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1、地铁对防排烟设备联动控制的实现1引言地铁是一类位于地下的特殊建筑，地铁车站是人流密集的公共场所，根据国家消防规范和地铁设计规范的要求，必须设置火灾自动报警系统和消防系统及设备。目前，地铁内均设有专业的火灾报警系统(FireAlarmSystem,FAS),担负着对建筑内火灾的探测、报警及联动控制消防设施的功能。2003年2月发生在韩国大邱地铁的火灾，造成重大人员伤亡，惨痛的教训让人们在进行地铁建设时更加关注地铁相关系统对火灾的探测及消防。据统计，在火灾事故中，造成人员伤亡多是由有毒烟气造成的，因此火灾前期的防烟与排烟至关重要，如何实现地铁防排烟系统设备的联动控制一直是业界争论的问题。在新版地铁
2、设计规范(GB501572003)中就此明确说明(参见1923,19214,20.2.3，20.3.3条款)，可以采取两种方式：FAS系统直接联动控制；通过地铁环境与设备监控系统(BuildingAutomationSystem，BAS)进行联动控制，这里暂且不讨论两种方式的利弊。深圳地铁正是采用第二种方式，即通过BAS系统实现对防排烟系统设备进行联动控制的。2重点与难点采用该种方式，将面临和解决以下重点及难点问题：1) BAS与FAS的接口问题一般情况下地铁不设置专门防排烟系统设备，多数情况下采用通风系统的共用设备作为防排烟系统设备，它们在正常工况下实现通风换气的功能，由BAS系统实现控制。
3、火灾情况下则用于防排烟，此时，对于第一种联动方式，将由FAS系统实现对它们的控制，而采用第二种方式时，则还是由BAS系统实施控制，这里只讨论第二种方式。采用第二种方式时，BAS则需要解决何时进行联动控制问题，由于火灾工况的探测是由FAS系统实现的，因此这种情况下不可避免地涉及到两系统间的接口。提到接口，其实现一般有三种方式：IO硬线接口、低速率异步通信接口和网络接口。IO硬线接口的特点是接口简单，容易实现，但物理连接偏于复杂。而另两种方式的特点是物理连接简单，信息量大，但需要进行协议转换和解释，有一定技术难度。根据地铁设计规范的要求(参见19.2.7和20.2.3条款)，两系统间采用通信接口，
4、BAS系统将通过通信接口获得FAS产生的报警信息及模式联动控制命令信息。一般而言，FAS报警主机均带有通信接口，但不是为实现系统间接口设置的，而是多用于报警主机之间联网或连接其外围监控设备(如图形终端、打印机等)，且协议一般是基于ASC码的不公开的专用协议。深圳地铁FAS系统采用的是美国爱德华公司的EST3系统，该系统主机带有两个异步串口(RS-232),个设置为图形终端接口，用于连接FAS工作站，另一个设置为打印机接口，其协议是主机固有的打印机协议。BAS系统正是要利用这一接口实现和FAS连接，接收FAS信息从而实现联动控制，如何在协议层能准确接收并解释其信息是实现联动控制的关键。另外，防排
5、烟系统设备联动控制的重要性决定了系统设计时须充分考虑BAS与FAS接口的可靠性。由于EST3主机协议是无应答协议，存在丢数据的风险，因此只通过报警主机单路径和BAS接口是不够的，有必要考虑和开辟系统间的第二信息路径。2) BAS接收信息的实时性和可靠性由上可知，EST3系统打印机协议是一种基于事件的无应答的协议，该协议是固有协议，应用中无法改变，且协议中无握手，无通信建立过程，更没有信息重发机制，因此如何保证BAS能可靠接收信息，是系统结构设计及信息处理方法中需要考虑的问题。3) BAS响应信息、实现联动控制的实时性和可靠性当BAS系统能正确接收FAS信息后，BAS将迅速整理、分析、分拣信息，
6、判断并生成控制命令，协调系统内相关控制器动作，从而实现联动控制，这些属于信息处理流程，同样BAS系统需要提供可靠机制和硬件平台来支持该流程的实现。根据上面的分析，为提高两系统互连的可靠性，自然要考虑到系统间的网络接口，利用车站局域网，作为两系统互连的另一条信息路径。如图一所示，BAS和FAS有两条链路实现连接：1) 底层路径利用EST3主机的一个RS-232异步串口和BAS系统的PLC直接连接，该接口事先由EST3系统将其配置为打印接口。深圳地铁项目中，BAS系统控制器采用的是美国罗克韦尔(Rockwell)公司的ControlLogix系列可编程控制器(ProgrammableLogicCo
7、ntroller，PLC)，接口模板采用的是美国Prosoft公司的MVI56-ADM模块，该模板能很好地和ControlLogix系列PLC集成，并能够直接安装其框架内，它提供了3个应用物理接口，并可直接通过背板总线实现和PLC的CPU模板进行数据交换。该模板提供了一个嵌入式系统环境(16位DOS环境)，并且为用户提供了丰富的应用程序接口(ApplicationProgramInterface,API)，用户可以利用这些API编写适应各种接口应用的程序运行于该模板中。深圳地铁的BAS利用该模板提供的资源，编写了EST3主机打印机协议的接口驱动程序，该驱动用于EST3协议应用层的解释工作，并将
8、相关数据映射到PLC的共享内存中用于PLC程序处理。2) 上层路径EST3主机提供另一个RS-232异步串口用于和FAS监控工作站连接，FAS监控工作站同时和BAS监控工作站接入车站局域网，BAS监控工作站通过局域网从FAS监控工作站获取数据，并传送至BAS的PLC控制器中，从而实现两系统通信数据路径的冗余。通过这样的系统设计，从逻辑结构上保证了BAS和FAS之间的通信可靠性，使得BAS的PLC控制器能分别通过两条路径获取数据，从而提高接收FAS数据的可靠性。4接口协议接口协议的转换及解释是采用这种方式实现联动控制的关键。系统在结构上实现了通信路径的冗余，接下来将面对如何可靠接收并解释FAS的
9、专用协议，并传送至BAS的可编程控制器中。在这两条通信路径中，涉及了3种协议，FAS专业提供了2种通信协议：用于底层的无应答的EST3协议；用于上层的有应答的基于TCP/IP(TransferControlProtocol/InternetProtocol，传输控制协议/网际协议)的CBP协议(CGP(ColorGraphicPackage，彩色图形软件包，是EST3系统的软件包)andBASProtocol,CBP)o另外是利用Rockwell公司的RSLinx通信引擎，基于TCP/IP的控制与信息协议(ControlandInformationProtocol，CIP)，关于CIP这里不作
10、详细介绍，只针对EST3系统的两种协议做论述。1) EST3协议#如前所述，EST3提供的是一种基于事件的无应答的打印机协议，这就要求作为接收方的驱动必须做到接收迅速、解析准确、传送及时。首先，驱动的接收方式为中断接收，由于是通过硬件来触发的，与常规的轮询方式比，其最大的优势是延迟时间极短，延迟在纳秒（10-9秒）级；其次，解析采用了“滑动窗口”机制，对数据的解析是基于单个字节的，这样可以确保在解析时不会误丢数据；最后，在解析出一帧完整的信息后，立即把数据放入PLC共享内存，通知PLC有新的事件，同时，与PLC的数据交换引入握手机制，可以确保数据被PLC接收。2）CBP协议FAS监控工作站提供
11、的是基于TCP/IP有应答的协议，这条数据路径作为冗余通道。提供三种应答协议，如图二所示。其一是网络测试帧，用于双方的相互诊断，协议文本内容固定监控站定期发送，驱动收到后只需复制文本，回馈给监控站作为响应；其二是变更信息协议，用于驱动查询监控站是否存在新的故障信息，驱动定期发送查询帧，如果收到响应并发现有新的故障，驱动以事件的方式通知本地应用层；其三是总召唤信息协议，用于驱动查询监控站当前存在的所有故障信息，驱动定期发送总召唤查询帧，如果收到响应并发现有新的故障，驱动以事件的方式通知本地应用层。显然，两种协议都有各自特点，EST3协议最大的特点是快速，但协议有先天缺陷，存在丢失数据的可能；TC
12、P协议最大的特点是可靠，其缺点是存在较大延迟。当同时采用两种协议接收数据时，可以达到相互取长补短的效果，两系统之间的数据传递迅速、可靠，使BAS能够满足联动控制系统响应性指标要求。应用层驱动(CBPClient)试测络网CBPServer图二5联动控制过程实现联动控制有3个过程:接收有效的报警信息；模式优先级及冲突判断；发布模式命令，实现火灾模式控制。具体流程如图三所示:1）接收有效的报警信息在由驱动层有效可靠的接收数据并传送至BAS系统后，BAS系统控制器的应用程序须要对这些数据进行及时的、可靠的读取和处理，以避免数据被新的事件数据所覆盖，造成事件丢失，为此PLC应用程序中采取以FAS事件最
13、小更新周期的1/3时间为周期做定时查询，以可靠获取接口驱动层传递来的数据，具体是这样实现的：在PLC应用中，专门建立一个周期性的（定时中断）接口数据处理任务（FAS_Handler）,用于读取并处理PLC共享内存数据。由前面分析可知，由于底层链路的数据传递较快，则PLC周期任务的时间以底层链路数据更新周期为基准。底层物理接口为异步串口，波特率9600bps.,接收1帧数据所需时间大于60ms，故将该接口处理任务的周期设定为20ms（即20ms的定时中断），这样确保BAS能及时可靠地读取FAS信息。接口数据处理任务的功能是读取并处理接口数据。具体流程见图四所示。根据设计，BAS系统只响应FAS的
14、模式控制命令，而FAS系统不能直接传递模式命令，BAS必须要对FAS数据进行整理和过滤，分拣出代表模式命令的信息（FAS输出的信息是其所有的事件，如火警、手报、温感、矩阵、与组、故障、状态等等，而BAS关心的只是有效的逻辑与组编号，FAS事先针对不同防火/烟分区的烟感或温感探头，设置不同的逻辑与组，当该组内相邻2个探头报警时，FAS将输出该与组的编号，作为该防火/烟分区确认的火灾报警信息，与组编号代表特定防火/烟分区的模式命令，因此BAS将在FAS传递的众多信息中分拣与组号信息，查表确定对应的防排烟模式命令编号）。另外，BAS系统通过CBP协议接收上层通信路径传递来的与组编号信息，这一层的数据
15、过滤在运行于BAS监控工作站的接口驱动进程中实现。BAS监控工作站利用CIP协议将该信息实时写入PLC的另一共享内存中，同样PLC将根据该信息查表产生对应的防排烟模式命令编号。由于火灾事件是有先后顺序的，因此在接口数据处理任务中设计了一个长度为20的数组文件作为事件队列（FirstInFirstOut,FIFO）FAS_Evt_FIFO，用于缓存防排烟模式号，为BAS后续处理做准备。此时事件队列程序模块将比较两条路径传递来的信息，如果数据相同，则视为同一火灾事件，如果不同，则作为两个不同的事件，这些事件以模式号的方式进入事件队列。顶层链路数据底层链路数据至此，联动控制的第一个步骤完成，这一步是BAS实现联动控制的基础。图四2）模式优先级及冲突判断地铁一般设有3类风系统：隧道风系统，车站公共区风系统（大系统）和设备及管理用房风系统（小系统），根据工艺设计，这些风系统设备在不同的运营工况时动作是不一样的，不同工况下多设备不同的运行状态组合即所谓的模式，BAS将根据情况对这些设备进行群组控制即模式控制，以适应不同的工况。地铁工况一般有火灾工况、阻塞工况、正常工况等，对应有防排烟模式、阻塞模式和正常模式等，其中防排烟模式具备最高的执行优先级。另外，当同一风系统对应的不同防火（防烟）分区同时出现火灾时，
