高可靠度消防及排烟容错网路系统.doc

高可靠度消防及排煙容錯網路系統朱啟銘國立高雄應用科技大學電子工程系研究生黃榮沛國立高雄應用科技大學電子工程系研究生J.tw黃平和國立高雄應用科技大學電子工程系研究生pHH.tw李元容國立高雄應用科技大學電子工程系研究生H500803.tw鄭平守國立高雄應用科技大學電子工程系副教授.tw摘要根據內政部統計，火災每年造成千餘人的傷亡，比颱風所造成的傷亡人數還多。這數字可以靠消防設備的建置來降低，但業主設置消防設備的目的通常只是為了應付消防檢查，平常不進行測試檢查，縱然有做檢查遇到故障也多半不會立即予以修復，更甚者乾脆關機，以致於火災發生時系統不能及時發揮應有的效用。大部分業主平常不進行測試檢查的原因是嫌麻煩，因為目前的消防系統都有相同的缺陷，就是僅能偵測火警，無法自行偵測本身的故障，必須靠人員一個一個的檢查。在人員點檢間隔期間無法隨時得知偵煙器是否已經失效，也無法隨時得知受信總機本身是否故障。在東科大樓的案例中，低樓層大火被撲滅之後，第十六樓歷經十餘小時的緩慢延燒再次復燃，並且因為消防管線間早已被底層大火吞噬，致使消防系統無法在十六樓火苗未茁壯前再度發出警告。針對現有消防系統的測試繁雜，本研究提出自我診斷方式，由定址器監測感應器、中繼器輪詢定址器與受信總機輪詢中繼器，中繼器負責回報所屬定址器與感應器的狀況總成，遇有狀況才由受信總機查詢得知是那一防火區劃發生狀況，對於系統在火場存活度的問題，本研究提出採用環狀容錯網路系統，當環路中任一處線路故障時仍可由另一方向傳遞資訊，並且因採用雙主機架構，即使其中一部受信總機故障時，另一部受信總機也可以馬上接管，並發出警告。本系統已在屏東縣政府停車場完工，並且實測證明環路中任意一處開路或短路都對系統防災工作毫無影響，並可顯示出環路故障點以警告值班人員通知修復。除非漠視警告不予立即修復，否則極不可能同時出現兩處故障，萬一發生有兩處故障則兩處故障之間的設備雖無法與總機連絡，但仍可由中繼器執行本地防火區劃之防災工作，故本系統可為現代生活提供一個很好的防災保障。關鍵字：受信總機，防火區劃，容錯系統壹. 前言九十年五月十二日汐止東科發生台灣歷來損失最大的火災，財產損失高達百億新台幣。究其災害擴大原因，主要為管線間施工不當未以鋼板阻絕，其次為消防系統未能發揮預警作用。為避免重蹈覆轍，前者較容易檢查並要求業主補強解決，後者因業主對於電路系統的操作維護不熟悉，所以妥善率一直難以提高。本文研究的目的就是為了解決現場人員對消防系統的不熟悉，而提出一套可自我診斷並具容錯功能的系統，以祈對國人生命財產的安全更有保障。全文將簡介現有的系統並檢討其弱點，然後提出我們所構想的系統，並檢討實施後所發現的問題逐一予以對策，最後以重新擬定的方案來結束本文。貳. 現有的消防系統圖一，現有消防系統圖一為典型的R型消防受信系統，FAP代表火警受信總機，R為中繼器，SA代表定址偵煙器，P為集中式排煙控制器，此類系統含有三大問題。其一是受信總機與中繼器之間採用RS-485作溝通，當RS-485發生斷路故障時受信總機能發出斷線警告，但無法對斷路區域繼續進行監控。當RS-485發生短路故障時受信總機僅能發出斷線警告，完全無法對現場繼續進行監控。其二是定址偵煙器事實上分兩個部分，即定址器與偵煙器，定址器故障可以被電腦偵測到，而偵煙器故障則無法以電腦偵測，必須由人工進行煙霧測試。其三是不具備排煙專用的控制機能，一旦發生火警就將排煙風扇與排煙窗全開，雖顧及到人員生命安全，但對財產安全及火勢發展沒有好處。且，排煙設備由受信總機統一指揮，遇到主機通訊故障的狀況時排煙設備根本沒有機會動作。參. 容錯消防系統圖二，容錯消防系統方塊圖如圖二，SAP代表消防暨排煙受信總機，R為環型中繼器，P代表區域排煙控制器，SA為定址偵煙器，W為排煙窗。此系統的優點分述如下。一， 主機容錯可在環路中任一處插入多台主機，當其中一台主機故障時可立即由另一部接管。且資訊分享，所有主機皆可查知系統狀況及同步發出警報。二， 環路容錯環路採雙向通訊，當主機無法由其中一方向獲得資訊時會嘗試由另一方向進行溝通。使得系統環路在任一處故障時主機仍能持續監控。三， 本地控制排煙控制器有專屬偵煙器，當所轄的防火區劃發生火警時，即使無法將訊號傳回受信總機，仍然可以進行單獨動作。肆. 實施後發現的問題本容錯系統在九十四年十月於屏東縣政府立體停車場完工，經實測證明環路中任意一處開路或短路都對系統防災工作毫無影響，並可顯示出環路故障點以警告值班人員通知修復。但其間發現若干問題必須加以修正解決。一， 人員素質問題施工期間發現配線人員素質極差，多為國中程度以下，其理解能力遠不如預期，即使圖面詳加解說避免使用英文字母，仍然錯誤百出。據施工業者表示，其所屬人員習於鋪設單線系統，即使遇到必須使用通訊電纜也多在一對以內，對本系統必須使用四線傳輸(如圖三a)共二十四種排列可能的通訊方式難以接受，要求變更設計改為一對線，而且最好不要分極性。二， 連鎖損壞問題測試期間發生過意外的短路狀況，一隻壁虎侵入中繼器內部，疑因空間有限被PC板針腳割傷皮肉，使得壁虎身體成為良導體跨於線路之間，除了造成該中繼器電源銅箔熔毀外連帶其他多處中繼器的電路零件也一起損毀。筆者對此問題一直百思不解困擾很久，直到進入高應大就讀後與同學們一起討論，得到假設的故障模型(如圖四)，承蒙鄭老師耐心指導，要求務必證明假說的正確性。所以在歷經故障重現與IPC外殼隔離等交叉實驗後，假說終於得到了確立。三， 管線設計問題管線之設計以圖二的方塊為籃本，各中繼器之間的管線直接貫穿各樓層(如圖五a)，造成樓層間的管線拐彎抹角難以施工，並且不利於線路的查察。以屏東縣政府立體停車場的現場為例，地上一層地下兩層，中控室位於一樓。施工業者建議在此情況下，必須將地下室與二樓的環路雙頭皆經由管線間回歸一樓中控室較為妥當(如圖五b)。圖三a，四線式通訊單元結構略圖圖三b，兩線式通訊單元結構略圖圖四，故障模型分析圖五a，原管線佈置圖五b，施工業者建議的管線佈置伍. 問題對策與討論對於施工人員的素質問題，我們認同業者的說法，每個通訊單元具有兩組四線通訊埠，改兩線式後其排列數可大幅降低，但必須放棄原本之全雙工模式，改採半雙工通訊模式。要達到無極性要求，則需極性判定與反轉線路。至於連鎖損壞問題，不再以互相接地方式來克服共模電壓造成的IC損壞，改以變壓器隔離各裝置間的接地電位差，同時還可以避免環路通訊單元的連鎖故障。但是變壓器不允許直流通過，必須將原本的NRZ信號改為RZ信號或調頻信號。綜合前述的問題，我們重新設計通訊單元(見圖三b) ，並製作十組Prototype以供驗證，歷經一些挫折後，證明此方案確實可行。並且做到比業者所預期的還要更好，除了無極性以外，兩組通訊埠接頭可以不分進出互相對調。而業者建議的線路返回中控室且管線整齊化，各方皆表示贊同。惟兩組線佈置於同一個管線間的構想不被接受，維持線路不經管線間直接埋入建築本體以避免老鼠噬咬或其他破壞。六. 參考文獻李訓古，大空間中庭建築性能式煙控系統設計分析，.tw/ETD-db/，2