深圳地铁4号线龙华车辆段FAS防排烟设备联动控制的设计

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摘要：结合深圳地铁四号线二期工程龙华车辆段的实际情况，重点说明FAS和DMS系统的接口形式和DMS系统实现联动控制的流程及实现方法，从而为车辆段正常，安全地运营提供技术保障。

关键词:地铁；火灾；防排烟；联动控制；环境与设备监控系统

Abstract: The combination of the actual circumstances of Shenzhen Metro Line two Engineering Longhua Depot, focusing on the interface form of FAS and DMS, and linkage control processes and methods of DMS system to provide technical guarantee for depot normal security operations.

Key words: Metro; Fire; Fume-Prevention Extraction; Linkage Control;

中图分类号：U231+.2 文献标识码： A 文章编号：

1系统概述

深圳地铁4号线二期工程从少年宫站（为4号线一期终点站）向北伸延，线路穿越莲花山、沿中康路向北穿越大脑壳山后，在现梅林检查站设发乐站后沿上塘路一直向北，而后右转向东沿和平路至清湖站，二期工程线路全长约16公里。

二期工程共设10个车站，除车站外，在上塘路与和平路的交汇处设车辆段，作为4号线车辆的维修及存车基地，车辆段亦将作为整条线路机电设备的维修支授中心。

4号线一期的控制指挥中心设于1号线竹子林控制中心内，与1号线共享。当二期限工程竣工后，4号线全线的控制指挥将集中于龙华车辆段内的控制中心，而将脱离1号线控制指挥中心。

根据国家消防规范和地铁设计规范的要求，车辆段必须设置火灾自动报警系统、消防系统及相关设备。根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，如何实现车辆段各单体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《地铁设计规范》（GB50157-2003）中就此明确说明，可以采取两种方式：

①fas系统直接联动控制；

②通过环境与设备监控系统（DMS）进行联动控制．这里暂且不讨论两种方式的利弊。

龙华车辆段正是采用第一种方式，即通过FAS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。

2.1FAS与DMS的接口问题

车辆段办公楼设置专门防排烟系统设备，火灾情况下采用FAS系统直接发送控制指令至DDC实现直接控制，其他单体和通风系统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DMS系统实现控制。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DMS系统实施控制，这里只讨论第二种方式。采用第二种方式时，DMS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：I/O硬线接口、低速率异步通信接口和网络接口。I/O硬线接口的特点是接口简单、稳定可靠、容易实现。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，DMS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。龙华车辆段FAS系统采用的是美国NOTIFIES公司原装进口NFS-3030系统设备构建FAS系统。

该系统主机带有两个异步串口（RS－232),一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。DMS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DMS与FAS接口的可靠性。由于NFS-3030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DMS接口是不够的，有必要考虑和开辟系统间的第二信息路径。

2.2接收信息的实时性及可靠性

由上可知，NFS-3030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，协议中无握手机制，无法建立通信过程，更没有系统信息重发机制，因此如何确保DMS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。

2.3实现联动控制的实时性及可靠性

当DMS系统能正确接收FAS信息后，DMS将迅速整理、分析、分拣信息，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DMS系统需要提供可靠机制和硬件平台来支持该流程的实现。

3系统整体设计

根据上面的分析，为提高两系统互连的可靠性，考虑到系统间的网络接口，利用车辆段内部局域网，作为两系统互连的另一条信息路径。如图所示，DMS和FAS有两条链路实现连接。

3.1底层路径

利用NFS-3030主机的一个RS－232异步串口和DMS系统的IQ智能控制器直接连接，该接口事先由NFS-3030系统将其配置为打印接口。

龙华车辆段项目中，DMS系统IQ智能控制器采用的是英国卓灵公司的非扩展型的16点控制器IQ3XACT控制器。该控制器通过RS232端口可连接至本地PC或显示单元。该控制器提供了丰富的扩展模板接口，龙华车辆段DMS利用该模板提供的资源，编写了NFS-3030主机打印机协议的接口驱动程序，该驱动用于NFS-3030协议应用层的解释工作，并将相关数据映射到IQ的共享内存中用于IQ程序处理。

3.2上层路径

NFS-3030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DMS监控工作站接入车辆段局域网，DMS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DMS的IQ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DMS和FAS之间的通信可靠性，使得DMS的IQ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的专用协议，并传送至DMS的IQ智能可编程控制器中。在这两条通信路径中，涉及了2种协议，FAS专业提供了这2种通信协议：

①用于底层的无应答的NFS-3030协议；

②用于上层的有应答的基于TCP/IP协议，基于TCP/IP的控制与信息协议这里不作详细介绍，只针对NFS-3030系统的两种协议做论述。

4.1 NFS-3030协议

如前所述，NFS-3030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丢数据；最后，在解析出一帧完整的信息后，立即把数据放入IQ控制器共享内存，通知IQ有新的事件，同时，与IQ控制器的数据交换引入握手机制，可以确保数据被IQ接收。

5联动控制过程

实现联动控制有3个过程：①接收有效的报警信息；②模式优先级及冲突判断；③模式命令，实现火灾模式控制．具体流程如图所示．

5.1接收有效的报文信息

在由驱动层有效可靠的接收数据并传送至DMS系统后，DMS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，为此应用程序中采取以FAS事件最小更新周期的1/4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IQ智能应用中，专门建立一个周期性的（定时中断）接口数据处理任务，用于读取并处理共享内存数据。由前面分析可知，由于底层链路的数据传递较快，则IQ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l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15ms（即15ms的定时中断），这样确保DMS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。具体流程如下图所示。根据设计，DMS系统只响应FAS的模式控制命令，而FAS系统不能直接传递模式命令，DMS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、故障、状态等，而DMS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DMS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）。同样DMS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用于缓存防排烟模式号，为DMS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。至此，联动控制的第一个步骤完成，这一步是DMS实现联动控制的基础。

5.2模式优先级及冲突判断

根据工艺设计，通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，DMS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。工况一般有火灾工况、正常工况等，对应有防排烟模式、正常模式等，其中防排烟模式具备最高的执行优先级。另外，当同一通风系统对应的不同防火（防烟）分区同时出现火灾时，根据要求要启动不同的防排烟模式，如果不同的模式对同一设备的动作要求不一样的情况，这种情况定义为模式冲突，此时DMS系统在响应并执行第一个模式的时候就不能执行第二个模式，以上工作全部由DMS可智能编程控制器来进行判断和处理。当出现火灾时，DMS系统首先根据事件队列里的模式号来判断工况，以决定能否优先执行该模式(火灾工况是具有最高优先级),接着DMS要根据模式号进行模式冲突判断，看是否和当前同级别的模式冲突。以上判断的结果就意味着联动控制的第二步完成。

5.3模式命令

实现火灾模式控制经过上述2个步骤，事件队列里的某个模式经判断能够执行时，DMS系统将根据该模式号查表，取出对应的设备命令分解传输到各个IQ控制器中，由就地级控制器实现对防排烟设备的控制，至此完成联动控制。

6联动的响应性及实时性

根据《消防联动控制设备通用技术条件》（GB16806-19987）中对联动控制的有关控制方式、响应性、反馈显示等技术指标提出了具体要求。其中要求联动控制系统在接收FAS报警信息后需在3秒内发出联动控制命令（参见4.2.4条款），这里分析一下DMS系统联动控制的响应性和实时性。

在做系统设计时，对DMS联动控制的响应性和实时性采取了下列措施：

(l）接口驱动采用中断方式接收FAS的报警信息，并实时更新到IQ智能控制器的共享内存中；

(2)DMS系统采用工业级控制器，其运算速度＜0.lms/K基本指令，应用程序扫描周期一般为毫秒级；

(3)DMS控制器之间的网络采用确定性、高速控制网络，使得联动命令的传递同样在几十毫秒内完成。

另外从DMS输出设备级命令到该防排烟模式设备均达到模式要求的状态最长历时近两分钟，这主要和有些多叶风阀动作到位的行程时间过长有关，一般风机的启动时间为几秒钟，电动防火阀则一般在1秒内完成动作。由上可知，联动的整个过程中，DMS系统的时间延迟相对设备动作和模式执行所用的时间是很小的，使得DMS在接收到确认的报警信息后能在第一时间内响应并控制防排烟设备动作，以确保防排烟效果。

7结语

深圳地铁四号线二期工程龙华车辆段已于2009年4完成深化设计，完成了以为FAS系统为主的多个专业设计集成，集成设计的重点问题是各系统之间接口、共享平台和应用流程，深圳地铁四号线二期工程龙华车辆段正是在接口技术上采取了多种有效、可靠的方式使得各个专业能很好地结合在一起，既能发挥各个专业自身的特点，同时在特殊情况下又能共享数据，很好的实现系统间的联动控制，从而今后为用户提高运营的自动化水平及工作效率提供有效的技术保障。

参考文献：

[1］地铁设计规范（GB50157-2003)，北京：中国计划出版社［M],2003,8

[2]消防联动控制设备通用技术条件（0B16806-1997)，北京：中国标准出版社［M］,1997,5

[3］魏晓东，城市轨道交通自动化系统与技术［M］北京：电子工业出版社，2004,11

[4]曲立东，城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用，[M]北京：电子工业出版社，2008，3

[5]深圳地铁四号线二期工程专用技术规范

[6]火灾自动报警设计规范(GB50116-98),北京：中国计划出版社[M],2008,1

[7]深圳地铁四号线二期工程龙华车辆段招标文件

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。