智能报警与联动控制在船舶消防系统中的应用

张家骥

(重庆市涪陵区港航管理局，重庆 408000)

船舶是一个复杂大系统，由众多的子系统所组成，但是就各个子系统的重要性等级而论，其消防报警系统的重要性等级最高，对船舶可否使用有着最高的否决权。因此很多文献从不同层面对此都进行了专题探讨［1］，对火灾自动报警与消防联动系统作了比较全面的研究［2-3］，对火灾探测与消防联动作了系统分析［4］，讨论了火灾自动报警系统的相关设计问题［5］，就火灾自动报警系统的发展趋势作了综述［6］，侧重研究了究火灾自动报警与消防联动系统的设计问题。近年来消防报警与联动控制愈来愈引起人们的关注，本文从船舶消防工程实践角度，探讨了一类基于分布智能的消防报警与联动控制系统。

1 火灾形成机理与火灾形成过程

1.1 形成机理

船舶内可能存在大量可燃体，如可燃烧装饰材料，家俱、用品，可燃性固体及具有爆炸可能性的液体、气体材料的储存等，在一定条件下都可能引起火灾。造成火灾的根本原因在于对火灾危害认识不足，在管理等方面疏于防范而留下火灾隐患。但是大部分火灾由下列原因造成。①人为造成火灾，防火意思淡薄，违规操作，如不遵守安全工作原则，不必要的带电违规操作造成电火花、私烧电炉、乱接电线、违章吸烟或随意乱扔烟头等等直接引起火灾甚至爆炸。人为因素是造成火灾最直接的原因，当然人为蓄意纵火也是不可忽视的原因之一。②电气事故造成火灾，在船舶中电气设备及线路极为复杂，管线纵横交错，四处接头。因此由于设计、施工安装以及使用维护不当，短路、过载、等的影响极易形成火源。同时，大量劣质电气产品经过不当渠道进入船舶，也会留下严重的隐患。此外防雷措施不当，雷击形成火灾也属电气火灾范畴。③可燃体自燃或爆炸形成火灾，违规储存大量可燃固体，如棉花、纸张、化工纤维材料、木材、煤炭等，由于某种原因，致使环境温度升高，有的固体物质会分解一些可燃气体，有时又由于通风不良，均可能使这些固体物质的温度达到其自燃点温度而形成自燃。可燃气体，如煤气、液化石油气、天然气、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H6)等，由于泄漏，与空气混合形成混合气体，当其浓度达到或超过其爆炸下限，遇火源即能发生爆炸而形成火灾。可燃液体、油品和一些有机溶液，如甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯等，由于挥发，与空气混合形成混合物，当其浓度、温度达到一定值时，遇火源就会出现“一闪而燃”，即闪燃。这种液体蒸汽与空气的混合物能够闪燃的最低温度，称为该液体的闪点。有些液体的闪点极低(＜28℃)，即在正常的环境温度下遇火源也能闪燃，而造成火灾。可见，对可燃体的储存与保管是十分重要的，应当严格按规章进行管理。

1.2 火灾形成过程

一般认为火灾形成及蔓延的全过程可以分为3 个阶段，即初始阶段、阴燃阶段和火焰燃烧阶段。初始阶段，燃烧体被焚熏、预热，室内温度升高，产生大量的烟雾气溶胶，如果此阶段能将火灾信息感知报警，可将火灾损失降低在最低程度。阴燃阶段，此阶段室内的烟雾气浓度已达相当水平，但是蓄积的热量使环境温度迅速升高，遇明火极易点燃，这个阶段所占的时间较短。在火灾初始与阴燃阶段最显著的特征是产生大量烟雾气。火焰燃烧阶段，室内可燃物充分燃烧，产生大量可见光，室内温度迅速上升，火势迅速蔓延，当燃烧产生的热与通过外围结构散失的热量逐渐平衡后，室内温度基本上维持恒定，此时已形成火灾。

2 火灾探测器

2.1 火灾探测器

火灾探测器是火灾自动报警与联动控制系统最基本和最关键的部件之一，本质上是感知其装置区域范围内火灾形成过程中的物理和化学现象的部件。其基本功能要求是:信号传感要及时，具有相当精度;传感器本身应能给出信号指示;通过报警控制器，能分辨火灾发生具体位置或区域;探测器应具有相当稳定性，尽可能的防止干扰。火灾探测器通常由敏感元件、相关电路和固定部件及外壳等3 个部分组成。

①敏感元件，其作用是感知火灾形成过程中的物理或化学参量，如烟雾、温度、辐射光、气体浓度等。并将其转换为模拟量，它是火灾探测器的核心部件。

②电路，其作用是对敏感元件感知并转换成的模拟电信号进行放大和处理。通常由转换电路、保护电路、抗干扰电路、指示电路和接口电路等组成，如图1 所示。

图1 火灾探测器电路框图

转换电路作用是将敏感元件输出的电信号进行放大和处理，使之满足火灾报警系统传输所需的模拟载频信号或数码信号，通常由匹配电路、放大电路和阈值电路等部分组成。保护电路用于监视探测器和传输线路故障的电路，由监视电路和检查电路2 部分组成。抗干扰电路作用在于提高火灾探测器信号感知的可靠性，防止或减少误报，探测器必须具有一定的抗干扰功能，如采用滤波、延时、补偿和积分电路等。指示电路用于显示探测器是否动作，给出动作信号，一般在探测器上都设置动作信号灯。接口电路用以实现火灾探测器之间，火灾探测器和火灾报警器之间的信号连接。此外，固定部件用于固定探测器，其外壳应既能保证烟雾、气流、光源、温度等物理和化学量达到敏感元件，又能尽可能地防止灰尘及其他非感知信号的进入。

火灾探测器种类很多，通常它可以按照其结构形式、被探测参量以及使用环境进行分类，其中以被探测参量分类最为多见，也多为通常工程设计所采用。如按探测器的参量分类，根据被探测参量，可划分为感烟、感温、感光(火焰)气体以及复合探测器等几大类。感温火灾探测器是工程上常见的火灾探测器种类之一，主要作用于不适合或不完全适合感烟火灾探测器的一些场合。气体火灾探测器用于对可燃气体浓度进行检测，对周围环境气体进行“空气采样”，对比测定，而发出火灾警报信号。它不仅可以极早预报火灾发生，同时还可以对诸如煤气、天然气等有毒气体中毒事故进行预报。

2.2 智能分布式火灾探测器

火灾探测器本身并不报警。其中模拟量火灾探测器实质上就是作为火灾探测用的传感器，其输出值能够真实地再现变化着的输入量，因此它只是将电流、电压变化信号通过编码电路和总线传送给主机，而将所有判断过程放在报警控制器中，由报警控制器实现数据记忆、存储、计算、分析和统计处理。根据设定的火灾模型来判断该信号是否为火灾信号，同时对温度、湿度和灰尘等外界非火灾因素的变化实施自动补偿，对电干扰及线路分布参数的影响进行自动处理。当然也可根据现场的不同环境，在报警控制器中用软件设置探测器的灵敏度。存在的主要问题是:为使系统能够识别真假火灾现象和防止误报，提高探测器的灵敏度，必须采用复杂的火灾数据处理方法，增加了火灾报警控制器的复杂性。因此，为了解决火灾信息探测处理过程中模拟量火灾探测器数据处理能力单一，火灾报警控制器功能过于复杂和系统内部数据传输量较大等技术问题，其努力方向是分布式智能火灾监控系统。它的显著特点是每个探测器上都带有CPU，火灾探测器把采集到的现场信号与在探测器内存储的特性曲线进行比较并进行必要的分析处理，然后进行初步的火灾判断。探测器平时只需向控制器传送正常信号或故障信号，火灾时探测器以中断方式向控制器传送采集处理后的信息数据，由控制器做进一步的分析判断。由于摆脱了传统巡检技术的弊病，数据传输不再受巡检周期的限制，大大缩短了火灾报警和启动消防设备所需的时间。而火灾报警控制器由于免去了大量的现场信号处理负担，可以从容不迫地实现多种管理功能，从根本上提高了系统的稳定性和可靠性。另外火灾报警控制器采用多CPU 并行处理技术，除了主CPU 外，在每一个回路驱动板上都带有一个CPU，这些CPU 并行工作，分别对回路进行扫描，提高了系统信息处理速度。智能建筑中火灾探测器的选择，应根据探测区域内可能发生的初期火灾的形成和发展特征、环境条件以及可能引起误报的原因等因素综合确定，应采用模拟量火灾探测器或分布智能式火灾探测器。

3 火灾报警控制器

图2 为火灾报警控制器工作原理框图。由图2 可知，无论是区域报警控制器还是集中报警控制器，实际上均是一个以CPU 为核心的微机控制系统，从消防报警系统角度出发，它主要包括输入单元、输出单元、监控单元、记忆单元以及电源单元。输入单元接收人工或自动火灾探测器送来的信号，送至CPU 加以判别、确认，并识别相应的编码地址。输出单元确认火灾信号后，输出单元一方面输出声(喇叭、蜂鸣器)、光(显示)报警信号，另一方面向有关联动灭火与减灾子系统输出主令控制信号，这些信号可以是电信号，也可以是继电器接点信号。监控单元的作用在于，一个是检查报警控制器与探测器以及区域报警控制器与集中报警控制器之间线路的状态是否存在断路(包括探测器丢失或接触不良)、短路等故障。如果存在这些故障，报警控制器应给出故障声、光报警，以确保系统工作安全可靠。监控单元的另一个作用是自动巡回检测，自动定期周而复始地逐个对编码探测器发出的信号进行检测，实现报警控制器的实时控制。记忆单元:实时时钟记下第1 次火灾报警时间，直到火警消除、复位后方恢复正常。电源单元:通常报警控制器的直流电源(DC24V)来自2 个渠道，即所谓双电源。采用交流电整流进行正常供电，并同时对另一电源—备用蓄电池进行浮充充电，在工作电源和备用电源之间具有自动切换装置。送至探测器的24 V 直流电源信号是迭加在探测器编码信号上的，到达探测器后，可利用微分电路将编码信号与直流电源信号分离，探测器的回答信号也用此种迭加方法送达火灾报警控制器。图2显示出，通过I/O 接口，火灾报警控制器具有了图形显示功能和联网及信息中继能力，可以实现与建筑物内其他子系统之间的系统集成。可以通过键盘输入用户程序。系统程序通常由产品制造商直接写入只读存储器中，使用者无法更改。

图2 火灾报警控制器

4 消防系统的联动控制

现代消防报警控制器除具有自动报警功能外，几乎都具有联动减灾和灭火控制功能，有的消防控制系统为了强化灭火与减灾控制功能也采用专用的联动控制柜，通过RS485 接口分别与集中报警控制器和各类手动控制盘联接。现以自动气体灭火联动系统为例，目前工程上采用的自动气体灭火系统主要是指二氧化碳灭火系统和卤代烷(1211、1301)灭火系统。二氧化碳和卤代烷均属于气体灭火介质。二氧化碳灭火机理主要是对可燃物质起窒息和少量冷却降温作用，卤代烷的灭火原理则基于抑制燃烧的化学反应过程，因此灭火速度快，灭火效果优于二氧化碳。然而卤代烷气体对大气臭氧层具有破坏作用，属于限制使用的消防灭火介质，同时它可能对文物、重要文献、珍品和重要的音像制品有一定破坏作用，因此国家规定不得在存贮上述物品的环境中采用卤代烷灭火系统。近年来，要求采用一种新型的灭火介质，烟烙尽(Inerqen)代替卤代烷，不过烟烙尽价格过高，因此选用时应谨慎。此外，卤代烷的价格也远高于二氧化碳。所以目前工程界仍主要是2 种气体灭火介质并存的状态。二氧化碳灭火系统和卤代烷气体在一定温度和一定压力下均可以以液态贮存。作为灭火剂释放出来后又成为气体状态，在灭火后不留痕渍，且不导电，但均对人体有害。所以在工程上通常将气体灭火系统作为自动水灭火系统的补充，用于一些重要的资料文献和储品库，以及电力、电讯和大中型计算机房的灭火。

自动气体灭火系统主要由气体贮存钢瓶、容器阀、启动气瓶、喷头、管网及装于管网上的压力讯号器组成。其系统控制框图如3 所示，当设置在灭火区内的火灾探测器发出火灾信号以后，经火灾报警控制器确认，驱动联动控制柜给出灭火指令信号，引爆启动气瓶电爆管使启动气瓶开启，通过管道释放出高压氮气，用以启动贮气钢瓶的瓶头阀，释放贮存气体，此时仍为液态的气体，经分配阀、相应部分的管路、以及通过布置于灭火区内的喷头，喷出二氧化碳或卤代烷气体进行灭火。压力讯号器负责检测管道内的压力并将其转换为电信号或开关信号，作为反馈信号反馈至消防控制中心，实现联动的闭环自动控制。

图3 自动气体灭火系统

5 智能报警与联动控制

现代火灾报警与联动控制系统一般采用地址编码式寻址的消防报警系统，其特点是将各个探测器进行数字式的地址编码。由于20 世纪80年代以后普遍采用了具有联网功能的集中式智能消防报警与联动控制系统，但是仍采用传统编址式的火灾探测器，探测器本身不具备阈值比较电路和微处理功能，探测器所检测到的信号通过总线传给处于消防控制中心的主机，由主机内置软件将探测器回传信号与内存的火灾典型信号进行比较，根据其速率变化量、阈值幅度、连续变化情况等因素判断信号类型，是火灾信号还是其他干扰的信号，只有信号特征与主机内置的典型火灾型信号特征相符时，确诊为火灾信号，才会报警，从而极大减少了误报率。由于系统大量采用了计算机微处理技术，系统具有集中式图形显示和联网功能，从而可以实现消防系统与其他子系统的集成。尽管此类集中式智能系统比非智能型系统优点多、功能强大，但显然存在主机负担过重，致使系统软件程序复杂、量大、检测器巡检周期长等问题出现，从而使实时监控能力削弱，降低了系统可靠性和使用维护的方便性。分布式智能消防报警与联动控制系统可减少主机处理大量现场信号负担，集中实施多种管理功能的消防报警系统，可方便实现系统的联动控制。此类系统的火灾探测器本身具有微处理功能，可以实现火灾信号与干扰信号的低级判断，如利用阈值比较电路对信号阈值幅度进行“滤波”，从而大幅度地减少了主机信号判断的程序量，提高了整个系统的稳定性和可靠性。

6 结束语

火灾探测器，无论感烟、感温和感光探测器，探测到火灾信号后，在发生火灾的前3 min 内是灭火的最佳时期，这个时期可以比较容易消灭火灾，减小损失，及时地进行灭火显得非常重要。消防联动涉及消火栓喷淋泵、喷雾泵、正压风机、防排烟风机、防火阀、排烟阀、消防紧急断电系统、消防通信设备及消防电源等众多系统的集成，消防报警与联动控制必须实现无缝连接，因此建立分布式智能消防报警与联动控制系统的管理平台是船舶消防系统发展的方向。

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