火灾自动报警系统的研究与应用

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1、重庆大学硕士学位论文火灾自动报警系统的研究与应用姓名：马俊林申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：侯世英;关杰林20070526重庆大学工程硕士学位论文中文摘要摘要火灾是人类安全的重大威胁之一。大空间建筑火灾、矿井火灾的发生不仅给社会生活造成极大的破坏，而且造成的损失和危害程度也相当大。近年来，科学工作者运用了消防、民用安全、火灾科学、图像技术、红外建材、计算机视觉、模式识别与人工智能及计算机网络等各高新技术，开发出相应的产品，提高了对火灾的防治能力。但由于都是通用产品，因此，在局部特殊要求及特殊性能方面都存在不同程度的差异，在具体应用时就不能直接套用和不适合大范围推广。三峡工程作为我国一

2、项超大工程，在我国和世界都有着巨大的影响。三峡左岸电厂，作为三峡工程现在已建成部分，在我国的电力行业，有着举足轻重的影响。如果出现火灾不仅造成三峡机组的发电损失，而且将给我国的电网造成难以估量的损失。论文在对国内外消防报警控制系统的分析比较基础上，结合三峡左岸电厂实际对其火灾报警控制系统的特点及功能要求，采用了L M S 和S L-G 5 0 0，通过西门子的C e r l o o p 网络，设计了符合消防要求的三峡左岸电厂火灾报警控制系统，实现对左岸电厂六个区域的报警及其联动控制的监控。完成的主要工作有：(1)确定了三峡左岸电厂火灾报警控制系统的总体方案；(2)完成了火灾报警系统的硬件设计，

3、选择了报警控制主机C S l l；根据消防规范和现场实际要求，选择了不同类型的探测器，并对灭火、防火设备进行了联动设计；(3)重点完成了工业消防监控系统S L-G 5 0 0 与电站计算机监控系统(P S C S)的通信驱动程序的设计，包括通信协议的定义及监控运行画面的设计。(4)系统的总体调试及结果分析，对调试中出现的问题进行了总结，系统现己正式运行，其运行状况良好，实现了对三峡左岸电厂各重点防火部位的实时监控。三峡左岸电厂火灾自动报警系统能够确保对火警的早期发现、提前预警、快速扑灭。满足了全面掌握火灾信息及消防报警、灭火设备的运行工况，并将有关信息送至左岸电厂计算机监控系统(P S C S

4、)和保证系统完成各项联动控制、信息记录和管理等功能要求。系统的实现对我国以后超大型水利枢纽工程的火灾报警控制系统的实施提供了宝贵的经验。关键词：火灾报警，探测器，联动控制，通信重庆大学工程硕士学位论文英文摘要A b s t r a c tF i r ed i s a s t e ri so n eo ft h eg r e a tt h r e a t so ft h eh u m a ns e c u r i t y F r e q u e n tw i d ea r e af i r e，f o r e s tf i r e，e t c c a u s en o to n l yg r e

5、 a td e s t r u c t i o nt os o c i a ll i f e，b u ta l s ot h el o s s e sa n dt h ee x t e n to fi n j u r y I nr e c e n ty e a r s，s c i e n t i f i cw o r k e r sh a v eu s e df i r ep r o t e c t i o n,c i v i ls e c u r i t y,f i r es c i e n c e，i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g

6、y,i n f r a r e dd e t e c t i o n，c o m p u t e rv i s i o n，p a t t e r n-r e c o g n i t i o nw i t ha r t i f i c i a li n t e l l i g e n t，c o m p u t e rn e t w o r k，a n dS O0 1 1 A l lk i n d so fn e wa n dh i【g ht e c h n o l o g yh a v ed e v e l o p e dt h ep r o d u c t so ff i r ed e t

7、 e c t i o n，i m p r o v i n gt h em o n i t o rc a p a b i l i t yt ot h ef i r e B u tt h e s ep r o d u c t sa r eg e n e r a lp r o d u c t s，w ec a nn o tu s et h e md i r e c t l yo nt h o s es y s t e mw i t hs p e t i a ld e m a n da n dd i f f e r e n c e T h et h r e eg o r g ep r o j e c

8、ti sal a r g ep r o j e c ti nc h i n a,w i t c hh a sg r e a ti n f l u e n c ea th o m ea n da b r o a d T h eL e f tb a n kP o w e rP l a n ti sv e r yi m p o r t a n tf o re l e c t r i cp o w e rs y s t e mo f o u rc o u n t r y W em u s ta v o i dt h ef i r ei nt h eL e f tb a n kP o w e rP l

9、a n t T h ef i r ea l a r mc o n t r o ls y s t e ma th o m ea n da b r o a da r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r An e wf i r ea l a r mc o n t r o ls y s t e ms u i tf o rL e f tP o w e rP l a n ti sd e s i g n e d，M o n i t o ra n dc o n t r o lt h es i xa l a r ma r e au s i n gt h eC e r l o

10、o pn e t w o r ko f S i e m e n s t h em a i nw o r ka r e 船f o l l o w s：(1)T h eg e n e r a lp l a n n i n go ft h ef i r ea l a r mc o n t r o ls y s t e mi nT h r e eG o r g eL e f tP o w e rP l a n ti ss e l e c t e d(2)f i n i s h e dt h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no f t h ec o n

11、t r o ls y s t e m C S l li st h em a i nc o n t r o lm a t h i n e(3)f i n i s h e dt h ec o m m u n i c a t i o nd r i v e rp r o g r a mo fS D-G 5 0 0a n dP S C S，i n c l u d i n gt h ed e f i n i t i o no f a g r e e m e n ta n dt h ed e s i g no f r u n n i n gp i c t u r e(4)f i n i s h e dt h

12、 ed e b u g g i n gw o r ka n da n a l y z e dt h eo p e r a t i n gr e s u l t T h ef i r ea l a r mc o n t r o ls y s t e mo fT h r e eG o r g eL e f tb a n kP o w e rP l a n ti so p e r a t i o nw e l ln O W I tc a l lm o n i t o rt h ek e yf i r er e s i s t a n c ea r e a T h ef i r ea l a r mc

13、 o n t r o ls y s t e mC a l ld e t e c tt h ef i r ea n de x t i n g u i s hi t I ts a t i s f i e dt h ec o n t r o ld e m a n da n dc a l lt r a n s f e rt h ei n f o r m a t i o nt ot h eP S C S T h ei m p l e m e n t a t i o ns u p p l i e sv a l u a b l ee x p e r i e n c ef o ro t h e ru l t

14、r a-l a r g et y p eh y d r a u l i cp r o j e c to f o u rc o u n t r y K e y w o r d s：f i r ea l a r m，d e t e c t o r,g a n gc o n t r o l，c o m m u n i c a t i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研

15、究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：刍俊持签字日期7 年 月矽日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密()，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密(、)。(请只在上述一个括号内打“”)学位论文作者签名：写纹搏签字嗍器s 月,L 7 E t签字日期：巷糌s 月月壬钻弓 执促沙铱飙签旧煨孚斟签重庆大学工程硕士学位

16、论文1 绪论1 绪论1 1 引言火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生，据联合国“世界火灾统计中心(W F S C)2 0 0 0 统计资料”，全球每年约发生火灾6 0 0 万至7 0 0万次，全球每年死于火灾的人数约为6 5 0 0 0 人至7 5 0 0 0 人。欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多。发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综

17、合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。我国2 0 0 0 年中国火灾统计年鉴记载，从1 9 5 0 年至1 9 9 9 年，全国共发生火灾3 2 5 8 1 0 5 起，死亡人数1 6 5 4 9 9 人，伤3 1 3 7 6 6 人，直接经济损失1 8 2 8 亿元。我国每年的起火次数较少，但死亡人数较高，这说明我国的消防保护体系对保护生命安全还有一定的差距，因此现阶段有必要提高全民的防火安全观念，提高我国消防设施水平。火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的

18、方法。以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。火灾报警系统就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。1 2 火灾自动探测报警技术的发展历史随着人类社会的发展，人们居住、生活、工作的地方越来越集中，火灾的隐患也越来越大。如何将火灾造成的损失降低到最低限度，其中最有效的方法之一就是早期发现，并在蔓延前将其扑灭。纵观一百多年来，火灾自动报警技术主要经历了以下一些发展阶段：初期阶段是用一些简单的分立元件构成的火灾自动报警系统，从1 9 世纪四十年代一直延续到2 0 世纪四十年代，这期间感温探测器占主导地位。火

19、灾自动报警系统的发展处于初级阶段。早在1 8 4 7 年美国牙科医生钱林(C h a n n i n g)和缅因大学教授华迈尔(F a r m e r)研究出世赛上第1 台用于城镇火灾报警的发送装置，1 8 5 2 年成功安装在波士顿。1 8 9 0年英国科学家研制成功感温式火灾探测器，开创了火灾自动探测报警技术的新纪元。但由于感温式火灾探测器灵敏度比较低，探测火灾的速度也比较慢，尤其对重庆大学工程硕士学位论文1 绪论阴燃火灾往往不响应，因此，它一直无法较好地实现火灾早期报警的要求。第二阶段从2 0 世纪五十年代至七十年代，这期间感烟探测器得到了大力发展，感温火灾探测器处于次要地位。“先见烟后

20、见火”，用感烟的方法来探测火灾使人类在实现火灾早期报警方面迈进了一大步，此时的系统一般是多线制(N+l 线或更多线)，其特点是稳定性、可靠性差，布线复杂，调试难度大。从2 0 世纪四十年代木期开始，瑞士物理学家埃斯特迈里(E n r s t M e i l i)博士开始研究离子式感烟探测器，并获得成功。由于离子式探测器探测火灾比感温探测器快得多，它的出现立刻引起了人们的重视并很快得到了广泛应用，自问世以来便一直统治着火灾探测器的市场。最初的火灾自动报警装置为开关量多线制的报警系统。其探测器采用设置了固定闽值的开关量探测器。控制器由逻辑集成电路、可控硅、继电器和分立器件构成。探测器与控制器之间采

21、用多线制联接。当探测器所探测到的信息变化到达设定的阈值后，开关电路接通，发出报警信号。信号经导线传递给控制器，控制器接收到信号后便发出报警。这种报警系统存在着明显的弊病。首先报警是由探测器控制的，无论是火情还是探测器周围环境的变化，如空气温度、湿度变化、气流大小以及气压高低等，只要探测器探测的信息变化达到了其设定的闽值，就发出报警，误报率高。其次，探测器与控制器之间的联线繁多，使线路出现故障的可能性增大，并且安装和维护十分困难。其三，控制器对信号的处理是靠硬件电路适当联接实现的，故电路复杂，可靠性差，也导致误报率较高。第三阶段从八十年代开始至今。总线制火灾自动报警系统蓬勃兴起，它同以前的产品相

22、比有了很大的飞跃，布线工作显著减少，安装调试变得容易，降低了安装和维修费用，其最大优点是施工简单并能精确确定报警部位，因而得到了较普遍的应用。为了解决多线制报警系统的诸多弊病，人们对其进行了改进。首先，用计算机C P U 作控制器的中央处理器，使原来的某些硬件电路功能用软件代替，使系统硬件的可靠性得到改善，加上灵巧的程序设计，可靠性进一步提高。其次，改多线制为二总线制，使若干探测器拄在同一条总线上与控制器相联。布线灵活、安装维护十分方便。二总线报警系统虽然在一定程度上提高了报警的准确性，但其探测器易受环境影响的弊病仍然存在。为了解决这一问题，人们研制出了模拟量火灾自动报警系统。在模拟量火灾自动

23、报警系统中，探测器不是以阂值方式报警，而是将探测到的烟雾密度和温度转化成数据，传送给控制器，控制器的C P U 根据采集、存贮的数据的变化率，对火灾进行判断。2重庆大学工程硕士学位论文l 绪论第四阶段：在总线制系统出现后不久，随着微电子、计算机、传感器、智能技术的发展，出现了智能化火灾自动报警控制系统。它标志着火灾自动报警监控系统己进入一个全新的发展时期。随着技术的不断进步，智能系统已突破传统的火灾探测报警范畴，它与建筑物内的防盗报警系统，电视监控系统，信息交换系统，公共安全系统等组成楼宇自动系统而成智能大厦。时至今日，人们又在模拟量自动报警系统的基础上研制出了分布智能型的火灾自动报警系统。它

24、与前者的主要区别在于，分布智能型报警系统在探测器内加迸了C P U，使其具有一定的智能，可以对火灾特征信号直接进行分析，作出初步的判断，并将结果传送给控制器。控制器将探测器的信息进一步做复杂的智能处理，得出最后判断结果。火灾自动报警控制系统是随着各种新工艺、新技术的涌现而不断得到发展，其趋势将是复合智能型探测器，分布智能型报警系统及适用于一些特殊场合的专用报警系统。其发展趋势还在于网络型火灾报警控制系统将得到大力发展，并为建立城市自动消防通讯指挥系统创造条件。1 3 国内外火灾报警控制系统的现状及发展情况1 3 1 火灾报警系统在国外的发展情况国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善

25、后处理等比较完善的消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如：美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾

26、报警数据通信畅通，为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果。1 3 2 火灾报警系统在国内的发展情况我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪7 0 年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入8 0 年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。火灾报警产品真正发展是在9 0 年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企3重庆大学工程硕士学位论文1 绪论业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了

27、市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。1 3 3 国内外火灾自动报警控制网络的一般结构简述目前，国内外火灾报警控制系统网络的构成主要由火灾监控系统(1 1 9 消防指挥中心)、数据传输通道、火灾报警控制器(报警主机和报警回路)、各类火灾探测器和监视控制模块等部分构成，其中数据通信技术占有着很重要的地位。目前的火灾报警控制系统的通信信道主要包括：(1)1 1 9 消防指挥中心与火灾报警器之间的通信信道；(2)火灾报警器主机与火灾报警器回路之间的通信信道

28、；(3)火灾报警器回路与火灾探测器和模块之问的通信信道。一般说来，几乎所有的火灾报警控制系统在整体上都是采用分布式体系结构。这种体系结构分为上中下三层：上层(1 1 9 消防指挥中心与火灾报警器之间)采用星型结构；中层(火灾报警器主机与火灾报警器回路之间)采用总线型结构；底层(火灾报警器回路与火灾探测器和模块之间)采用总线型结构，如图1 1 所示。2 0 世纪8 0 年代初期，美国就开始研究、开发、使用无线火灾自动报警系统。这种火灾自动报警系统是通过无线电电波发射和接收信号进行通讯活动的。全部组件内均有天线。它的好处是：便于安装、对建筑的损坏小、经济，系统设计简单且可完全寻址，便于网络化设计。

29、城市l1 9 消防中心备(上层通信网)眵多身可食火灾报警器主机火灾报警器主机火灾报警器主机u 中层通信网)眵多分万吣火灾报警器网路火灾报警器回路火灾报警器回路嘭多逻竺怒备类探测器各类监视控制模块图1 1 火灾报警控制系统网络结构图F i g1 1n e t w o r ks t r u c t u r eo f f i r ea l a r ms y s t e m但这种方式的火灾自动报警系统受到了较大限制。1 9 9 8 年底，国家信息产业4重庆大学工程硕士学位论文1 绪论部发布了微功率(短距离)无线电设备管理暂行规定，规定微功率(短距离)无线电设备的发射功率不得大于1 0 r o W，且使

30、用频率也有限制。功率与频率的限制，使无线火灾自动报警系统进一步的推广应用受到很大限制。1。3 4 火灾报警控制系统的技术差距及发展趋势(1)采用智能技术处理传感器提供的火灾信息这一方面国内外技术差距较大。近年来国内不少企业应用数理计算和计算机技术，开展了火灾探测算法的研究，有的应用模糊逻辑算法、人工神经网络信号处理，以及采用多传感器硬件复合配套，以获得更多的火灾信息作为判断的依据。在产品设计思想上将火灾探测器的火灾信息收集传感的功能与火灾判别判定功能分离。前者主要依靠技术精度高的硬件来实现，而后者主要依靠智能化的软件来实现。通过努力，这一方面国内外技术差距正在缩小。(2)火灾探测报警的网络化信

31、息网络化技术是一项重要的共性科学技术，也是2 1 世纪的科技发展的特征之一。对消防产业而言，如何把计算机数据通讯技术及时地应用到火灾探测报警系统，以便利用并通过网络协议，充分享用社会信息资源，及时交换系统内部和外部之间的数据信息，从而构成一个动态的城市化、社区化的具有多层次的火灾探测报警救援、管理、服务网络信息系统。这一方面国内外技术差距很大。尽管国内已开发成功城市消防网络管理系统产品，但国内火灾自动报警系统通讯协议无统一标准，各厂家自搞一套、自成一体，通讯协议不开放，数据格式不统一，传输非标准，技术层面的信息交换不畅通，成为中国良性发展和产品研发的重大障碍和“瓶颈”，甚至同一企业不同系列的产

32、品所采用的通讯协议也不同，系统维护保养缺乏标准及可持续的技术支持，用户操作使用困难。这一重大障碍必须突破，由于涉及各企业切身利益，国家有关部门可组织国内大型生产企业，有步骤地规范和统一火灾自动报警系统通讯协议，借鉴国际上广泛公认的标准总线和通讯协议，利用现有软件、硬件技术，使协议与国际接轨，同时也应以国内技术相对先进、产品性能相对可靠的生产企业的现行标准作为基础技术支持，使国内消防电子产业的发展得到合理的衔接、过渡和更新。(3)易燃、易爆、高危险、高灾害的工业场所的火灾探测报警这是一项长期存在，但至今尚未解决好的火灾探测报警重大难题。以往国内工业消防领域全被洋货、洋设备、洋技术和洋人所占据。值

33、得提出：我国第一个工业消防专业技术公司首安公司，建立建筑面积2 0 0 0 m 2T 业火灾实体试验中心：开发成功了工业消防专用成套设备；首安总承包完成的国家重点工程消防自动系统第一次发挥巨大作用，成功扑救了钢水外漏造成的电缆火灾；其以适用先5重庆大学工程硕士学位论文1 绪论进的成套技术，为客户提供可靠、经济的“工程消防解决方案”；首安公司在国内工业消防领域已夺取一席之地并迅速扩大地盘，与诸多国外著名厂商竞争。石油化工企业、海上采油平台、油田油库储罐以及油轮码头等易燃、易爆场所的消防安全令人担忧，长期以来都采用点型可燃气体气敏探测器构成报警系统，效果不好。近年来国内外专家都在探索其他可燃气体探

34、测报警的新途径。沈阳消防科研所采用红外光束原理初步开发成功了“大面积线型可燃气体探测器”，这项新技术目前尚处于进一步完善和推广试用中。1 4 本文的研究目的和内容火灾的发生，将严重影响国民经济的发展，三峡工程作为我国一项超大工程，在我国和世界都有着巨大的影响。三峡左岸电厂，作为三峡工程现在已建成部分，在我国的电力行业，有着举足轻重的影响。如果出现火灾不仅造成三峡机组的发电损失，而且将给我国的电网造成难以估量的损失。论文在对国内外消防报警控制系统的分析比较的基础上，结合三峡左岸电厂实际和对其火灾报警控制系统的特点及功能要求，采用了L M S 和S L-G 5 0 0，通过西门子的C c r l

35、o o p 网络，设计了符合消防要求的三峡左岸电厂火灾报警控制系统，实现对左岸电厂六个区域的报警及其联动控制的监控。完成的主要工作有：(1)确定了三峡左岸电厂火灾报警控制系统的总体方案；(2)完成了火灾报警系统的硬件设计，选择了报警控制主机C S l l；根据消防规范和现场实际要求，选择了不同类型的探测器，并对灭火、防火设备进行了联动设计；(3)重点完成了工业消防监控系统S L-G S 0 0 与电站计算机监控系统(P S C S)的通信驱动程序的设计，包括通信协议的定义及监控运行画面的设计。(4)系统的总体调试及结果分析，对调试中出现的问题进行了总结，系统现己正式运行，其运行状况良好，实现了

36、对三峡左岸电厂各重点防火部位的实时监控。6重庆大学工程硕士学位论文2 火灾报警控制系统的组成及工作原理2 火灾报警控制系统的组成及工作原理2 1 火灾报警控制系统的组成火灾报警系统，一般由火灾报警探测器、控制器以及信号传输线组成。其中火灾探测器是识别火灾是否发生的专门仪器，根据建筑物或实地场所的要求，安装不同类型的火灾探测器。火灾探测器主要分为感烟探测器、感温探测器和光辐射探测器三大类，其中离子感烟探测器稳定性能较好，误报率低，寿命长等优点，在火灾报警系统中被广泛使用。2 1 1 火灾报警探测器(1)火灾探测器的分类探测器是火灾报警系统的现场探测部件，它的好坏直接关系到整个系统是否正常运行。当

37、火灾发生时，把因火灾产生的各种非电量参数(如烟，温度等参数)变成电量参数传送给控制器。其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数(如烟、温度等参数)变化而变化。火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。在每个大类中，又可以根据物理效应分为不同的八大类，如图2 1 所示。图2 1 火灾探测器分类F i g2 1T h ef i r ea l a r md e t e c t o rc l a s s(2)火灾探测器的性能比较由于建筑结构和功能的多元化，为了准确、及时地探测火灾，并进行报警，7重庆大学工程硕士学位论文2 火灾报警控制系统的组成及

38、工作原理对火灾探测器提出了更高的要求。选择火灾探测器时必须充分考虑火灾探测器的性能、建筑空间形状、火灾特点和可能发生的危险。下面就一些常用火灾探测器和使用场合作一比较。感温探测器：感温探测器一般分为定温式、差温式和差定温式三种类型，单一的感温探测器由于灵敏度低，探测速度慢，尤其对阴燃情况不响应，误报率高。感烟探测器：感烟探测器又可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器，其中离子感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在环境条件不太好的场所也会有较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中，感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射，但它不能区分火灾信号

39、与非火灾的厨房烟、水蒸气等信号，所以误报率较高。气体探测器：气体探测器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所。但由于气体探测器探测对像C 0 易与还原气体发生化学反应，因而在有还原气体的场所可能发生误报警。图像探测器：目前研制出的图像火灾探测器有烟雾图像探测器、火焰图像探测器、激光图像感烟探测器等，它们都非常适合于商场大空间建筑。但烟雾图像火灾探测器对不规则物体或相似图像可能发生误报警；面火焰图像探测器则对高温物体或太阳光照射可能发生误报警：激光图像感烟火灾探测器则由于其良好的探测性能，发生误报警的概率小，非常适合商场建筑的火灾探测。红外火焰探测器和紫外火焰探测器：由于能够辐射出红外线的不仅仅是火

40、灾的火焰，一些高温物体的表面，如：炉子、太阳等都能发出与火焰红外线频带相吻合的红外线，因而这些并非火灾的红外源就容易使单波段红外火焰探测器产生误报警，紫外火焰探测器灵敏度高(毫秒级)，反应快，适合在火灾时有强烈的火焰辐射、无阴燃阶段且需对火焰做出快速反应的场合，但当环境中有紫外辐射、高温物体或有太阳光直射时可能要发出误报警动作，因此，紫外火焰探测器不宜用于火焰出现前有浓烟扩散或有阳光直射的地方。任何一种火灾探测器都只是针对火灾中同时出现的多种物理量中的一种进行探测，不可避免的受到环境中某些相似因素的影响，从而导致误报警(误报警是指在非火灾情况下，火灾探测器发出的报警)，表2 1 列出了几类火灾

41、探测器误报警的部分环境因素。8重庆大学工程硕士学位论文2 火灾报警控制系统的组成及工作原理表2 1 误报警原因T a b l e 2 1T h e o n o r a l a r mr e a s o n火灾中物理量探测器类型识别模式误报警因素C O、C 0 2气体探测器还原气体接触温度感温探测器气体或温度变化接触型感烟探测器灰尘、水滴、小昆虫固体颗粒静电探测器静电非辐射光火焰探测器闪烁频率照明、太阳光接燃耗音声音探测器功耗谱强度生活、生产噪音触烟雾形状图象探测器颜色、边缘不规则物体、相似色型火焰形状图象探测器辐射能量区别高温物体，太阳光照射解决误报警问题已成为提高火灾探测器准确性的关键所在，

42、减少和降低误报警，有以下几条比较有效的途径；1)避免和减少环境因素对误报警的影响。该方法着眼于引起误报警的环境因素，通过改进探测器结构设计和规定使用条件入手来减低误报警。2)考察参量变化与实际火灾过程的比较。该方法着眼于识别方式，通过模拟方式监测某一物理参量的变化历程，并与实验所得火灾过程相应物理参量变化曲线相比较，由此来判断是否发生火灾。这种方法需要大量的火灾实验数据为基础。3)改单一物理参量监测为多参量复合监测，降低误报警。实行多参量复合监测要依据所在建筑及火灾特点(或火灾数据)取舍物理量，既可减低火灾误报警，又能保证经济和技术上可行。4)寻找适当的信号处理算法，如：复合趋势算法、模糊逻辑

43、算法和人工神经网络算法等，在提高灵敏度的同时将误报率降低到极限。(3)火灾探测器的标定火灾探测器安放的环境复杂多变，对被探测的环境变量的阀值要求就不一样。在火灾探测器安装之前，必须要对它们进行标定。标定的目的是根据具体要求设定火灾探测器的阀值。对离子感烟探测器来说，环境变量比较单一。烟进入的直接效果是改变栅极电压，而栅极电压是离子室的端电压和离子室的机械结构及放射源决定的。由于机械件几何结构的精密性，可以做到准确的放射源配对，从而得到足够准确的分压比。阈值与烟浓度的模拟就可以简单地由设定控制离子室的端电压来达到足够的精度。离子型探头的标定技术易于掌握，实现比较容易。标定的准确性对能否使火灾探测

44、器发挥应有的效能非常重要。虽然人们对离9重庆大学工程硕士学位论文2 火灾报警控制系统的组成及工作原理子型中的放射源的隐忧一直存在，但是由于离子型探头的标定易于掌握和实现，所以很多用户采用离子型。2 1 2 火灾报警控制器报警主机中包含控制器，大都会带有一个液晶屏，以文字方式显示报警探头的编号(地址)和报警的类别。然而，要通过编号从上百甚至数干个探头中确定当前报警点的位置，对任何值班人员来说，都是困难的事情。因而，几乎每一种报警主机，都通过一个通信接口，或为串口，或为网络口，用厂家自行定义的通信协议将报警信息送出，或接受上位机的控制命令。这样，只要知道了报警主机和上位机之间的通信协议，就可以设计

45、相应的软件，以电子地图的方式显示报警点和报警类别，通过图形界面的软件去确定报警点的位置、类别、操作报警主机，行业内一般把配置了图形界面的软件的上位机，称为C R T。2 1 3 系统结构由于火灾信息探测与数据处理方式、火灾探测器与火灾报警控制器之间的配合等，决定着火灾监控系统的功能与结构形式，因此，火灾监控系统根据火灾探测器与控制器之间连接方式、火灾报警控制器中火灾信息处理方式和网络通信能力、系统设计所基于的技术特征等，可分为下列几种基本结构形式；(1)多线制系统结构多线制系统是基于工业生产过程点对点控制方式开发的传统型系统，其结构特点是火灾报警控制器采用直流信号巡检各个火灾探测器，火灾探测器

46、和火灾报警控制器之间采用硬线对应连接关系，一般系统线制为a n+b(n 是探测器数；a=l，2；b-=l，2，4)。随着微电子技术发展，先进的多线制系统采用数字编码技术，最少线制为n+l。多线制系统由于工程设计、施工布线和系统维护复杂，己逐步淘汰。(2)总线制系统结构总线制系统结构的核心是采用数字脉冲信号巡检和数据压缩传输，通过收发码电路和微处理机实现火灾探测器与火灾报警控制器的协议通信和整个系统的监测控制。总线制系统的结构特点是系统线制为a n+b(n 是探测器数；但a：o；b=2。3，4 等)，一般是二总线或三总线制，体现了智能建筑中系统集成、综合布线的技术特点：当火灾探测器与火灾报警控制

47、器之闯、各种功能模块与火灾报警控制器之间都采用总线连接时，称为全总线制系统，其工程布线灵活，可通过模块联动或硬线联动消防设备，系统抗干扰能力强，误报率低，总功耗小。(3)集中智能系统结构集中智能系统结构一般采用总线制和大容量通用火灾报警控制器，其特点是火灾探测器主要完成火灾参数的采集和传输，火灾报警控制器采用计算机技术实现火灾信号识别、数据集中处理储存、系统巡检、报警灵敏度调整、火灾判定和1 0重庆大学工程硕士学位论文2 火灾报警控制系统的组成及工作原理消防设备联动等功能，并配以区域显示器完成分区声光报警。显然，建立在总线制基础上的集中智能系统能满足智能建筑中系统集成的基本要求。但是，系统中火

48、灾报警控制器要及时处理每个探测器送回的数据并完成一系列设定功能，当建筑规模庞大、探测器及消防设备较多时，单一主机可能出现系统应用软件复杂庞大、火灾探测器巡检周期过长、系统可靠性降低和使用维护不便等不足。(4)分布智能系统结构分布智能系统结构是在集中智能系统优势基础上形成的，它将火灾探测信息的基本处理、环境补偿、探头污染监测和故障判断等功能由火灾报警控制器返还给现场火灾探测器，免去控制器大量的信号处理负担，使之能从容实现火灾模式识别、系统巡检、设备监控，数据通信等功能，提高了系统巡检速度、稳定性和可靠性。显然，分布智能系统结构强调总线上有效数据传输，对火灾探测器设计提出了及时性和可靠性方面的更高

49、要求，通常是采用专用集成电路设计(A S I C)技术来降低分布智能系统中高性能探测器成本，提高性能价格比。显然，分布智能系统结构符合智能建筑系统集成思想和综合布线的性能要求。(5)网络通信系统结构网络通信系统结构可在集中智能或分布智能系统基础上形成，特殊之处是将计算机数据通信技术应用于火灾报警控制器，使控制器之间能够通过E t h c r n e t 及T o k e n R i n g，T o k e n B u s 等通信协议，以及专用通信线或总线(R S 2 3 2，4 2 2 总线、4 8 5总线)交换数据信息，实现火灾监控系统层次功能设定、远程数据调用管理和网络通信服务等功能。显然

50、，网络通信系统结构既可专用通信网络实现，也可基于开放式的现场总线技术实现，再配以分布智能数据处理方式，能适应高性能火灾监控系统的发展需要，为城市消防数据信息网络系统建设奠定基础并满足未来发展需要。2 2 火灾探测原理火灾探测与报警是火灾监控系统的基础和核心，主要实现火灾参数的检测和数据处理，最终给出判断结果，并为消防控制系统提供相关的输入信息。在火灾监控系统中，一般由火灾探测器和报警控制器来完成该功能。我们知道，物质燃烧就必然有热量释放出来，环境温度升高，而在燃烧速度非常缓慢的情况下，这种热(温度)是不容易鉴别出来的。物质在燃烧开始阶段，首先释放出来的是燃烧气体，比如：单分子的C O 和C 0

51、 2 等气体。其次还有悬浮在空气中较大的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒，我们把这些悬浮物称为气溶胶，粒子直径一般字0 0 1)t m 左右。烟雾是人的肉眼可见的燃烧生成物，其粒子直径为O 0 1 1 0 p m 的液体或固体重庆大学工程硕士学位论文2 火灾报警控制系统的组成及工作原理微粒称之为烟雾。不管是燃烧气体还是烟雾它们都有很大的流动性，能潜入建筑物的任何空间。由于有些气体和烟雾有毒性，所以，它对人的生命有特别大的威胁。据统计，在火灾中约有7 0 死者的死亡就是这些燃烧气体和烟雾造成的。火焰是物质着火时产生的灼热发光的气体部分。物质燃烧到发光阶段，是物质的全然阶段。在这阶段中，火焰热辐射含

52、有大量的红外线和紫外线。从物质燃烧的基本概念出发，选择合适的火灾探测器是一个非常重要的环节，因为任何一种探测器都不是万能的，每一种探测器有一定的环境适应性，也可以说有一定的局限性。要想有效地发挥各种火灾探测器的作用，就要掌握各种火灾探测器的探测原理，以及它的适用场所，只有这样才能真正发挥它们作用。对于普通可燃烧物质的表现形式，首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气供应充分的条件下，才能达到全部燃烧，产生火焰，并散发出大量的热，使环境温度升高(起火过程曲线如图2 2 所示)。温、烟浓度图2 2 起火过程曲线F i g 2 2T h ep r o c e s so f f i r i n gc u

53、 r v o如图2 2 所示，起火过程中，总是前两个阶段所占有的时间比较长，这是燃烧的开始阶段。如果要把火灾损失控制在最小限度，保证人身不受伤亡，那么火灾的探测器就应该从此阶段开始进行为宜。因为此阶段尽管产生了大量的气溶胶和烟雾，充满建筑内的空间，但环境温度并不高，尚未蔓延发展到严重的程度。由于火灾发生时，会产生烟雾、高温和火光等现象，探测器对这些很敏感。当有烟雾、火光、高温产生时，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，信号经过放大，送入控制器，并以声、光等形式发出警报信号，显示火灾的部位、地点。一个火灾过程一般都伴随着烟、气、温、光等信号的产生，基于不同的环境和不同

54、的燃烧成分，烟雾的粒径构成、颜色、温场分布及光谱均不相同。因此，火灾过程涉及多个物理和化学参数，而且特征性比较强。针对不同的特征，产生了不同的探测方法，出现了不同类型的探测器。1 2重庆大学工程硕士学位论文2 火灾报警控制系统的组成及工作原理探测嚣rf 热敏电阻式感温探浏器(点型)I 电子式感温 机械电子式感温探凛瞄(点型)感温探铡器L 感温电缆、感i 矗光缆浅型)h 式感温P 豢勰耥Pf 离子感烟抹测器(点型)感熠探襁j 器 光电感烟探溴皤(点型)L 线型光束感橱探测嚣(线型)r 红外火焰探测器(点型1火焰探测器 紫外火焰探测器(点型)掇被段红外火焰探襁J 器(点型)卜氧化碳抹测器(点型)气

55、体拆测器 二氧化碳摔擦j 器(点型)懊【氧化物探测器(点型)2 3 火灾报警控制系统的原理火灾报警控制器的火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象气(燃烧气体)、烟(烟雾粒子)、热(温度)、光(火焰)的探测，将探测到的火情信号转换成为火警电信号传送给火灾报警控制器。火灾报警控制器接收到火警信号后经分析处理，发出预警、火警声光报警信号。警示消防控制中心的值班人员，并显示火警位置，同时将火警信号发送到发生火警的相关防火分区设置的火警显示盘，在火警显示盘上与火灾报警控制器同步发出预警、火警声光报警信号并显示火警发生的地址，以警示现场有关人员立即察看火情并采取相应的扑救措施。消防控制中心如果设有与火灾

56、报警控制器相连接的C R T 系统，可更清楚直观的在显示屏上看到发生火警现场的建筑平面结构图及有关消防设施图，以便消防工作人员更有效地采取扑救措施。火灾报警控制器接收到火情现场传来的火警信号后，经预先编程的控制逻辑处理后，发送出联动控制命令信号，控制相应的消防设备，如：消火栓泵、喷淋泵、送风机、防火卷帘、防火阀、电梯、消防广播等。2 4 本章小结本章首先介绍了火灾报警控制系统的基本组成。通过对各组成部分的介绍，分析了其工作原理。为后续章节中火灾报警系统的设计打下了基础。1 3重庆大学工程硕士学位论文3 火灾报警控制系统总体方案设计3 火灾报警控制系统总体方案设计3 1 三峡左岸电厂火灾报警控制

57、系统的设计背景三峡水电站为坝后式厂房，分设左、右岸两座电站，共安装2 6 台单机额定容量为7 7 7 8 M V A、最大容量8 4 0 M V A 的水轮发电机组，其中左岸电站1 4 台，右岸电站1 2 台。三峡左岸电站2 0 0 3 年首批机组发电，2 0 0 6 年建成。右岸电站预计2 0 0 7年首批机组发电，2 0 0 9 年工程建成。三峡左岸电厂，作为三峡工程现在己建成部分，在我国的电力行业，有着举足轻重的影响，如果因火灾造成三峡机组的发电损失，将给我国的电网造成难以估量的损失。三峡左岸电厂内的安装有水轮发电机组、变压器、高压输电设备等重要设备，布置有大量的控制室、计算机房、电缆竖

58、井、电缆夹层、电缆廊道、配电室、变压器室、电梯机房等一级火灾保护对象。在中控室、监控系统主机及工程师站机房及辅助盘室设有气体灭火设备；在变压器室、发电机坑、电缆廊道设有水喷淋灭火设备；在上下游副厂房设有防排烟设备；在上下游副厂房与主厂房的通道出还设有防火卷帘设备。以上灭火防火设备分部在左岸电厂的各个区域，为有效发挥其防火灭火功用，防止和减少火灾危害，需要设计一套功能完善、安全可靠的火灾报警自动控制系统。3 2 火灾自动报警网络系统设计要求1 2】【1 3】3 2 1 设计目标设计火灾自动报警网络系统的目标是采用计算机网络通信技术，将分布于各个重点防火建筑、设施的火灾自动报警系统与消防指挥中心联

59、网，对各重点防火设施实施2 4 小时不间断的实时监控，确保对火警的早期发现、提前预警、及时出警、快速扑灭。3 2 2 火灾报警控制系统的技术要求(1)可靠性要求1)系统采用分层分布式控制结构，各种监控和管理等功能分别由各个计算机或控制设备完成，它们应分别具有独立完成所安排任务的能力。2)系统中任何设备的单个元件故障不应造成系统关键性故障或控制设备的误动作，应防止设备的多个元件或串联元件同时发生故障。3 1 消防报警控制系统的可利用率应达到9 9 9 8。消防报警控制系统自完工验收到首次发生影响报警灭火的故障的时间不应少于1 6 0 0 0 小时。1 4重庆大学工程硕士学位论文3 火灾报警控制系

60、统总体方案设计(2)实时性要求1)消防报警控制系统火灾信息及控制信息的采集周期：2 s。2)实时数据库刷新周期：5 s。3)消防报警控制系统对通航集中调度系统的数据采集和数据发送以及和集中监控系统、消防指挥中心的数据通信应满足通航集中调度系统的实时性要求。4)控制响应火灾报警控制主机发出命令到现地联动控制设备接受并执行命令的时间应 l s；操作员通过计算机屏幕(C R T)发出控制命令到现地联动控制设备执行后，回答显示的时间应 2 s：紧急情况下，操作员通过操作按钮发出控制命令到现地联动控制设备执行后，回答显示的时间应 l s。报警或事件发生到画面刷新和发出音响的时间应 I s。(3)安全性要

61、求1)消防报警控制系统应保证控制信息中的一个错误不会导致系统出现破坏性的故障。系统应对每个功能操作提供安全检查和校核，当发生误操作时，系统应能自动禁止误操作输出并报警提示。任何自动或手动操作，应提供事件的顺序记录，并可提供相关的操作指导。在人机对话中，系统设置不同级别的操作口令，分别设置系统维护权口令、系统操作控制权口令等。系统按控制层次实现操作闭锁，其优先级为：现场区域控制层第一，集中控制层第二。2)消防报警控制系统设备和现地控制设备的通信涉及控制信息时，系统应对响应有效信息或没有响应有效信息有明确的指示，当通信失败时，应能重复2 5次通信并发出相关报警信息。3)系统具有电源故障保护和自动重

62、新启动能力，并能预置初态和重新预置。系统设备具有自检和诊断能力，设备故障能自动切换或切除，并发出故障报警。4)系统对外通信应具有保障本系统运行数据及数据库安全的措施。(4)可维修性要求计算机监控系统的结构应考虑维修方便，以便缩短平均修复时间(M 册)。平均修复时间由卖方提供，当不考虑管理辅助时间和备品运送时间时，M T T R 应小于1 h。同时卖方应采用下列措施增强系统的可维修性：1)系统设备尽可能采用同型号、同结构的商用化的标准产品以及标准的成熟的软件及操作平台，以保证系统的长期可用性，保护买方的投资。2)系统具有自诊断和故障点查找、定位、记录程序。系统出现故障时，能立即找出故障点和故障原

63、因并可尽快排除故障，恢复系统正常工作。1 5重庆大学工程硕士学位论文3 火灾报警控制系统总体方案设计3 1 应有便于试验和隔离故障的断开点。4)应配备合适的专用安装拆卸工具，预防性维护不应引起磨损性故障。5)系统可由买方经过培训的专业人员通过软件编程进行修改和维护。(5)先进性要求在满足消防报警控制系统运行要求前提下，系统应采用成熟的先进技术，系统的设备配置与选型，应符合消防报警和计算机技术的发展趋势，系统设备应具有灵活、简便的特点，以保证在今后相当长的一段时间内不需更新换代。(6)开放性要求消防报警控制系统应具有良好的开放性，硬件、软件平台、系统互联接口及数据库结构应采用计算机国际开放系统的

64、标准，保证系统选用不同计算机和控制设备时的互连性，系统扩展和设备更新时的软件可移植性。(7)可扩性要求系统应考虑留有和三峡枢纽通航集中调度系统、枢纽消防指挥中心的接口，以及与电站工业电视监视系统、永久船闸集中监控系统中的工业电视监视设备、广播指挥设备等其他设备的接口。(9)抗震性要求系统应采取可靠的抗震措施，防止由于外界的震动等干扰影响系统正常工作，造成系统设备的损坏和误动作。3 2 3 火灾报警控制系统的功能要求【1 4 J(1)数据采集系统具有对电站厂房、大坝泄洪闸及永久船闸报警区域和探测区域内的感温、感烟探测器、手动报警器、声光报警设备、消防联动控制设备及其联动控制模块、集中和区域火灾控

65、制器等设备的数据采集能力。全面掌握火灾信息及消防报警、灭火设备的运行工况，并将有关信息送至总调和枢纽消防指挥中心。主要采集信息应包括不单限于以下各类数据：1)所有报警探测器的输出信号，但不限于此。2 1 专用探测、信号、联动等模块的输入、输出信号，但不限于此。3)手动报警器、声光报警器等设备的输出及反馈信号。4)消防联动控制设备及受控设备的运行状态。5 1 火灾报警控制主机、集中和区域火灾控制器等设备的运行状态。6)系统线路、通讯网络的工作状态。(2)安全报警系统能对探测区域内的火灾探测器和其他传感器件所传送的信息进行实时处理和监控能力，并保证系统完成各项联动控制、信息记录和管理等功能。安全报

66、1 6重庆大学工程硕士学位论文3 火灾报警控制系统总体方案设计警应包括以下内容，但不限于此：1)能监测和区分火灾探测器和传感器的正常故障预报警火警等各项工作状态，并能进行不同的处理。2)能监控系统的运行、通信和线路等设备的故障正常等工作状态。3)能形成各类正常故障预报警火警等数据记录和各项分类统计报表。4)能形成各类图形画面并进行各类声光报警。5)各种报警具有时标锁定和记录功能。(3)控制要求1)系统对所监控的设备能严格按照联动工艺的要求进行可靠、有效、准确和灵活的控制。2)对所监控的设备能发出开启、关闭等命令并能接收设备运行的各种状态反馈信号。3)系统具有自动、半自动和手动三种联动控制操作方式。在自动方式下，系统按联动工艺要求所规定的动作顺序、时间间隔和温度范围等要求自动启停联动控制设备；在半自动状态下，系统按工艺条件和控制逻辑自动配合操作员完成前后逻辑相关联的控制和灭火操作；在手动操作方式下，操作员可直接操作所有联动控制设备。4)半自动到自动状态的转换。当系统处于半自动状态下。在火灾报警信号发生一段时间后，操作员没有采取任何操作，则联动设备按自动方式下的工艺要求，自动控制联动设备。