，助理工程師，現(xiàn)任杭州和利時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司華東區(qū)儀表業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人，主要負(fù)責(zé)電氣、儀表的后期實(shí)施。