今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
1 引言
地鐵是一類位于地下的特殊建筑，地鐵車站是人流密集的公共場所，根據(jù)國家消防規(guī)范和地鐵設(shè)計規(guī)范的要求，必須設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和消防系統(tǒng)及設(shè)備。目前，地鐵內(nèi)均設(shè)有專業(yè)的火災(zāi)報警系統(tǒng)（Fire Alarm System，F(xiàn)AS），擔(dān)負(fù)著對建筑內(nèi)火災(zāi)的探測、報警及聯(lián)動控制消防設(shè)施的功能。2003年2月發(fā)生在韓國大邱地鐵的火災(zāi)，造成重大人員傷亡，慘痛的教訓(xùn)讓人們在進(jìn)行地鐵建設(shè)時更加關(guān)注地鐵相關(guān)系統(tǒng)對火災(zāi)的探測及消防。據(jù)統(tǒng)計，在火災(zāi)事故中，造成人員傷亡多是由有毒煙氣造成的，因此火災(zāi)前期的防煙與排煙至關(guān)重要，如何實現(xiàn)地鐵防排煙系統(tǒng)設(shè)備的聯(lián)動控制一直是業(yè)界爭論的問題。在新版《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2003）中就此明確說明，可以采取兩種方式：
① FAS系統(tǒng)直接聯(lián)動控制；
② 通過地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（Building Automation System，BAS）進(jìn)行聯(lián)動控制。這里暫且不討論兩種方式的利弊。
深圳地鐵正是采用第二種方式，即通過BAS系統(tǒng)實現(xiàn)對防排煙系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動控制的。
2 重點與難點
采用該種方式，將面臨和解決以下重點及難點問題。
2.1 BAS與FAS的接口問題
一般情況下地鐵不設(shè)置專門防排煙系統(tǒng)設(shè)備，多數(shù)情況下采用通風(fēng)系統(tǒng)的共用設(shè)備作為防排煙系統(tǒng)設(shè)備，它們在正常工況下實現(xiàn)通風(fēng)換氣的功能，由BAS系統(tǒng)實現(xiàn)控制?；馂?zāi)情況下則用于防排煙，此時，對于第一種聯(lián)動方式，將由FAS系統(tǒng)實現(xiàn)對它們的控制，而采用第二種方式時，則還是由BAS系統(tǒng)實施控制，這里只討論第二種方式。采用第二種方式時，BAS則需要解決何時進(jìn)行聯(lián)動控制問題，由于火災(zāi)工況的探測是由FAS系統(tǒng)實現(xiàn)的，因此這種情況下不可避免地涉及到兩系統(tǒng)間的接口。提到接口，其實現(xiàn)一般有三種方式：I/O硬線接口、低速率異步通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口。I/O硬線接口的特點是接口簡單、容易實現(xiàn)，但物理連接偏于復(fù)雜。而另兩種方式的特點是物理連接簡單、信息量大，但需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和解釋，有一定技術(shù)難度。
根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》的要求（參見19.2.7和20.2.3條款），兩系統(tǒng)間采用通信接口，BAS系統(tǒng)將通過通信接口獲得FAS產(chǎn)生的報警信息及模式聯(lián)動控制命令信息。一般而言，F(xiàn)AS報警主機均帶有通信接口，但不是為實現(xiàn)系統(tǒng)間接口設(shè)置的，而是多用于報警主機之間聯(lián)網(wǎng)或連接其外圍監(jiān)控設(shè)備（如圖形終端、打印機等），且協(xié)議一般是基于ASC碼的不公開的專用協(xié)議。深圳地鐵FAS系統(tǒng)采用的是美國愛德華公司的EST3系統(tǒng)，該系統(tǒng)主機帶有兩個異步串口（RS-232），一個設(shè)置為圖形終端接口，用于連接FAS工作站，另一個設(shè)置為打印機接口，其協(xié)議是主機固有的打印機協(xié)議。BAS系統(tǒng)正是要利用這一接口實現(xiàn)和FAS連接，接收FAS信息從而實現(xiàn)聯(lián)動控制，如何在協(xié)議層能準(zhǔn)確接收并解釋其信息是實現(xiàn)聯(lián)動控制的關(guān)鍵。
另外，防排煙系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)動控制的重要性決定了系統(tǒng)設(shè)計時須充分考慮BAS與FAS接口的可靠性。由于EST3主機協(xié)議是無應(yīng)答協(xié)議，存在丟數(shù)據(jù)的風(fēng)險，因此只通過報警主機單路徑和BAS接口是不夠的，有必要考慮和開辟系統(tǒng)間的第二信息路徑。
2.2 BAS接收信息的實時性和可靠性
由上可知，EST3系統(tǒng)打印機協(xié)議是一種基于事件的無應(yīng)答的協(xié)議，該協(xié)議是固有協(xié)議，應(yīng)用中無法改變，且協(xié)議中無握手，無通信建立過程，更沒有信息重發(fā)機制，因此如何保證BAS能可靠接收信息，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及信息處理方法中需要考慮的問題。
2.3 BAS響應(yīng)信息、實現(xiàn)聯(lián)動控制的實時性和可靠性
當(dāng)BAS系統(tǒng)能正確接收FAS信息后，BAS將迅速整理、分析、分揀信息，判斷并生成控制命令，協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)控制器動作，從而實現(xiàn)聯(lián)動控制，這些屬于信息處理流程，同樣BAS系統(tǒng)需要提供可靠機制和硬件平臺來支持該流程的實現(xiàn)。
3 系統(tǒng)整體設(shè)計
根據(jù)上面的分析，為提高兩系統(tǒng)互連的可靠性，自然要考慮到系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)接口，利用車站局域網(wǎng)，作為兩系統(tǒng)互連的另一條信息路徑。如圖1所示，BAS和FAS有兩條鏈路實現(xiàn)連接。
圖1 系統(tǒng)整體連接圖
3.1 底層路徑
利用EST3主機的一個RS-232異步串口和BAS系統(tǒng)的PLC直接連接，該接口事先由EST3系統(tǒng)將其配置為打印接口。深圳地鐵項目中，BAS系統(tǒng)控制器采用的是美國羅克韋爾（Rockwell）公司的Control Logix系列可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），接口模板采用的是美國Prosoft公司的MVI56-ADM模塊，該模板能很好地和Control Logix系列PLC集成，并能夠直接安裝其框架內(nèi)，它提供了3個應(yīng)用物理接口，并可直接通過背板總線實現(xiàn)和PLC的CPU模板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該模板提供了一個嵌入式系統(tǒng)環(huán)境（16位DOS環(huán)境），并且為用戶提供了豐富的應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API），用戶可以利用這些API編寫適應(yīng)各種接口應(yīng)用的程序運行于該模板中。深圳地鐵的BAS利用該模板提供的資源，編寫了EST3主機打印機協(xié)議的接口驅(qū)動程序，該驅(qū)動用于EST3協(xié)議應(yīng)用層的解釋工作，并將相關(guān)數(shù)據(jù)映射到PLC的共享內(nèi)存中用于PLC程序處理。
3.2 上層路徑
EST3主機提供另一個RS-232異步串口用于和FAS監(jiān)控工作站連接，F(xiàn)AS監(jiān)控工作站同時和BAS監(jiān)控工作站接入車站局域網(wǎng)，BAS監(jiān)控工作站通過局域網(wǎng)從FAS監(jiān)控工作站獲取數(shù)據(jù)，并傳送至BAS的PLC控制器中，從而實現(xiàn)兩系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)路徑的冗余。通過這樣的系統(tǒng)設(shè)計，從邏輯結(jié)構(gòu)上保證了BAS和FAS之間的通信可靠性，使得BAS的PLC控制器能分別通過兩條路徑獲取數(shù)據(jù)，從而提高接收FAS數(shù)據(jù)的可靠性。
4 接口協(xié)議
接口協(xié)議的轉(zhuǎn)換及解釋是采用這種方式實現(xiàn)聯(lián)動控制的關(guān)鍵。
系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了通信路徑的冗余，接下來將面對如何可靠接收并解釋FAS的專用協(xié)議，并傳送至BAS的可編程控制器中。在這兩條通信路徑中，涉及了3種協(xié)議，F(xiàn)AS專業(yè)提供了2種通信協(xié)議：
① 用于底層的無應(yīng)答的EST3協(xié)議；
② 用于上層的有應(yīng)答的基于TCP/IP（Transfer Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）的CBP協(xié)議（CGP and BAS Protocol，CBP；CGP：Color Graphic Package，彩色圖形軟件包，是EST3系統(tǒng)的軟件包）。另外是利用Rockwell公司的RSLinx通信引擎，基于TCP/IP的控制與信息協(xié)議（Control and Information Protocol，CIP），關(guān)于CIP這里不作詳細(xì)介紹，只針對EST3系統(tǒng)的兩種協(xié)議做論述。
4.1 EST3協(xié)議
如前所述，EST3提供的是一種基于事件的無應(yīng)答的打印機協(xié)議，這就要求作為接收方的驅(qū)動必須做到接收迅速、解析準(zhǔn)確、傳送及時。首先，驅(qū)動的接收方式為中斷接收，由于是通過硬件來觸發(fā)的，與常規(guī)的輪詢方式比，其最大的優(yōu)勢是延遲時間極短，延遲在納秒（10-9秒）級；其次，解析采用了“滑動窗口”機制，對數(shù)據(jù)的解析是基于單個字節(jié)的，這樣可以確保在解析時不會誤丟數(shù)據(jù)；最后，在解析出一幀完整的信息后，立即把數(shù)據(jù)放入PLC共享內(nèi)存，通知PLC有新的事件，同時，與PLC的數(shù)據(jù)交換引入握手機制，可以確保數(shù)據(jù)被PLC接收。
4.2 CBP協(xié)議
FAS監(jiān)控工作站提供的是基于TCP/IP有應(yīng)答的協(xié)議，這條數(shù)據(jù)路徑作為冗余通道。提供三種應(yīng)答協(xié)議，如圖2所示。其一是網(wǎng)絡(luò)測試幀，用于雙方的相互診斷，協(xié)議文本內(nèi)容固定，監(jiān)控站定期發(fā)送，驅(qū)動收到后只需復(fù)制文本，回饋給監(jiān)控站作為響應(yīng)；其二是變更信息協(xié)議，用于驅(qū)動查詢監(jiān)控站是否存在新的故障信息，驅(qū)動定期發(fā)送查詢幀，如果收到響應(yīng)并發(fā)現(xiàn)有新的故障，驅(qū)動以事件的方式通知本地應(yīng)用層；其三是總召喚信息協(xié)議，用于驅(qū)動查詢監(jiān)控站當(dāng)前存在的所有故障信息，驅(qū)動定期發(fā)送總召喚查詢幀，如果收到響應(yīng)并發(fā)現(xiàn)有新的故障，驅(qū)動以事件的方式通知本地應(yīng)用層。
顯然，兩種協(xié)議都有各自特點，EST3協(xié)議最大的特點是快速，但協(xié)議有先天缺陷，存在丟失數(shù)據(jù)的可能；TCP協(xié)議最大的特點是可靠，其缺點是存在較大延遲。當(dāng)同時采用兩種協(xié)議接收數(shù)據(jù)時，可以達(dá)到相互取長補短的效果，兩系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞迅速、可靠，使BAS能夠滿足聯(lián)動控制系統(tǒng)響應(yīng)性指標(biāo)要求。
圖2 三種應(yīng)答協(xié)議
5 聯(lián)動控制過程
實現(xiàn)聯(lián)動控制有3個過程：
① 接收有效的報警信息；
② 模式優(yōu)先級及沖突判斷；
③ 發(fā)布模式命令，實現(xiàn)火災(zāi)模式控制。具體流程如圖3所示。
圖3 聯(lián)動控制過程流程圖
5.1 接收有效的報警信息
在由驅(qū)動層有效可靠的接收數(shù)據(jù)并傳送至BAS系統(tǒng)后，BAS系統(tǒng)控制器的應(yīng)用程序須要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的、可靠的讀取和處理，以避免數(shù)據(jù)被新的事件數(shù)據(jù)所覆蓋，造成事件丟失，為此PLC應(yīng)用程序中采取以FAS事件最小更新周期的1/3時間為周期做定時查詢，以可靠獲取接口驅(qū)動層傳遞來的數(shù)據(jù)，具體是這樣實現(xiàn)的：
在PLC應(yīng)用中，專門建立一個周期性的（定時中斷）接口數(shù)據(jù)處理任務(wù)（FAS_Handler），用于讀取并處理PLC共享內(nèi)存數(shù)據(jù)。由前面分析可知，由于底層鏈路的數(shù)據(jù)傳遞較快，則PLC周期任務(wù)的時間以底層鏈路數(shù)據(jù)更新周期為基準(zhǔn)。底層物理接口為異步串口，波特率9 600bps，接收1幀數(shù)據(jù)所需時間大于60ms，故將該接口處理任務(wù)的周期設(shè)定為20ms（即20ms的定時中斷），這樣確保BAS能及時可靠地讀取FAS信息。
接口數(shù)據(jù)處理任務(wù)的功能是讀取并處理接口數(shù)據(jù)。具體流程如圖4所示。根據(jù)設(shè)計，BAS系統(tǒng)只響應(yīng)FAS的模式控制命令，而FAS系統(tǒng)不能直接傳遞模式命令，BAS必須要對FAS數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和過濾，分揀出代表模式命令的信息（FAS輸出的信息是其所有的事件，如火警、手報、溫感、矩陣、與組、故障、狀態(tài)等，而BAS關(guān)心的只是有效的邏輯與組編號，F(xiàn)AS事先針對不同防火/煙分區(qū)的煙感或溫感探頭，設(shè)置不同的邏輯與組，當(dāng)該組內(nèi)相鄰2個探頭報警時，F(xiàn)AS將輸出該與組的編號，作為該防火/煙分區(qū)確認(rèn)的火災(zāi)報警信息，與組編號代表特定防火/煙分區(qū)的模式命令，因此BAS將在FAS傳遞的眾多信息中分揀與組號信息，查表確定對應(yīng)的防排煙模式命令編號）。另外，BAS系統(tǒng)通過CBP協(xié)議接收上層通信路徑傳遞來的與組編號信息，這一層的數(shù)據(jù)過濾在運行于BAS監(jiān)控工作站的接口驅(qū)動進(jìn)程中實現(xiàn)。BAS監(jiān)控工作站利用CIP協(xié)議將該信息實時寫入PLC的另一共享內(nèi)存中，同樣PLC將根據(jù)該信息查表產(chǎn)生對應(yīng)的防排煙模式命令編號。由于火災(zāi)事件是有先后順序的，因此在接口數(shù)據(jù)處理任務(wù)中設(shè)計了一個長度為20的數(shù)組文件作為事件隊列（First In First Out，F(xiàn)IFO）FAS_Evt_FIFO，用于緩存防排煙模式號，為BAS后續(xù)處理做準(zhǔn)備。此時事件隊列程序模塊將比較兩條路徑傳遞來的信息，如果數(shù)據(jù)相同，則視為同一火災(zāi)事件，如果不同，則作為兩個不同的事件，這些事件以模式號的方式進(jìn)入事件隊列。
至此，聯(lián)動控制的第一個步驟完成，這一步是BAS實現(xiàn)聯(lián)動控制的基礎(chǔ)。
圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖
5.2 模式優(yōu)先級及沖突判斷
地鐵一般設(shè)有3類風(fēng)系統(tǒng)：隧道風(fēng)系統(tǒng)，車站公共區(qū)風(fēng)系統(tǒng)（大系統(tǒng)）和設(shè)備及管理用房風(fēng)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）。根據(jù)工藝設(shè)計，這些風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備在不同的運營工況時動作是不一樣的，不同工況下多設(shè)備不同的運行狀態(tài)組合即所謂的模式，BAS將根據(jù)情況對這些設(shè)備進(jìn)行群組控制即模式控制，以適應(yīng)不同的工況。地鐵工況一般有火災(zāi)工況、阻塞工況、正常工況等，對應(yīng)有防排煙模式、阻塞模式和正常模式等，其中防排煙模式具備最高的執(zhí)行優(yōu)先級。另外，當(dāng)同一風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的不同防火（防煙）分區(qū)同時出現(xiàn)火災(zāi)時，根據(jù)要求要啟動不同的防排煙模式，如果不同的模式對同一設(shè)備的動作要求不一樣的情況，這種情況定義為模式?jīng)_突，此時BAS系統(tǒng)在響應(yīng)并執(zhí)行第一個模式的時候就不能執(zhí)行第二個模式，以上工作全部由BAS可編程控制器來進(jìn)行判斷和處理。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)時，BAS系統(tǒng)首先根據(jù)事件隊列里的模式號來判斷工況，以決定能否優(yōu)先執(zhí)行該模式（火災(zāi)工況是具有最高優(yōu)先級），接著BAS要根據(jù)模式號進(jìn)行模式?jīng)_突判斷，看是否和當(dāng)前同級別的模式?jīng)_突。以上判斷的結(jié)果就意味著聯(lián)動控制的第二步完成。
5.3 發(fā)布模式命令，實現(xiàn)火災(zāi)模式控制
經(jīng)過上述2個步驟，事件隊列里的某個模式經(jīng)判斷能夠執(zhí)行時，BAS系統(tǒng)將根據(jù)該模式號查表，取出對應(yīng)的設(shè)備命令分解傳輸?shù)礁鱾€就地級控制器中，由就地級控制器實現(xiàn)對防排煙設(shè)備的控制，至此完成聯(lián)動控制。
6 聯(lián)動控制的響應(yīng)性及實時性
根據(jù)《消防聯(lián)動控制設(shè)備通用技術(shù)條件》（GB16806－19987）中對聯(lián)動控制的有關(guān)控制方式、響應(yīng)性、反饋顯示等技術(shù)指標(biāo)提出了具體要求。其中要求聯(lián)動控制系統(tǒng)在接收FAS報警信息后需在3秒內(nèi)發(fā)出聯(lián)動控制命令（參見4.2.4條款），這里分析一下BAS系統(tǒng)聯(lián)動控制的響應(yīng)性和實時性。
在做系統(tǒng)設(shè)計時，對BAS聯(lián)動控制的響應(yīng)性和實時性采取了下列措施：
(1) 接口驅(qū)動采用中斷方式接收FAS的報警信息，并實時更新到PLC的共享內(nèi)存中；
(2) BAS系統(tǒng)采用工業(yè)級控制器，其運算速度<0.1ms/k基本指令，應(yīng)用程序掃描周期一般為毫秒級；
(3) BAS控制器之間的網(wǎng)絡(luò)采用確定性、高速控制網(wǎng)絡(luò)，使得聯(lián)動命令的傳遞同樣在毫秒級內(nèi)完成。
圖5 聯(lián)動過程所需的時間
下面根據(jù)深圳地鐵的實際應(yīng)用，定量計算一下整個聯(lián)動過程所需的時間T，如圖5所示。T應(yīng)是從FAS系統(tǒng)產(chǎn)生確認(rèn)的火災(zāi)報警開始，到防排煙設(shè)備開始動作所經(jīng)歷的時間，即：
T＝T2＋T3＋T4＋T5＋T6＋T7（T2嚴(yán)格意義上是FAS系統(tǒng)的延遲，根據(jù)規(guī)范描述，聯(lián)動控制系統(tǒng)的時間延遲計算不應(yīng)包括這段時間）。其中：
T2：邏輯與組數(shù)據(jù)幀傳送時間約為60ms（≥57byte/frame，10bit/byte，9 600bps，T2＝（57×10）/9600＝59.375ms）；
T3：接口驅(qū)動執(zhí)行時間，由于采用中斷方式，其執(zhí)行時間幾乎和T2同步，可視為無延遲；
T4：PLC共享內(nèi)存數(shù)據(jù)更新時間，由于接口模板是采用背板總線方式和PLC的處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PLC背板通信帶寬為幾百兆，其時間延遲為微妙級，同樣視為無延遲；
T5：BAS系統(tǒng)PLC控制器接口處理任務(wù)的周期，20ms；
T6：BAS系統(tǒng)PLC應(yīng)用程序掃描時間，小于150ms；
T7：包括3個時間段：模式命令的傳遞時間（BAS主控PLC和就地PLC之間的數(shù)據(jù)通信時間：80ms）、就地PLC控制器應(yīng)用程序掃描時間（<80ms）和I/O模塊數(shù)據(jù)更新時間（20ms），T7＝80＋20＋80＝180ms；
則：T＝60＋20＋150＋180＝410ms
由上可知T<0.5s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)范中所規(guī)定的響應(yīng)性指標(biāo)要求（3s）。需要指出的是，在現(xiàn)場多次的放煙試驗時，從點煙到FAS產(chǎn)生與組信息歷時（T1）平均在20～30s之間，這主要和煙氣的擴散速度及煙感探頭的布置位置、密度和敏感性有關(guān)。另外從BAS輸出設(shè)備級命令到該防排煙模式設(shè)備均達(dá)到模式要求的狀態(tài)最長歷時（T8）近1.5分鐘，這主要和有些多葉風(fēng)閥動作到位的行程時間過長有關(guān)，一般風(fēng)機的啟動時間為幾秒鐘，電動防火閥則一般在1秒內(nèi)完成動作。由上可知，聯(lián)動的整個過程中，BAS系統(tǒng)的時間延遲相對設(shè)備動作和模式執(zhí)行所用的時間是很小的，使得BAS在接收到確認(rèn)的報警信息后能在第一時間內(nèi)響應(yīng)并控制防排煙設(shè)備動作，以確保防排煙效果。
7 結(jié)語
深圳地鐵已于2004年12月28日勝利通車，深圳地鐵于國內(nèi)首次實現(xiàn)了以BAS系統(tǒng)（規(guī)范名稱，項目名稱叫EMCS系統(tǒng)）為主的3個專業(yè)集成（EMCS＋FAS＋PSACDA），集成的重點問題是接口、共享平臺和應(yīng)用流程，深圳地鐵正是在接口技術(shù)上采取了多種有效、可靠的方式使得3個專業(yè)能很好地結(jié)合在一起，既能發(fā)揮各個專業(yè)自身的特點，同時在特殊情況下又能共享數(shù)據(jù)，很好的實現(xiàn)系統(tǒng)間的聯(lián)動控制，從而為用戶提高運營的自動化水平及工作效率提供技術(shù)保障。BAS和FAS系統(tǒng)之間的聯(lián)動只是該系統(tǒng)中較為典型的集成應(yīng)用，這種應(yīng)用在通車前消防驗收的整個過程中所表現(xiàn)出的優(yōu)異效果使得該聯(lián)動控制方式得到人們和業(yè)界的認(rèn)可。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號