智能報警與聯(lián)動控制在船舶消防系統(tǒng)中的應(yīng)用

張家驥

(重慶市涪陵區(qū)港航管理局，重慶 408000)

船舶是一個復(fù)雜大系統(tǒng)，由眾多的子系統(tǒng)所組成，但是就各個子系統(tǒng)的重要性等級而論，其消防報警系統(tǒng)的重要性等級最高，對船舶可否使用有著最高的否決權(quán)。因此很多文獻(xiàn)從不同層面對此都進(jìn)行了專題探討［1］，對火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動系統(tǒng)作了比較全面的研究［2-3］，對火災(zāi)探測與消防聯(lián)動作了系統(tǒng)分析［4］，討論了火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計問題［5］，就火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢作了綜述［6］，側(cè)重研究了究火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動系統(tǒng)的設(shè)計問題。近年來消防報警與聯(lián)動控制愈來愈引起人們的關(guān)注，本文從船舶消防工程實踐角度，探討了一類基于分布智能的消防報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)。

1 火災(zāi)形成機理與火災(zāi)形成過程

1.1 形成機理

船舶內(nèi)可能存在大量可燃體，如可燃燒裝飾材料，家俱、用品，可燃性固體及具有爆炸可能性的液體、氣體材料的儲存等，在一定條件下都可能引起火災(zāi)。造成火災(zāi)的根本原因在于對火災(zāi)危害認(rèn)識不足，在管理等方面疏于防范而留下火災(zāi)隱患。但是大部分火災(zāi)由下列原因造成。①人為造成火災(zāi)，防火意思淡薄，違規(guī)操作，如不遵守安全工作原則，不必要的帶電違規(guī)操作造成電火花、私燒電爐、亂接電線、違章吸煙或隨意亂扔煙頭等等直接引起火災(zāi)甚至爆炸。人為因素是造成火災(zāi)最直接的原因，當(dāng)然人為蓄意縱火也是不可忽視的原因之一。②電氣事故造成火災(zāi)，在船舶中電氣設(shè)備及線路極為復(fù)雜，管線縱橫交錯，四處接頭。因此由于設(shè)計、施工安裝以及使用維護(hù)不當(dāng)，短路、過載、等的影響極易形成火源。同時，大量劣質(zhì)電氣產(chǎn)品經(jīng)過不當(dāng)渠道進(jìn)入船舶，也會留下嚴(yán)重的隱患。此外防雷措施不當(dāng)，雷擊形成火災(zāi)也屬電氣火災(zāi)范疇。③可燃體自燃或爆炸形成火災(zāi)，違規(guī)儲存大量可燃固體，如棉花、紙張、化工纖維材料、木材、煤炭等，由于某種原因，致使環(huán)境溫度升高，有的固體物質(zhì)會分解一些可燃?xì)怏w，有時又由于通風(fēng)不良，均可能使這些固體物質(zhì)的溫度達(dá)到其自燃點溫度而形成自燃?？扇?xì)怏w，如煤氣、液化石油氣、天然氣、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H6)等，由于泄漏，與空氣混合形成混合氣體，當(dāng)其濃度達(dá)到或超過其爆炸下限，遇火源即能發(fā)生爆炸而形成火災(zāi)?？扇家后w、油品和一些有機溶液，如甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯等，由于揮發(fā)，與空氣混合形成混合物，當(dāng)其濃度、溫度達(dá)到一定值時，遇火源就會出現(xiàn)“一閃而燃”，即閃燃。這種液體蒸汽與空氣的混合物能夠閃燃的最低溫度，稱為該液體的閃點。有些液體的閃點極低(＜28℃)，即在正常的環(huán)境溫度下遇火源也能閃燃，而造成火災(zāi)?？梢姡瑢扇俭w的儲存與保管是十分重要的，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按規(guī)章進(jìn)行管理。

1.2 火災(zāi)形成過程

一般認(rèn)為火災(zāi)形成及蔓延的全過程可以分為3 個階段，即初始階段、陰燃階段和火焰燃燒階段。初始階段，燃燒體被焚熏、預(yù)熱，室內(nèi)溫度升高，產(chǎn)生大量的煙霧氣溶膠，如果此階段能將火災(zāi)信息感知報警，可將火災(zāi)損失降低在最低程度。陰燃階段，此階段室內(nèi)的煙霧氣濃度已達(dá)相當(dāng)水平，但是蓄積的熱量使環(huán)境溫度迅速升高，遇明火極易點燃，這個階段所占的時間較短。在火災(zāi)初始與陰燃階段最顯著的特征是產(chǎn)生大量煙霧氣。火焰燃燒階段，室內(nèi)可燃物充分燃燒，產(chǎn)生大量可見光，室內(nèi)溫度迅速上升，火勢迅速蔓延，當(dāng)燃燒產(chǎn)生的熱與通過外圍結(jié)構(gòu)散失的熱量逐漸平衡后，室內(nèi)溫度基本上維持恒定，此時已形成火災(zāi)。

2 火災(zāi)探測器

2.1 火災(zāi)探測器

火災(zāi)探測器是火災(zāi)自動報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)最基本和最關(guān)鍵的部件之一，本質(zhì)上是感知其裝置區(qū)域范圍內(nèi)火災(zāi)形成過程中的物理和化學(xué)現(xiàn)象的部件。其基本功能要求是:信號傳感要及時，具有相當(dāng)精度;傳感器本身應(yīng)能給出信號指示;通過報警控制器，能分辨火災(zāi)發(fā)生具體位置或區(qū)域;探測器應(yīng)具有相當(dāng)穩(wěn)定性，盡可能的防止干擾?；馂?zāi)探測器通常由敏感元件、相關(guān)電路和固定部件及外殼等3 個部分組成。

①敏感元件，其作用是感知火災(zāi)形成過程中的物理或化學(xué)參量，如煙霧、溫度、輻射光、氣體濃度等。并將其轉(zhuǎn)換為模擬量，它是火災(zāi)探測器的核心部件。

②電路，其作用是對敏感元件感知并轉(zhuǎn)換成的模擬電信號進(jìn)行放大和處理。通常由轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)電路、抗干擾電路、指示電路和接口電路等組成，如圖1 所示。

圖1 火災(zāi)探測器電路框圖

轉(zhuǎn)換電路作用是將敏感元件輸出的電信號進(jìn)行放大和處理，使之滿足火災(zāi)報警系統(tǒng)傳輸所需的模擬載頻信號或數(shù)碼信號，通常由匹配電路、放大電路和閾值電路等部分組成。保護(hù)電路用于監(jiān)視探測器和傳輸線路故障的電路，由監(jiān)視電路和檢查電路2 部分組成?？垢蓴_電路作用在于提高火災(zāi)探測器信號感知的可靠性，防止或減少誤報，探測器必須具有一定的抗干擾功能，如采用濾波、延時、補償和積分電路等。指示電路用于顯示探測器是否動作，給出動作信號，一般在探測器上都設(shè)置動作信號燈。接口電路用以實現(xiàn)火災(zāi)探測器之間，火災(zāi)探測器和火災(zāi)報警器之間的信號連接。此外，固定部件用于固定探測器，其外殼應(yīng)既能保證煙霧、氣流、光源、溫度等物理和化學(xué)量達(dá)到敏感元件，又能盡可能地防止灰塵及其他非感知信號的進(jìn)入。

火災(zāi)探測器種類很多，通常它可以按照其結(jié)構(gòu)形式、被探測參量以及使用環(huán)境進(jìn)行分類，其中以被探測參量分類最為多見，也多為通常工程設(shè)計所采用。如按探測器的參量分類，根據(jù)被探測參量，可劃分為感煙、感溫、感光(火焰)氣體以及復(fù)合探測器等幾大類。感溫火災(zāi)探測器是工程上常見的火災(zāi)探測器種類之一，主要作用于不適合或不完全適合感煙火災(zāi)探測器的一些場合。氣體火災(zāi)探測器用于對可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行檢測，對周圍環(huán)境氣體進(jìn)行“空氣采樣”，對比測定，而發(fā)出火災(zāi)警報信號。它不僅可以極早預(yù)報火災(zāi)發(fā)生，同時還可以對諸如煤氣、天然氣等有毒氣體中毒事故進(jìn)行預(yù)報。

2.2 智能分布式火災(zāi)探測器

火災(zāi)探測器本身并不報警。其中模擬量火災(zāi)探測器實質(zhì)上就是作為火災(zāi)探測用的傳感器，其輸出值能夠真實地再現(xiàn)變化著的輸入量，因此它只是將電流、電壓變化信號通過編碼電路和總線傳送給主機，而將所有判斷過程放在報警控制器中，由報警控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)記憶、存儲、計算、分析和統(tǒng)計處理。根據(jù)設(shè)定的火災(zāi)模型來判斷該信號是否為火災(zāi)信號，同時對溫度、濕度和灰塵等外界非火災(zāi)因素的變化實施自動補償，對電干擾及線路分布參數(shù)的影響進(jìn)行自動處理。當(dāng)然也可根據(jù)現(xiàn)場的不同環(huán)境，在報警控制器中用軟件設(shè)置探測器的靈敏度。存在的主要問題是:為使系統(tǒng)能夠識別真假火災(zāi)現(xiàn)象和防止誤報，提高探測器的靈敏度，必須采用復(fù)雜的火災(zāi)數(shù)據(jù)處理方法，增加了火災(zāi)報警控制器的復(fù)雜性。因此，為了解決火災(zāi)信息探測處理過程中模擬量火災(zāi)探測器數(shù)據(jù)處理能力單一，火災(zāi)報警控制器功能過于復(fù)雜和系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸量較大等技術(shù)問題，其努力方向是分布式智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。它的顯著特點是每個探測器上都帶有CPU，火災(zāi)探測器把采集到的現(xiàn)場信號與在探測器內(nèi)存儲的特性曲線進(jìn)行比較并進(jìn)行必要的分析處理，然后進(jìn)行初步的火災(zāi)判斷。探測器平時只需向控制器傳送正常信號或故障信號，火災(zāi)時探測器以中斷方式向控制器傳送采集處理后的信息數(shù)據(jù)，由控制器做進(jìn)一步的分析判斷。由于擺脫了傳統(tǒng)巡檢技術(shù)的弊病，數(shù)據(jù)傳輸不再受巡檢周期的限制，大大縮短了火災(zāi)報警和啟動消防設(shè)備所需的時間。而火災(zāi)報警控制器由于免去了大量的現(xiàn)場信號處理負(fù)擔(dān)，可以從容不迫地實現(xiàn)多種管理功能，從根本上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外火災(zāi)報警控制器采用多CPU 并行處理技術(shù)，除了主CPU 外，在每一個回路驅(qū)動板上都帶有一個CPU，這些CPU 并行工作，分別對回路進(jìn)行掃描，提高了系統(tǒng)信息處理速度。智能建筑中火災(zāi)探測器的選擇，應(yīng)根據(jù)探測區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生的初期火災(zāi)的形成和發(fā)展特征、環(huán)境條件以及可能引起誤報的原因等因素綜合確定，應(yīng)采用模擬量火災(zāi)探測器或分布智能式火災(zāi)探測器。

3 火災(zāi)報警控制器

圖2 為火災(zāi)報警控制器工作原理框圖。由圖2 可知，無論是區(qū)域報警控制器還是集中報警控制器，實際上均是一個以CPU 為核心的微機控制系統(tǒng)，從消防報警系統(tǒng)角度出發(fā)，它主要包括輸入單元、輸出單元、監(jiān)控單元、記憶單元以及電源單元。輸入單元接收人工或自動火災(zāi)探測器送來的信號，送至CPU 加以判別、確認(rèn)，并識別相應(yīng)的編碼地址。輸出單元確認(rèn)火災(zāi)信號后，輸出單元一方面輸出聲(喇叭、蜂鳴器)、光(顯示)報警信號，另一方面向有關(guān)聯(lián)動滅火與減災(zāi)子系統(tǒng)輸出主令控制信號，這些信號可以是電信號，也可以是繼電器接點信號。監(jiān)控單元的作用在于，一個是檢查報警控制器與探測器以及區(qū)域報警控制器與集中報警控制器之間線路的狀態(tài)是否存在斷路(包括探測器丟失或接觸不良)、短路等故障。如果存在這些故障，報警控制器應(yīng)給出故障聲、光報警，以確保系統(tǒng)工作安全可靠。監(jiān)控單元的另一個作用是自動巡回檢測，自動定期周而復(fù)始地逐個對編碼探測器發(fā)出的信號進(jìn)行檢測，實現(xiàn)報警控制器的實時控制。記憶單元:實時時鐘記下第1 次火災(zāi)報警時間，直到火警消除、復(fù)位后方恢復(fù)正常。電源單元:通常報警控制器的直流電源(DC24V)來自2 個渠道，即所謂雙電源。采用交流電整流進(jìn)行正常供電，并同時對另一電源—備用蓄電池進(jìn)行浮充充電，在工作電源和備用電源之間具有自動切換裝置。送至探測器的24 V 直流電源信號是迭加在探測器編碼信號上的，到達(dá)探測器后，可利用微分電路將編碼信號與直流電源信號分離，探測器的回答信號也用此種迭加方法送達(dá)火災(zāi)報警控制器。圖2顯示出，通過I/O 接口，火災(zāi)報警控制器具有了圖形顯示功能和聯(lián)網(wǎng)及信息中繼能力，可以實現(xiàn)與建筑物內(nèi)其他子系統(tǒng)之間的系統(tǒng)集成?？梢酝ㄟ^鍵盤輸入用戶程序。系統(tǒng)程序通常由產(chǎn)品制造商直接寫入只讀存儲器中，使用者無法更改。

圖2 火災(zāi)報警控制器

4 消防系統(tǒng)的聯(lián)動控制

現(xiàn)代消防報警控制器除具有自動報警功能外，幾乎都具有聯(lián)動減災(zāi)和滅火控制功能，有的消防控制系統(tǒng)為了強化滅火與減災(zāi)控制功能也采用專用的聯(lián)動控制柜，通過RS485 接口分別與集中報警控制器和各類手動控制盤聯(lián)接?，F(xiàn)以自動氣體滅火聯(lián)動系統(tǒng)為例，目前工程上采用的自動氣體滅火系統(tǒng)主要是指二氧化碳滅火系統(tǒng)和鹵代烷(1211、1301)滅火系統(tǒng)。二氧化碳和鹵代烷均屬于氣體滅火介質(zhì)。二氧化碳滅火機理主要是對可燃物質(zhì)起窒息和少量冷卻降溫作用，鹵代烷的滅火原理則基于抑制燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程，因此滅火速度快，滅火效果優(yōu)于二氧化碳。然而鹵代烷氣體對大氣臭氧層具有破壞作用，屬于限制使用的消防滅火介質(zhì)，同時它可能對文物、重要文獻(xiàn)、珍品和重要的音像制品有一定破壞作用，因此國家規(guī)定不得在存貯上述物品的環(huán)境中采用鹵代烷滅火系統(tǒng)。近年來，要求采用一種新型的滅火介質(zhì)，煙烙盡(Inerqen)代替鹵代烷，不過煙烙盡價格過高，因此選用時應(yīng)謹(jǐn)慎。此外，鹵代烷的價格也遠(yuǎn)高于二氧化碳。所以目前工程界仍主要是2 種氣體滅火介質(zhì)并存的狀態(tài)。二氧化碳滅火系統(tǒng)和鹵代烷氣體在一定溫度和一定壓力下均可以以液態(tài)貯存。作為滅火劑釋放出來后又成為氣體狀態(tài)，在滅火后不留痕漬，且不導(dǎo)電，但均對人體有害。所以在工程上通常將氣體滅火系統(tǒng)作為自動水滅火系統(tǒng)的補充，用于一些重要的資料文獻(xiàn)和儲品庫，以及電力、電訊和大中型計算機房的滅火。

自動氣體滅火系統(tǒng)主要由氣體貯存鋼瓶、容器閥、啟動氣瓶、噴頭、管網(wǎng)及裝于管網(wǎng)上的壓力訊號器組成。其系統(tǒng)控制框圖如3 所示，當(dāng)設(shè)置在滅火區(qū)內(nèi)的火災(zāi)探測器發(fā)出火災(zāi)信號以后，經(jīng)火災(zāi)報警控制器確認(rèn)，驅(qū)動聯(lián)動控制柜給出滅火指令信號，引爆啟動氣瓶電爆管使啟動氣瓶開啟，通過管道釋放出高壓氮氣，用以啟動貯氣鋼瓶的瓶頭閥，釋放貯存氣體，此時仍為液態(tài)的氣體，經(jīng)分配閥、相應(yīng)部分的管路、以及通過布置于滅火區(qū)內(nèi)的噴頭，噴出二氧化碳或鹵代烷氣體進(jìn)行滅火。壓力訊號器負(fù)責(zé)檢測管道內(nèi)的壓力并將其轉(zhuǎn)換為電信號或開關(guān)信號，作為反饋信號反饋至消防控制中心，實現(xiàn)聯(lián)動的閉環(huán)自動控制。

圖3 自動氣體滅火系統(tǒng)

5 智能報警與聯(lián)動控制

現(xiàn)代火災(zāi)報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)一般采用地址編碼式尋址的消防報警系統(tǒng)，其特點是將各個探測器進(jìn)行數(shù)字式的地址編碼。由于20 世紀(jì)80年代以后普遍采用了具有聯(lián)網(wǎng)功能的集中式智能消防報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)，但是仍采用傳統(tǒng)編址式的火災(zāi)探測器，探測器本身不具備閾值比較電路和微處理功能，探測器所檢測到的信號通過總線傳給處于消防控制中心的主機，由主機內(nèi)置軟件將探測器回傳信號與內(nèi)存的火災(zāi)典型信號進(jìn)行比較，根據(jù)其速率變化量、閾值幅度、連續(xù)變化情況等因素判斷信號類型，是火災(zāi)信號還是其他干擾的信號，只有信號特征與主機內(nèi)置的典型火災(zāi)型信號特征相符時，確診為火災(zāi)信號，才會報警，從而極大減少了誤報率。由于系統(tǒng)大量采用了計算機微處理技術(shù)，系統(tǒng)具有集中式圖形顯示和聯(lián)網(wǎng)功能，從而可以實現(xiàn)消防系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的集成。盡管此類集中式智能系統(tǒng)比非智能型系統(tǒng)優(yōu)點多、功能強大，但顯然存在主機負(fù)擔(dān)過重，致使系統(tǒng)軟件程序復(fù)雜、量大、檢測器巡檢周期長等問題出現(xiàn)，從而使實時監(jiān)控能力削弱，降低了系統(tǒng)可靠性和使用維護(hù)的方便性。分布式智能消防報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)可減少主機處理大量現(xiàn)場信號負(fù)擔(dān)，集中實施多種管理功能的消防報警系統(tǒng)，可方便實現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)動控制。此類系統(tǒng)的火災(zāi)探測器本身具有微處理功能，可以實現(xiàn)火災(zāi)信號與干擾信號的低級判斷，如利用閾值比較電路對信號閾值幅度進(jìn)行“濾波”，從而大幅度地減少了主機信號判斷的程序量，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

6 結(jié)束語

火災(zāi)探測器，無論感煙、感溫和感光探測器，探測到火災(zāi)信號后，在發(fā)生火災(zāi)的前3 min 內(nèi)是滅火的最佳時期，這個時期可以比較容易消滅火災(zāi)，減小損失，及時地進(jìn)行滅火顯得非常重要。消防聯(lián)動涉及消火栓噴淋泵、噴霧泵、正壓風(fēng)機、防排煙風(fēng)機、防火閥、排煙閥、消防緊急斷電系統(tǒng)、消防通信設(shè)備及消防電源等眾多系統(tǒng)的集成，消防報警與聯(lián)動控制必須實現(xiàn)無縫連接，因此建立分布式智能消防報警與聯(lián)動控制系統(tǒng)的管理平臺是船舶消防系統(tǒng)發(fā)展的方向。

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