基于POWERBUS总线的智能消防应急照明与疏散指示系统设计

文: 北京动力源科技股份有限公司任立明2019年第三期

摘要

    本文介绍了一种采用POWERBUS总线设计的消防应急照明与疏散指示系统,给出了整体的设计方案、框架图。以灯具为控制的执行终端,通过分配电进行电源与通讯的转换,由应急照明控制器执行与FAS系统的联动并响应消防应急及疏散指示预案。简介了消防应急照明与疏散指示系统的产品设计,说明了系统的架构及POWERBUS总线的设计要点等。

1引言

    火灾是人类所面临的最严重的灾害之一,发生的频率则在各种灾害之首。近年来国内经济的迅速发展,各种超高型、结构复杂的现代建筑如雨后春笋般崛起,建筑物内部结构趋向复杂化,一般都安装有电梯或扶梯,人们习惯于使用这些设备上下楼,很多人都不知道疏散楼梯间的位置,尤其是一些公共建筑物内聚集的人群来自不同的地方,他们不一定熟悉建筑物内的环境。一旦发生火灾,由于周围环境或烟雾影响而无法正确的逃生路线,往往是随着人流盲目寻找逃生路径,浪费了很多逃生的宝贵时间。如果没有有效的疏散指示标志的指示,人们很难找到疏散方向。有效地疏散指示标志系统不仅能够指引人们确定正确的疏散方向,避免盲目逃生,而且可以减少疏散时间。

    智能消防应急照明与疏散指示系统,将以往传统的疏散理念,提升为智能化。综合烟感等传感器,可以智能的判断出着火点位置。智能生成逃生路径,引导人员远离着火点、就近疏散撤离,使疏散逃生指示与火灾状况和疏散设施动作状况实现协同联动,给人员逃离提供了最佳途径并极大的缩短了逃生所需时间,最大限度的保证了人身的安全。本文所介绍的就是一种基于POWERBUS总线设计的消防应急照明及疏散指示系统,该系统简化了产品的拓扑,优化了现场的线路布局。不仅节省了电气设计、施工的成本,同时极大的方便了现场调试与后期维护。

2系统设计方案概述

    本文介绍的消防应急照明与疏散指示系统,采用应急照明控制器、应急照明与疏散指示分配电箱、各种灯具,构成了三级系统。其中,灯具采用POWERBUS总线设计,将灯具的电源与通讯总线完美整合,2根线既是通讯线也是电源线。极大的解决了消防设计中,多种线路设计的复杂性问题。灯具通过POWERBUS总线可实时接受控制器的命令,同时将灯具的故障信息、亮灭状态等通过POWERBUS总线上传到应急照明与疏散指示分配电箱中。应急照明与疏散指示分配电箱可实时监测输入的电源状态,当输入的交流电源故障时刻控制电源投切至备用电池,保证了其输出支路上灯具的正常运行。应急照明控制器通过RS485总线与应急照明与疏散指示分配电箱进行通讯,实时监测各个灯具及各个分配电箱的运行状态,并根据FAS系统检测的烟感信号执行相应的逃生预案。

3系统设计说明

    智能消防应急照明与疏散指示系统的架构框图如图所示:

 照明1.png

图1智能消防应急照明与疏散指示系统拓扑图

    消防应急照明与疏散指示系统采用三级架构设计,其中包括应急照明控制器、分配电箱、应急照明与疏散指示灯具。系统的电源由EPS电源输出提供,当发生火灾、市电缺失时,EPS电源可自动实现投切,切断市电输出回路,同时将内部所带蓄电池的电能逆变成AC220V输出,保证了智能消防应急照明与疏散指示系统的稳定运行,确保正确指示逃生路线指引人员撤离。EPS电源可通过RS485总线会将电源信息实时上传给应急照明控制器显示。若EPS电源发生故障,工作人员可在应急照明控制器上观察到,以便维修。

3.1应急照明控制器

    应急照明控制器是智能消防应急照明与疏散指示系统的中枢控制单元,系统所有的功能均由应急照明控制器下达命令。同时,控制器实时监测系统的各个运行参数及设备状态。其功能包括:

(1)监测、显示所有灯具及分配电信息:

    应急照明控制器中可导入所有建、构筑物的建筑图纸,并根据图纸标识设置灯具、分配电箱。系统运行时,应急照明控制器可实时监测显示灯具的亮灭状态、报警信息等,可实时监测显示各个分配电箱的主备电运行状态及报警信息。

(2)录入、修改、启动逃生预案:

    应急照明控制器中可录入相应的虚拟烟感,根据烟感检测的不同位置着火点智能生成最佳逃生路线,逃生路线也可人为录入、修改。当发生火灾时,应急照明控制器可自动启动逃生预案,并将命令下发给所有分配电箱及灯具,整个系统协同运行指示逃生路线。

(3)与FAS系统联动:

    FAS(FireAlarmSystem)系统是火灾报警系统,一般由火灾探测器(烟感监测器)、区域报警器和集中报警器组成,有时也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动,以形成中心控制系统。

    当FAS系统检测到有火点报警信号后,会以通讯方式(或者干接点方式)将火点位置信号传递给应急照明控制器。应急照明控制器接收到火点位置信号后,会将火点位置与疏散指示系统中的虚拟烟感匹配,进而触发生成相应的逃生预案。

(4)实时监测电源,控制电源投切:

    应急照明控制器可实时监测输入的交流工作电源是否异常。当输入交流工作电源异常,应急照明控制器可自动控制电源投切至备用电源保证系统运行。

(5)实时监测、维护蓄电池:

    根据GB17945-2010《消防应急照明和疏散指示系统》中第6.3.7.5条款中要求:备用电源应至少能保证应急照明控制器正常工作3h。所以应急照明控制器中配备了一定容量的蓄电池。当交流电源输入正常时,应急照明控制器实时监测电池信息,可对电池进行充电维护;当交流电源输入异常时,应急照明控制器可将电池投入,保证自身稳定运行3h以上。

(6)声、光等状态显示:

    应急照明控制器可通过各种指示灯指示当前系统运行状态,当灯具、分配电、控制器自身发生故障时,可发出声光报警直至故障解除。当系统进入火灾应急状态时,系统同样可以声光信号显示,进而提醒消防控制室人员积极应对。

(7)打印消防联动信息:

    应急照明控制器响应火灾报警时,可实时打印执行的预案内容、执行时间等信息,以备报警解除时查验。

3.2分配电箱

    分配电箱是消防应急照明和疏散指示系统中的重要组成部分,承上其可与应急照明控制器通讯接收指令,启下其可与各种灯具通讯发送控制命令。具体功能如下:

(1)与应急照明控制器通讯:

    分配电箱实时与应急照明控制器通讯,可接收应急照明控制器的疏散指令,并将自身的运行信息上传,将所带的所有的灯具信息上传。

(2)为下级设备提供稳定电源:

    分配电箱可输出多路电源,每路支路上可挂接灯具。分配电箱可实时监测两路交流输入电源的电压、电流信息。当主电故障时,分配电箱可自动进行投切至备用电源,保证所有输出支路的电源稳定,进而保证灯具运行正常。主电恢复正常后,可恢复主电供电。

(3)监测、控制灯具:

    分配电箱通过POWERBUS总线与灯具连接,不仅为灯具供电,而且实时监测灯具的亮灭状态、报警信息等。当主电故障或系统发生火灾时,可控制灯具进入应急状态。

3.3消防应急照明与疏散指示灯具

灯具按照用途可分为疏散标志灯具和应急照明灯具。每种灯具的日常状态及应急状态均有不同。

(1)标志灯具——用于指示疏散路径,常见的灯具根据图案及功能又可分为多种类型,包括:

①左向指示灯:多为悬挂或壁挂式,指示逃生路线向左。

②右向指示灯:多为悬挂或壁挂式,指示逃生路线向右。

③双向指示灯:多为悬挂或壁挂式,指示两侧均可逃生。当一方有火灾时,可熄灭该指向并指向另一方逃生。

④安全出口灯:多为悬挂式且安装在门口等出口位置,指示该出口为逃生出口。

⑤语音报警灯:多为悬挂式且安装在门口等出口位置,可发出语音提示,如:“这里是安全出口”等,指示该出口为逃生出口。

⑥单向地埋灯:多安装在地面,IP等级要求较高,箭头所指为逃生路线。

⑦双向地埋灯:多安装在地面,IP等级要求较高,前、后箭头所指为逃生路线。当一方有火灾时,可熄灭该指向并指向另一方逃生。

标志灯具在平时工作时,为常亮指示;当发生火灾或应急启动时,将按照逃生路径改变,同时灯具将会以1Hz频率闪烁。

(2)应急照明灯具——用于火灾发生时照亮逃生路径,常见灯具根据样式又可分为:

①单头应急照明灯:可为嵌入式或吸顶式,一般安装在建、构筑物的顶棚。

②双头应急照明灯:多为壁挂式,一般安装在逃生通道中,如走廊、楼梯拐角等处。

应急照明灯具平时工作时,为熄灭状态;当发生火灾或应急启动时,应急照明灯常亮。

    本文所设计的消防应急照明灯具和疏散指示灯具具备灯具可实时检测灯具自身的运行信息,包括灯具的亮灭状态以及灯具的报警信息 (如灯具支路的开路报警、短路报警等)。灯具通过POWERBUS总线与分配电箱实时通讯,将自身的运行信息上传给分配电,同时接受分配电箱的控制。

4POWERBUS总线设计

    POWERBUS总线属于低压供电总线技术。通过在供电电缆上调制控制信号,替代了传统分离的控制电缆和供电电缆并大幅度提高通讯稳定性。POWERBUS总线采用满幅电压发送,电流信号回传的方式,提供了高通讯抗干扰能力。其特性如下:

总线可供电,通讯和供电无需电气隔离

总线抗干扰能力强,可与市电并走

可支持总线电流20A(2400bps)

具备总线短路保护,短路移除自动恢复总线

故障信号上报功能

可同时挂接256个设备

通讯距离可达3000m

支持无极性布线

支持任意拓扑布线:树形,星形,总线型

无特殊线缆要求

最新的更低成本解决方案

最大总线电压可达48V

透明串口协议,可兼容原RS485系统

支持通讯速率9600bps和2400bps半双工通讯

可隔离设计又可非隔离设计,保证电磁兼容特性

    在本文所介绍的智能消防应急照明和疏散指示系统中,灯具与分配电箱采用POWERBUS总线进行通讯。灯具为POWERBUS总线的从站,分配电箱为POWERBUS总线的主站。下边分别介绍下主站与从站的设计。

4.1POWERBUS总线主站设计

    分配电箱作为POWERBUS总线通讯的主站,采用PB620进行设计。PB620能适应现场使用的各种线材并实现远距离通讯的功能。电缆可以总线型、树型或星型等任意方式铺设,极大方便施工布线,并且可以防止错接发生,简化施工维护。

PB620可对POWERBUS总线提供电源管理功能,实现对总线的供电、通讯和故障监测。其基本应用电路如图2所示:

 照明2.png

图2PB620基本应用电路

采用PB620作为主站进行设计时,需注意以下几点:

(1)总线短路保护

    PB620具备完整的总线故障检测机制。当总线发生线上短路时,PB620会立刻关断总线,防止线路意外,并保护主站功率器件防止损坏。

    总线正常时PB620的BRK(Pin20)引脚会输出高电平(3.3V典型值),可将此信号用于上报信号进行处理,或用于切换继电器或LED指示信号。总线短路发生后,BRK引脚会输出低电平。当短路移除后,PowerBus总线会自动开启,并恢复BRK引脚高电平。

(2)HP模式

    HP为高功率模式切换引脚,内部设有上拉电阻。此引脚用来选择工作模式和通讯速率。将此引脚空悬或者拉高:UART通讯速率为9600bps,支持总线电流为5A。将此引脚接地,进入高功率模式:UART通讯速率为2400bps,可支持最大总线电流为20A。

(3)总线供电电压

    PB620为PowerBus技术主机IC,属于低压直流供电总线,支持总线电压直流12V-48V。总线电压请根据行业要求、从站电压需求、线材电压损耗,在这个范围内选取。通常与直流供电线无异。将外置直流电源或备用电池连接至V+和GND之间。并根据总线电流,设置合适容量的稳压电容。

(4)PB620供电电源

    PB620使用3.3V直流电源供给。可使用线性稳压器或LDO为PB620提供电源供给,也可以和MCU使用同一电源输入。注意请尽量不要使用DC/DC开关稳压器为PB620供电。注意,不要使用5V为PB620供电,会导致损坏。如系统主机中使用多个PB620,可使用同一供电电源。

(5)多回路应用

    经常有一些主机端多回路输出的应用。当使用一个电源为多个PB620回路供电的时候,现场可能会出现供电引起的多回路之间串扰干扰,如电源只供给一个PB620使用将不存在串扰问题。在这种应用条件下,不可使用“图2PB620基本应用电路”中的外围电路设置,而要使用PB620隔离电路。

4.2POWERBUS总线从站设计

    在本设计中,灯具作为POWERBUS总线的从站,其将自身运行及报警信息实时回传。从站采用PB331芯片设计,PB331是POWERBUS技术的从站通讯芯片。POWERBUS采用电压发送,电流信号回传的方式,提供了高通讯抗干扰能力。PB331能适应现场使用的各种线材并实现远距离通讯的功能。电缆可以总线型、树型或星型等任意方式铺设,极大方便施工布线,并且可以防止错接发生,简化施工维护。其基本应用电路如图3所示:

 照明3.png

图3PB331基本应用电路

采用PB331作为从站进行设计时,需注意以下几点:

(1)UART通讯接口

    PB331波特率根据主机设置自适应9600bps和2400bps。接收和发送自适应支持8位9位数据方式,第9位可以是数据位、校验位、地址位。

8位串口数据:起始位+8位数据位+停止位。

9位串口数据:起始位+8位数据位+第9位数据位+停止位。

(2)负载要求

    POWERBUS总线是智能低压供电二总线,负载可以是任意负载,包括阻性或感性。负载可以是:电动机、步进电机、电热执行器、继电器、高功率LED。负载电流动态变化,不会影响通讯。

(3)PB331的供电

    PB331为宽供电范围,可以使用LDO或DC/DC降压器,且可以与MCU共用供电系统。供电电源可以从总线提供,也可以从备电电池或者其他外部市电降压供电。

(4)短路保护

    图3中FUSE可以是可恢复保险丝PPTC,也可以是电阻。作用为防止短路和减少上电冲击。若从站损坏变成短路状态时,FUSE可以使此从站从总线脱离,而不影响总线和其他从站。主站可以通过巡检检测到此故障。

5结语

    本文主要介绍了一种基于POWERBUS总线设计的集中电源集中控制型智能消防应急照明与疏散指示系统,灯具与分配电箱采用了POWERBUS总线进行通讯。由于通讯和电源共用两根线,且支持总线电缆以树形、星型等任意方式敷设,极大的方便了现场施工及维护。随着我国经济的飞速发展,各种大型建筑物层出不穷,其不仅仅自身的规模比较大,人员密集程度也比较高,保障建筑物内部人员的安全就愈发显得尤为重要!这种安全的保障在很大程度上取决于人员疏散的速度。因此,智能消防应急照明和疏散指示系统就显得极为重要,建、构筑物中应用智能消防应急照明和疏散指示系统的应用将会越来越普遍。



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