大型工业项目火灾自动报警系统架构

火灾自动报警系统,控制器局域网

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 深圳市泰和安科技有限公司 董洋球

一、工程概况:

合肥佳海工业城(见图1)位于合肥市新站综合开发试验区的魏武路以北,梅冲湖路以南,新蚌埠路以东,铜陵北路以西区域内,是辐射华东地区的中小企业工业新城。占地面积2971.95亩,总建筑面积260万m2,建筑项目由标准化厂房、配套商业用房及其附属工程组成;工业城由穿越工业园区的4条道路,将整个工业城分成A、B、C、D、E、F、G、H 8个大区块,每个区块有50栋左右的4层标准厂房或商业建筑。

 图1  合肥佳海工业城总图

下面对合肥佳海工业城火灾自动报警系统架构及控制器局域网CAN( Controller Area Network)联网的关键技术进行介绍。

二、火灾自动报警系统网络架构

佳海工业城火灾自动报警系统网络架构如图2所示。

                           图2 合肥佳海工业城火灾自动报警系统网络架构

2.1 消防控制室的设置

a. 工业城消防报警系统依据其物业形态布置,在A、B、C、D、E、F、G、H 每个大区分别设有1个消防控制室,其中A区设为主消防控制室,其它区均为分消防控制室。

b. 各区消防控制室设置有联动型火灾报警控制器、图形显示装置、消防应急广播、消防专用电话等消防设施;火灾报警控制器通过CAN总线连接本区域现场的区域火灾报警控制器等,实现区域的集中控制、集中显示。

c. 在主消防控制室到各分消防控制室之间架设环形冗余CAN光纤网络,用于控制中心的数据传递,实行主消防控制室对各分消防控制室的集中控制、集中显示。

2.2 区域火灾自动报警系统设置

a. 各区每栋厂房设置小型壁挂式联动型火灾报警控制器,报警及联动点位在200点左右,监视和控制本栋的消防设备,通过CAN网络连接到本区域火灾报警控制器。

b. 分消防控制室设有联动型火灾报警控制器、通过星型CAN总线网络集中管理本区块内50栋厂房的区域火灾报警控制器及联动设备。

c. 分消防控制室图形显示装置分别与本区的火灾报警控制器相连,各控制室火灾报警控制器间的环形光纤网络连接实现了工业城报警网络的数据共享,不但可显示本区域的信息,根据需要也可显示整个工业城消防系统设备状态。

2.3 气体灭火控制系统

工业城在高/低压变配电室设置了七氟丙烷气体灭火系统,由安装在防护区外的壁挂式气体灭火主机、紧急启停按钮、放气指示灯、声光警报及设置在防护区内的感烟探测器、感温探测器、声光警报器和控制通风系统的输入输出模块等设备组成;

系统具有自动和手动两种工作模式,通过自动工作模式下,防区的感烟探测器报警后,将触发声光警报器报警,如果30分钟内再有感温探测器报警将触发气体灭火主机进入喷洒倒计时,关闭空调通风系统、喷洒延时期间如没有手动紧急停止,最终完成气体的喷洒控制输出,并点亮防区的放气指示灯,防区感烟探测器报警后30分钟没有感温探测器报警信号,已报警的感烟探测器将自动复位;

手动模式下防区的感烟、感温探测器仅用于触发系统报警,复合启动气体喷洒的功能受到限制,气体喷洒仅能由设置在气体灭火主机上的手动启动按钮或设置在防区外的紧急启停按钮触发。整个气体灭火系统自成独立工作的消防子系统,通过CAN总线接入分消防控制室的联动控制器,实现集中控制集中管理。

  

图3气体灭火系统图

三、 组网关键技术和网络设备

3.1 CAN总线发展

控制器局域网CAN( Controller Area Network)属于现场总线的范畴,是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后,CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化,现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

CAN总线由于其高性能、高可靠性及独特的设计而越来越受到人们的重视,被广泛应用于汽车业、航空业、工业控制、安全防护等诸多领域。当信号传输距离达到10km时,CAN仍可提供高达50kbps的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围,从位速率最高可达1Mbps的高速网络到低成本多线路的5kbps网络都可以任意搭配。因此,CAN总线尤其适用于现代火灾自动报警系统。

3.2 总线拓扑图

CAN 控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平,二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化,将消息发送给接收方。CAN总线连接示意如图4所示。

图4 CAN连接示意图

3.3  CAN总线特点

a. 总线采用多主控制模式,在总线空闲时,所有的节点都可开始发送消息;最先访问总线的节点可获得发送权;多个节点同时开始发送时,对各消息ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜的单元可继续发送消息,仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。

b. 具有错误重发功能,正在发送消息的单元一旦检测出错误,会自动重新发送此消息直到成功发送为止。

c. CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误(如外部噪声等)还是持续的数据错误(如节点内部故障、驱动器故障、断线等)。由此功能,当总线上发生持续数据错误时,可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。

d. CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速率,可连接的单元数增加;提高通信速率,则可连接的单元数减少。

3.4 本项目中关键CAN总线网络设备功能

3.4.1 CAN网络交换机:

a. 具有16个电气隔离的CAN总线端口,并可级联扩展交换机,增加网络端口数量;

b. 端口有数据过滤功能,可自动过滤与本端口无关的数据流,降低各个CAN子网端口的数据流负荷;

c. 各端口可根据需要,设置5k~500k不同的通信数率,实现不同速率的CAN网络之间的数据存储转发。

3.4.2 CAN中继器:

a. 具有16个电气隔离的CAN总线端口,并可级联扩展交换机,增加负载节点数量;

b. 可增加总线驱动能力,实现对CAN网络的中继功能;

c. 能将不同速率的CAN网络之间的数据存储转发,并可达到延长通信距离的作用,实现网络中继扩容的功能。

3.4.3 CAN光纤转换器:

a. 有2个光纤接口和2个电气隔离的双绞线接口,能实现不同速率CAN与光纤网络之间的数据传输;

b. 能够过滤不需要的CAN消息,降低子网的负荷;

c. CAN光纤转换器可以实现改变CAN网络拓扑结构、延长网络通讯距离、增加节点数量等功能;

d. CAN光纤接口使其可应用于高干扰的环境中,双绞线CAN通道可自适应对应网络的波特率功能。

四、基于CAN总线的火灾自动报警系统在本项目中的应用效果

合肥佳海工业城火灾自动报警系统网络架构如图2所示,总结其实际应用效果:

1、 各区域内的集中火灾报警控制器与50台区域火灾报警控制器连接在16端口CAN总线交换机上,实现了系统的星型连接(项目实际每个端口连接了5~8台区域火灾报警控制器);如应用在对网络系统的可靠性要求更高的项目中可增加CAN总线交换机的数量,每端口直接1台区域分机,这样当总线故障时只会影响到端口连接的那台区域火灾报警控制器通信。

2、 在每条CAN总线分支带设备数量超过8台或总线长度超过1200m时建议增加CAN中继器,以增加总线的驱动能力,延长总线通讯距离。

3、采用CAN光纤转换器,将各大区的集中控制火灾报警控制器环形连接起来,这样做有一系列好处: ① 实现了各消防控制中心火灾报警控制器的多主模式连接(每台都是主机模式);②由于光纤有很高的带宽,消防控制中心火灾报警控制器间的主干网络通信速率可以很高;③避免了远距离传输的信号衰减及穿过电缆沟受到其他线路的电磁干扰;④ 环形光网在光纤的某一点断了后,网络通信仍可得以维系,具有更高的可靠性。

4、通信速率依据需求而设定:① CAN总线交换机连接区域现场的子网端口,为增加总线的传输距离与负载能力,实际采用了10k的通信数率;②与火灾报警控制器连接的主网端口由于线路短、总线节点少,采用了100k的通讯数率,满足星型网络汇集处大数据流量对主干网带宽的要求,防止极限情况时的数据阻塞;③各控制室由于采用光纤作为CAN总线的传输介质,传输距离远、抗干扰能力强,为满足主干网大数据流量的需求设置了100k总线传输速率。

5、分布式系统中,大量的运算工作分布在现场的每一台设备中,最大程度降低了系统火灾报警控制器故障对建筑防火区域监控的影响。在使系统的整体稳定性大大提高的同时,通过优化网络结构,大体量建筑的报警及联动响应速度可以做到和小型系统一样快捷。

五、结语

随着城镇化进程的加快及产业链的集中式发展,现代工业与民用建筑的体量越来越大,给建筑防火带来了前所未有的挑战。

合肥佳海工业城基于CAN总线技术的火灾自动报警系统,实现了大型消防报警多控制室的集中监控,有序管理了400台以上火灾报警控制器协同工作,降低了大型网络系统对主干网络带宽的要求,有效解决了数据阻塞的技术问题,同时系统的报警及联动响应速度得到很大提升。该系统符合GB 50116 – 2013《火灾自动报警系统设计规范》的要求,为我们设计大型工业项目火灾自动报警系统提供了新的思路,具有普遍的借鉴意义。

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