基于物聯網的消防聯動控制系統架構展望
近年來，建 / 構筑物呈現出建筑體量擴大化及使用功能復雜化的發展趨勢，建 / 構筑物的這種發展趨勢對消防聯動控制系統的容量和控制功能提出了更高需求，也對系統運行的穩定性和可靠性提出了更高挑戰；同時，各地智慧消防、智慧城市的建設也對消防聯動控制系統的物聯網功能提出了新的需求。然而，消防聯動控制系統現有的架構模式及功能業已不能完全滿足新形勢下建 / 構筑物上述消防功能的需求。筆者依據國家標準《消防聯動控制系統》GB 16806的修訂思路，對未來消防聯動控制的架構形式和系統功能進行簡要解析和展望。
現有消防聯動控制系統的架構模式及工作原理解析
消防聯動控制系統現有的組成架構如圖1所示。
>>>>消防聯動控制系統現有架構模式存在問題分析
消防聯動控制系統現有架構模式在工程適用性方面存在下述幾個方面的問題。
>>系統復雜的架構模式加大了系統的工程造價和維護管理難度
由圖1可以看出，消防應急廣播系統、消防應急照明系統、自動滅火系統等建筑消防系統、設施，均需通過聯動模塊與消防聯動控制器連接，此系統架構模式看似簡單，實則復雜。消防聯動控制器通過回路總線配接聯動模塊，為保證系統運行的穩定性和可靠性，國家標準GB 50116 - 2013《火災自動報警系統設計規范》中，明確規定任一臺消防聯動控制器地址總數或火災報警控制器（聯動型）所控制的各類模塊總數不應超過1 600點，每個回路配接聯動模塊的數量不宜超過100點，且應留有不少于額定容量10 ％的余量。對于大型商場、商業綜合體等建筑規模較大的工程項目，現場設置的聯動模塊需要通過幾十個甚至上百個總線回路從四面八方連接至消防控制室內的消防聯動控制器上，消防控制室可能需要設置幾臺或幾十臺消防聯動控制器，從而組成了復雜龐大的消防聯動控制系統。消防聯動控制器的這種架構模式，造成系統的布線工程浩大，加大了系統的工程造價，也加大了消防控制室維護管理的難度。
>>受控設備繁雜的控制邏輯加大了系統的控制難度和系統風險
根據消防聯動控制系統現有的架構形式，確認火災后，消防聯動控制器需要根據火災發展蔓延情況，通過聯動模塊按照預設的邏輯和時序控制建筑消防系統、設施的啟動。消防聯動控制器控制的系統、設施如圖1所示，主要包括：消防火災警報和消防應急廣播系統、消防應急照明和疏散指示系統及機械加壓送風和排煙系統等安全疏散輔助系統，自動噴水滅火系統、氣體滅火系統和消火栓系統等滅火系統，防火卷簾、防火門等防火分隔系統，以及電梯、門禁、非消防電源等其他相關系統。按照GB 50116 - 2013的相關規定，不同系統設施的聯動控制邏輯如表1所示。
由表1可以看出，火災發生后，由于各消防系統預設的消防功能不同，不同消防系統啟動的報警區域及控制邏輯也不盡相同，對于建筑規模較大、設置消防設施的種類和數量較多時，消防聯動控制器控制邏輯編程的復雜性可想而知。如此復雜的邏輯編程對消防聯動控制器的邏輯判斷和控制執行能力提出了更高的要求和挑戰，在很大程度上降低了系統控制的可靠性；而且，消防聯動控制器如此集中的控制模式，在一定程度上加大了系統的整體故障風險。
統觀各項消防工程技術標準，均是根據消防安全防范的需求，對建 / 構筑物進行相應的區域劃分，并基于區域的概念提出相應的消防工程技術要求。如：GB 50016 - 2014《建筑設計防火規范》（2018年版）規定的防火分區、GB 50116 - 2013規定的報警區域、GB 51309 - 2018《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》規定的疏散單元、GB 51251 - 2017《建筑防煙排煙系統技術標準》規定的防煙分區、GB 50084 - 2017《自動噴水滅火系統設計規范》規定的報警閥的防護區域、GB 50370 - 2005《氣體滅火系統設計規范》規定的防護區域等等。按照上述消防工程技術標準的相關要求，火災探測報警系統可以實現初起火災的探測報警及報警區域的準確定位；確認火災后，消防聯動控制系統控制火災警報和消防應急廣播系統、消防應急照明和疏散指示系統及防排煙系統的應急啟動，指揮、導引、保障各個疏散單元的人員進行安全疏散；根據火災的發展情況，由消防聯動控制器控制火災區域的自動滅火系統啟動，實施滅火；根據火災的蔓延情況，由消防聯動控制器控制火災區域的防火門、防火卷簾等防火分隔系統動作，實施火災區域的防火分隔。
為實現上述建筑消防設施預設的消防功能，按照消防聯動控制系統現有的架構模式，一臺消防聯動控制器，甚至一個總線回路配接的聯動模塊需要控制不同區域內的受控設備。發生火災時，火災產生的高溫、火焰等因素會直接影響火災區域內設置的聯動模塊，甚至聯動模塊所在總線回路運行的穩定性和可靠性；即火災區域內聯動模塊或回路總線的故障，會影響系統對其他非火災區域受控設備控制的可靠性。由此，可以看出消防聯動控制系統現有的集中總線架構模式，不能有效地將故障風險控制在相應的區域內，在某種程度上不適應區域防控的基本理念要求。
按照GB 50116 - 2013的相關要求，消防聯動控制器應能實時監測自動滅火系統、消火栓系統等建筑消防系統、設施的運行狀態信息。按照消防聯動控制系統現有的架構模式，目前，消防聯動控制器僅能通過聯動模塊采集壓力開關動作、消防風機啟動等消防系統設備的動作狀態信號，信號閥關閉、消防水池液位報警等消防系統設施的故障報警等開關量信號（0 / 1）。
由于不能實時采集消防水池的實時液位變化信息、消防供水管網的實時壓力變化信息、消火栓出口的實時流量信息等消防系統運行的模擬量狀態信息，無法有效實現消防設施的動態監管，尤其是無法有效實現消防設施預期功能變化的預判，從而實現對消防設施的潛在故障做出提前的應急處置；也就無法確保在發生火災時，消防系統設備能夠保證“萬一工程”所必須具備的可靠性，而發揮其應有的消防功能。
消防聯動控制系統的未來架構模式展望
鑒于目前消防聯動控制系統集中控制架構模式存在的諸多問題，在新修訂的國家標準《消防聯動控制系統》GB 16806（以下簡稱“GB 16806”）中，依據火災警報和消防應急廣播、消防水系統、防排煙系統等消防控制子系統獨立控制的原則，對消防聯動控制系統的架構進行了重構。未來消防聯動控制系統的組成架構如圖2所示。
通過圖1、圖2對比分析可以看出，消防聯動控制系統新的架構模式主要變化體現在：
a. 消防聯動控制器與其他建筑消防系統及相關系統之間不再采用聯動模塊連接，而是采用消防系統設備控制總線（FECBus）直接連接；
b. 消防聯動控制系統對其他系統的控制，均采用了消防聯動控制器 → 消防電氣控制裝置（各分系統控制器）→ 受控設備，標準的架構模式；消防應急照明控制器、防火門監控器、防火卷簾控制器及電氣控制器等控制裝置，雖不屬于GB 16806中電氣裝置的范疇，但在新的架構模式中，上述設備的功能及在系統架構中的作用均等同于消防電氣控制裝置；
c.各系統受控設備由該系統的電氣控制裝置直接控制，根據系統受控設備的設置情況，分系統控制器可以采用回路總線連接受控設備。
消防聯動控制系統新的架構模式參考了工業控制系統（DCS）集中監管、分散控制的系統架構模式搭建。在新的架構模式下，消防聯動控制系統的控制邏輯如下：
a. 建 / 構筑物確認火災后，消防聯動控制器通過FECBus向各系統控制器發送表1規定的火災報警區域信號；
b. 火災區域及相關區域設置的消防子系統控制器接收到符合系統啟動觸發條件的火災報警區域信號后，按照預設邏輯和時序控制系統設備的動作；
c. 消防子系統控制器通過FECBus向消防聯動控制器反饋該系統設備、設施的運行狀態信息；
d. 消防子系統控制器接收到符合系統啟動觸發條件的火災報警區域信號后，未能按照預設邏輯和時序控制系統設備的動作時，消防聯動控制器應發出故障報警信號，并可向該消防子系統控制器發送優先級最高的控制指令，強制其控制受控設備啟動。
消防聯動控制系統新架構模式與現有架構模式相比，其優勢主要體現在以下幾個方面。
消防聯動控制系統新的架構模式取消了消防聯動控制器與現場受控設備之間數量眾多的聯動模塊，采用FECBus總線直接與各子系統控制器相連接；各系統的受控部件就近與該系統的分系統控制相連接，大大簡化了系統的架構模式。
在現有的架構模式下，消防聯動控制器對于不同的受控設備需要采用不同的控制層級。以機械排煙系統為例，按照現有的架構模式，消防聯動控制器需要通過聯動模塊直接控制排煙閥、排煙口等現場部件的動作；而對于排煙風機的控制，則需通過聯動模塊給風機控制柜發送控制信號，再由風機控制柜控制排煙風機的啟動。新的架構模式改變了消防聯動控制系統控制層級混亂的現狀，對于所有的受控設備均采用消防聯動控制器 → 分系統控制器（電氣控制裝置）→ 受控設備，這種標準的控制層級架構。
>>各分系統控制邏輯編程的標準化
通過對表1的分系統可以看出，由于各消防系統預設的消防功能不同，因此不同系統應急啟動的控制邏輯及控制時序不盡相同；當消防聯動控制器控制的子系統種類和數量較多時，消防聯動控制器的聯動控制邏輯編程復雜，加大了不同系統應急啟動控制邏輯判斷的難度，在很大程度上降低了系統控制的可靠性。然而，對于各子系統而言，其控制邏輯及時序均是標準的；由各消防子系統獨立自成系統的架構模式，大大簡化了各子系統控制的邏輯編程和邏輯判斷的難度，也在很大程度上提升了控制的可靠性。新的架構模式，改變消防聯動控制器“一人統攬、身兼數職、身體力行、疲于應付”的困局，而對消防聯動控制器采用了“集中監管、簡政放權、專人專責、提高效率”的變革，極大地提高系統的控制時效性和可靠性。
基于物聯網的消防聯動控制子系統架構實例分析
前文基于GB 16806的修訂思路，對消防聯動控制系統的整體架構模式作了簡要的介紹和解析。對于消防聯動控制系統的架構重建而言，各消防聯動控制子系統基于物聯網的架構搭建同樣是一個重要的環節，下面以濕式自動噴水滅火系統為例簡要介紹消防水控制子系統的架構組成及控制功能實現。
>>>>基于物聯網的消防水控制子系統架構組成
消防水控制子系統組成架構如圖3所示。
>>>>消防水控制子系統組成架構模式解析
>>消防水系統控制器采用集中區域的架構模式
消防水系統控制器可以直接連接壓力傳感器、信號閥等系統現場部件，也可以設置分區控制器，并采用集中區域的架構模式，由分區控制器就近連接系統現場部件。對于規模較大的工程項目，可在消防控制室設置消防水系統控制器，在高位水箱間、報警閥間等部位設置系統分區控制器，消防水系統控制器和分區控制器間采用子系統設備通信總線連接，壓力傳感器、信號閥等系統設備按照防護分區的劃分情況，就近連接至相應防護區域的分區控制器。這種集中區域的架構形式大大減少了系統布線的工程量，而且防護區域設置分區控制器及回路總線的架構方式符合前述按區域進行消防防控的基本理念。
>>消防水控制子系統的物聯網功能
消防水控制子系統自成系統的架構模式，支持液位傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等傳感器，通過回路總線向消防水系統控制器實時傳送消防水系統各種工作狀態的模擬量數據信息。各消防系統的控制子系統各自獨立組成控制網絡的架構模式，使得消防系統工作狀態的動態實時監測成為可能，真正為智慧消防提供了底層數據支撐。
>>>>消防水控制子系統控制功能實現的解析
>>消防水系統設備的連鎖控制
按照 GB 50084 - 2017相關規定，灑水噴頭噴水導致系統出水干管壓力開關、濕式報警閥壓力開關或高位水箱出水流量開關動作后，消防水泵控制器應自動控制消防水泵啟動為供水管網持續供水。上述部件設置的環境多為潮濕場所，且與水泵控制柜的距離較遠（尤其是高位水箱間），現場部件與水泵控制柜間的連線很容易發生斷路或接地故障，然而，按照現行GB 16806的規定，水泵控制器并不具備實時監測上述線路故障的功能，在實際工程項目中，由于上述線路故障而導致的消防水泵控制失效的情況屢有發生。鑒于工程應用環節存在的上述問題，在GB 50116 - 2013中要求消防聯動控制器在確認火災，且接收到出水干管壓力開關、濕式報警閥壓力開關或高位水箱出水流量開關動作信號后，通過聯動模塊對消防泵的啟動采用冗余控制，這種冗余的控制方式在一定程度上解決了自動噴水滅火系統自身控制失效的問題，但也加大了系統施工及管理的復雜度。
本次GB 16806的修訂中，對消防水系統控制器能夠實時監測現場部件及連接線路工作狀態的功能作出了明確要求，消防水系統控制器功能的強化，在很大程度上提升了系統控制的可靠性，也為實現GB 50084 - 2017中的連鎖控制要求提供了相應的技術保障。根據GB 16806的修訂情況，新修訂的GB 50116中規定了電氣控制控制裝置的連鎖控制功能，即各消防子系統控制器接收到符合本系統相關區域的火災報警區域信號后，按預設邏輯和時序控制相應的受控設備啟動。新修訂的GB 50116規定消防水系統控制的連鎖控制功能，也使得GB 50116和GB 50084 - 2017在自動噴水滅火系統的控制方式及要求上達到了一致和統一。
>>消防水系統設備的連鎖控制邏輯解析
消防水系統的種類繁多，每類系統的工作原理、消防功能有較大差異，系統受控設備啟動的控制邏輯不盡相同，消防水系統的控制邏輯如表2所示。
通過表2可以看出，對于某一具體的消防水系統而言，其受控設備是明確的，且其控制邏輯也是標準的、模式化的。
>>消防水系統連鎖控制功能的實現及集中監管
>消防水系統連鎖控制功能的實現
消防水系統控制器通過總線回路連接壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等系統現場部件，并實時監測壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等系統現場部件的工作狀態信號。當系統出水干管壓力傳感器或高位水箱出水流量傳感器的采集值達到設定閾值后，或濕式報警閥壓力開關動作后，消防水系統控制器連鎖控制消防水泵的啟動。根據消防聯動控制系統新的架構模式，現有的水泵控制柜作為消防水系統控制器的組成部分之一，且為了保障控制的可靠性，水泵控制柜應采用硬線直接控制消防水泵的啟動和停止。
>消防聯動控制器對消防水控制子系統連鎖控制的集中監控
消防水系統控制器的控制邏輯應能手動或自動備份到消防聯動控制器上，消防聯動控制應能按照消防水系統的控制邏輯通過FECBus總線發送確認的火災報警區域信號（如預作用系統、雨淋系統的防護區域編號），當消防水系統現場部件的動作信號和 / 或火災報警區域信號滿足系統的控制邏輯關系時，消防聯動控制器和消防水系統控制器同時在對相關信號進行邏輯判斷，且消防聯動控制器在規定的時序內未接收到消防水系統控制器反饋的系統啟動反饋信號時，應發出故障報警信號。消防聯動控制器可以直接向消防水系統控制器發送控制消防水泵啟動的控制指令，該控制指令具有最高優先級。
>消防聯動控制器對消防水系統運行狀態的實時監管
消防水系統控制器通過FECBus總線實時向消防聯動控制器發送消防水泵房和高位水箱間的環境溫度、消防泵和穩壓泵供電電源的工作狀態、系統各級管網的壓力和流量等運行狀態信息，從而實現消防聯動控制器對消防水系統運行狀態的實時監管。
本文有刪減，全文載于《建筑電氣》2021年第8期，詳文請見雜志。
版權歸《建筑電氣》所有。
作者：
劉凱，男，應急管理部沈陽消防研究所，副研究員，主任。
陳眾勵，男，上海建筑設計研究院有限公司，教授級高級工程師，電氣總工程師。
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