智能火災報警系統的設計

【摘要】智能火災報警系統是由火災控制器和多個探測控制單元組成。探測控制單元由探測控制器和煙溫探測器及吸氣式探測器構成，各單元之間采用CAN總線、RS485總線進行通訊。系統設計了兩臺火災報警控制器和兩個RS485通訊總線，確保對整個系統進行有效監控。

【關鍵詞】火災；智能報警系統設計；CAN通訊總線；RS485通訊總線

當有火情時，智能火災報警系統能及時準確地發出火警信號，并準確地顯示火情發生的地點。它具有火災報警功能、火災報警控制功能、故障報警功能、自檢功能、信息顯示與查詢功能和供電功能等。

一、智能火災報警系統結構的設計

智能火災報警系統分兩大部分組成，一部分是監控中心，一部分是被監控場室。本系統的功能是對被監控場室進行24小時的火災監控，被監控場室一旦有火情，監控中心系統將控制聲光系統進行報警。

每個被監控場室都有一個探測控制單元，該探測控制單元由探測控制器（簡稱FDC）和若干煙溫探測器（簡稱SHD）及吸氣式探測器（簡稱ISD）構成。每個場室內的探測控制單元和放置在監控室的兩臺火災控制器（簡稱FCU）構成火災報警系統。

智能火災報警系統中的火災報警控制器FCU有一路CAN總線，與探測控制器FDC之間采用CAN BUS方式進行信息交換和管理。

探測控制器FDC還有兩路獨立的RS485總線，包含了電源總線（DC 24V）和信息通訊總線（RS485）與本場室的探測器連接形成環網。

每個煙溫探測器SHD（或吸氣式探測器ISD）有兩路獨立的通訊（RS485）端口，結合探測控制器FDC的兩路獨立總線，探測單元內的所有探測器用串接的方式連接，與探測控制器構成環形網絡，具有冗余功能。

FCU還有一路RS485接口，專為整個區域的微機網絡控制系統CMS提供系統內各個SHD的火警和故障信息。FCU備有USB形式的虛擬串口，外部設備（如電腦）通過該接口可下載火災報警系統中的火警、故障等信息和以便系統維護。

智能火災報警系統結構參見系統拓撲圖，如圖1所示。

圖1 智能火災報警系統拓撲圖

為了增強系統的可靠性，確保萬無一失，整個智能火災報警系統還考慮了冗余設計：

1.主備冗余

系統設計兩臺火災報警控制器FCU，采用同時工作的模式。兩臺FCU必須同時啟動工作，互為熱備。當一臺FCU發生故障，通過另一臺FCU仍可以對整個系統進行監測管理，而且可以查詢各個探測器的狀態以及歷史記錄，可以上報火警信息等，從而實現整個系統的雙機熱備控制。

2.通信冗余

當探測器回路出現斷點時，探測控制器的兩個RS485仍能分別管理與其連接的SHD或ISD，并分別檢測與其相連的SHD或ISD，從而保證所有探測器能正常工作并保證信息不丟失。當兩臺火災報警控制器之間回路出現斷點時，兩臺火災控制器仍能分別管理與其連接的探測控制器，從而保證系統正常運行。

二、智能火災報警系統的接口設計

（一）智能火災報警控制器（FCU）的接口

本系統中的FCU采用了CAN BUS和RS485兩種接口技術，如圖2所示。

圖2 FCU端口示意圖

1.CAN通訊總線

系統中的兩臺FCU之間、FCU與FDC之間是通過CAN BUS進行信息交換，由于CAN BUS有多主通訊的特性，因此兩臺FCU及其他FDC在實際運行時是無需分主次的。同時，兩臺FCU之間還有一條CAN BUS通訊線，兩條通訊線中的任一條斷線，對系統性能沒有影響。CAN_BUS采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。

CAN BUS上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信，具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、可靠性強、成本低等優點。

由于本系統采用CAN BUS，因此可以將網絡操作顯示器作為網絡的一個節點連接在CAN BUS上，顯示出網絡上所有節點控制器的內部信息，并可以對節點控制器的配置參數進行調整。該操作顯示器直接安裝在控制器的面板上，作為顯示操作面板，對系統內各設備進行現場調試及查詢各控制器的工作狀態。

2.RS485通訊總線

FDC采用RS485方式與各個探測器進行信息交換和管理，信息交換內容包含有：每個探測器的火警、故障監測結果。

FCU與微機網絡控制系統CMS之間的信息交換采用RS485通訊方式。通過RS485通訊，FCU可將每個SHD及ISD的火警監測和故障監測狀態傳送到CMS。

通過RS485通訊，CMS可以通過指令的方式使得火災報警控制器的時鐘與系統同步。

（二）探測控制器（FDC）端口

FDC有兩路獨立的RS485接口，由RS485和DC 24V電源構成，通過這兩路獨立的總線接口與各個煙溫探測器（SHD和吸氣式探測器（ISD）構成環形的探測器網絡。這種串接的環形網絡的特點是：可提高網絡通信的可靠性并具有冗余功能；可實現探測器自動編組（編號），以便于系統管理。

FDC另有一路CAN BUS接口分別連接火災報警控制器（FCU）主機及其他場室的探測控制器。具有冗余功能；可實現自動編組（編號），以便于系統管理。

管理內容包含有：向火災報警控制器發送某個探測器的運行參數和修改運行參數，如溫度報警閾值、煙霧報警靈敏度等；接收火災報警控制器的命令對探測器參數進行修改。如圖3所示。

圖3 探測控制器FDC端口示意圖

圖4 探測器端口示意圖

（三）探測器（SHD）吸氣式探測器（ISD）接口

如圖4所示，SHD及ISD核心由煙霧傳感、環境溫度傳感、信號處理和雙獨立RS 485通信接口等部分組成。其中煙霧傳感部分由迷宮式暗室、紅外光接收發射裝置、光學透鏡和有一定防塵防蟲作用的濾網組成，采用光散射原理對外部煙霧進行探測，當外部煙霧粒子濃度在連續時間內（可設定）大于等于煙霧濃度報警閾值（可設定）時向外提供煙霧報警信息。

環境溫度的監測采用了數字式溫度傳感器，溫感器的作用除了監測環境溫度之外還給煙霧信號處理電路提供了溫度補償的作用。溫度報警采用了定溫方式，當監測到環境溫度在連續時間內（可設定）大于等于溫度報警閾值（可設定）時向外提供溫度報警信息。

SHD或ISD的每個RS485端口既可收發數據也可起到通訊中繼的作用，此種點到點的通訊模式其特點是線驅動能力強，負載小，因而節點與節點之間在較遠的距離情況下仍可采用高速率進行通訊，這樣即可提高了通訊信息的流量也提高了通訊的可靠性。

FCU除了可以通過FDC從SHD（或ISD）讀取報警信息之外，還可以讀取當前煙霧檢測濃度、當前溫感溫度值和SHD（或ISD）自身檢測到煙霧、溫感的故障信息。

SHD及ISD具有污染度報警功能，當探測器被灰塵污染或電子元件參數發生變化，可能會發生誤報火警時，火災報警控制器將顯示該探測器的污染情況，并報故障提（下轉第114頁）（上接第112頁）醒用戶對該控測器進行維護，從而做到零誤報。

ISD還具有風壓指示功能，當吸氣壓力小于一定值時，火災報警控制器將報該探測器故障，同時探測器的壓力指示燈亮，以提醒用戶對該探測器進行維護。

三、智能火災報警系統的特點與基本電氣特性

（一）智能火災報警系統的主要特點

本系統適用于計算機房、資料室、配電室、變電站、通訊基站、餐廳、酒吧等小型消防報警工程的應用。本系統最突出的特點是具有主備冗余及通信冗余功能，確保系統工作可靠。其他的功能特點有：

1.火災報警功能，能通過感煙探測器、感溫探測器、輸入模塊、手動報警按鈕等火災觸發器件接收火災報警信號，顯示火警信息。可根據相鄰探測器進行復合判斷；

2.聯動控制功能，能通過輸入輸出模塊根據報警信息控制消防設備，可顯示設備動作反饋信息；

3.監管報警功能，能通過輸入模塊接收盜警、可燃氣報警、水流指示器報警、壓力開關動作等信號，實現監管報警，并可實現聯動；

4.屏蔽功能，能夠對各總線部件進行屏蔽，能夠對火災聲光警報輸出進行屏蔽；

5.故障檢測功能，能自動檢測線路故障、部件故障、電源故障等，以聲、光信號發出故障警報，顯示故障信息；

6.系統測試功能，能登錄部件編號及當前地址，可直接進行地址設置、編程；能查看探測器檢測值；能夠對回路任一部件進行自檢；

7.網絡通訊功能，可實現局域聯網通訊；具有RS-232/485串行通訊接口，可與樓宇自動化或其它系統相連；

8.黑匣子功能，能自動存儲火警、預警、監管、故障等歷史記錄信息；

9.打印功能，能自動打印火警、預警、監管等信息，并能打印部件清單等；

10.主、備電自動切換功能，能進行主、備電自動切換，并具有相應的指示；

11.操作權限，為防止無關人員誤操作，可通過密碼限定操作級別，密碼可任意設置。

（二）智能火災報警系統的基本電氣特性

1.火災報警控制器基本電氣特性

引用標準：GB 4717-2005《火災報警控制器》；

輸入電源電壓：浮地制DC 24或DC 110V；

功耗：≦8W；

通訊方式：1路RS485，1路CAN，1路USB虛擬串口；

顯示屏顯示格式：字符采用LCD屏，256* 64點陣；

報警音量：距聲源300mm處：火警：80dB、故障：70dB；

聯動輸出1、2：固態繼電器觸點，觸點電流：DC 0.2A @ 110V；

2.探測控制器基本電氣特性

引用標準：GB 4717-2005《火災報警控制器》；

輸入電源電壓：浮地制DC 110V；

功耗：≦15W（按帶6個探測器計算）；

通訊方式：2路RS 485，1路CAN BUS；

電源輸出：DC 24V；

3.煙溫探測器基本電氣特性

參考文獻

[1]張培仁.CAN現場總線監控系統原理和應用設計[M].中國科學技術大學出版社，2011.

[2]火災自動報警系統設計規范GB 50116-2013[Z].

作者簡介：曾敏（1975—），女，湖南益陽人，大學本科，工科學士，電子講師，中山市中等專業學校電子科教學干事、專業教師，研究方向：電子技術。