感温线缆式火灾定位报警控制器的研制

第 3 期2006 年 6 月工 矿 自 动 化 3 J 2006 文 章 编 号 :1671 - 251X(2006) 03 - 0042 - 04感 温 线 缆 式 火 灾 定 位 报 警 控 制 器 的 研 制胡 玉 祥 , 王 俊 山(北 方 工 业 大 学 机 电 工 程 学 院 , 北 京 100041)摘 要 :介 绍 了 感 温 线 缆 式 火 灾 探 测 元 件 的 工 作 原 理 ,以 及 以 单 片 机 为 系 统 核 心 的 火 灾 定 位 报 警 控 制 器 的软 硬 件 特 点 。 对 于 其 核 心 问 题 多 路 感 温 线 缆 电 阻 的 高 精 度 在 线 测 量 的 解 决 方 法 ,进 行 了 比 较 详 细 的 阐述 。 该 报 警 控 制 器 能 够 在 有 污 染 、 粉 尘 、 潮 湿 及 腐 蚀 等 恶 劣 环 境 中 承 担 火 灾 定 位 报 警 。关 键 词 :火 灾 ; 报 警 控 制 器 ; 定 位 报 警 ; 感 温 线 缆 ; 单 片 机中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 : 日 期 :2006 - 02 - 23作 者 简 介 :胡 玉 祥 (1945 - ) ,男 ,1983 年 毕 业 于 北 京 钢 铁 学 院 自动 化 系 ,获 硕 士 学 位 ,现 为 北 方 工 业 大 学 机 电 工 程 学 院 自 动 化 系 教授 ,研 究 方 向 为 计 算 机 控 制 技 术 ,曾 经 多 次 主 持 省 部 级 的 工 业 过 程 控制 科 研 项 目 ,并 多 次 获 奖 ,已 发 表 论 文 30 余 篇 。0 引 言感 温 线 缆 式 火 灾 定 位 报 警 控 制 器 (以 下 简 称 报警 控 制 器 )以 感 温 线 缆 作 为 火 灾 探 测 元 件 ,能 够 在 有污 染 、 粉 尘 、 潮 湿 及 腐 蚀 等 恶 劣 环 境 中 完 成 火 灾 定 位报 警 ,因 此 适 合 在 冶 金 企 业 、 铁 路 隧 道 、 地 下 矿 井 、 化工 企 业 、 大 型 库 房 和 变 电 站 等 场 合 应 用 。 它 不 仅 能够 可 靠 地 实 现 火 灾 报 警 ,而 且 能 够 探 测 到 着 火 点 的准 确 位 置 ,使 灭 火 工 作 有 的 放 矢 ,减 少 火 灾 的 损 失 。在 硬 件 方 面 ,报 警 控 制 器 以 高 性 能 的 196 系列 16 位 单 片 机 80C 为 系 统 核 心 ,优 选 了 几 种集 成 度 高 、 性 能 良 好 的 新 型 接 口 芯 片 ,电 路 得 以 简化 ,可 靠 性 提 高 ,功 耗 降 低 。 在 软 件 方 面 ,报 警 、 记录 、 打 印 等 功 能 完 备 ,因 而 具 有 “ 黑 匣 子 ” 功 能 ;设 计的 计 算 程 序 能 够 保 证 检 测 精 度 高 ;另 外 ,它 的 运 行 状态 显 示 简 洁 醒 目 ,参 数 设 置 方 便 ,达 到 了 人 机 界 面 友好 的 要 求 。1 火 灾 报 警 控 制 系 统 的 构 成由 1 台 或 多 台 感 温 线 缆 式 火 灾 定 位 报 警 控 制 器和 1 台 监 控 级 台 式 计 算 机 可 以 组 成 一 个 感 温 线 缆 式火 灾 定 位 报 警 控 制 系 统 。 监 控 级 计 算 机 一 般 设 置 在楼 宇 管 理 办 公 室 ,用 于 集 中 监 控 多 个 监 测 区 域 。 监控 级 可 选 用 “ 奔 腾 ” 型 台 式 计 算 机 ,与 报 警 控 制 器 之间 用 行 通 信 接 口 相 连 。 采 用 + 6. 0开 发 了 相 应 的 监 控 程 序 。报 警 控 制 器 的 钢 制 机 箱 尺 寸 为 500 340 180 一 般 情 况 下 由 20 V 供 电 ,另 有 蓄 电 池 作 为 备 用 电 源 ,在 20 V 断 电 的 情况 下 自 动 切 入 ,以 维 持 报 警 控 制 器 继 续 工 作 ,且 同 时发 出 “ 电 源 故 障 ” 报 警 信 号 ;报 警 控 制 器 的 输 出 控 制装 置 为 8 路 继 电 器 板 ,用 于 启 动 自 动 灭 火 装 置 。2 感 温 线 缆 式 火 灾 定 位 原 理感 温 线 缆 是 一 种 新 近 研 制 出 的 特 殊 的 电 缆 ,由外 包 定 温 熔 化 的 绝 缘 材 料 双 绞 钢 丝 、 聚 酯 薄 膜 保 护层 和 金 属 屏 蔽 层 构 成 。 由 于 钢 丝 作 为 导 体 有 电 阻 ,在 钢 丝 材 料 确 定 的 情 况 下 ,电 阻 与 钢 丝 长 度 成 正 比(现 在 采 用 的 感 温 线 缆 为 0. 253 4 / m) 。 新 敷 设 的感 温 线 缆 初 始 回 路 长 度 被 称 为 “ 标 定 长 度 值 ” ,它 对应 着 “ 标 定 电 阻 值 ” 。 报 警 控 制 器 工 作 时 周 而 复 始 地测 量 感 温 线 缆 的 电 阻 值 ,判 断 电 阻 值 与 标 定 电 阻 值相 比 较 是 否 发 生 了 变 化 。 当 发 生 火 灾 时 ,高 温 使 绝缘 材 料 熔 化 ,双 绞 钢 丝 由 于 绞 合 应 力 接 触 ,使 回 路 长度 短 于 初 始 回 路 长 度 ,因 而 测 得 电 阻 值 小 于 标 定 电阻 值 ,判 断 发 生 了 火 灾 。 根 据 钢 丝 接 触 点 与 报 警 控制 器 之 间 的 电 阻 ,能 够 计 算 出 两 者 之 间 的 距 离 ,从 而确 定 火 灾 发 生 的 位 置 。 报 警 控 制 器 按 检 测 8 条 感 温线 缆 设 计 (即 同 时 监 测 8 个 区 域 的 火 情 ) 。3 感 温 线 缆 电 阻 测 量 电 路从 上 面 的 论 述 可 以 看 出 ,8 条 感 温 线 缆 电 阻 的高 精 度 测 量 是 报 警 控 制 器 设 计 中 必 须 解 决 的 问 题 。就 多 路 电 阻 测 量 而 言 ,可 参 考 数 字 万 用 表 的 基 本 思路 ,即 将 电 阻 值 转 换 为 电 压 值 ,然 后 进 行 A/ D 转 换而 获 得 电 阻 值 。 但 还 要 注 意 :数 字 万 用 表 一 般 采 用的 是 机 械 触 点 式 开 关 ,其 特 性 接 近 于 理 想 开 关 ,而 感温 线 缆 电 阻 的 测 量 必 须 使 用 开 关 特 性 不 够 理 想 的 子 开 关 。另 外 ,由 于 报 警 控 制 器 工 作 的 特 殊 性 ,还 应 当 考虑 以 下 几 点 :(1) 由 于 感 温 电 缆 敷 设 距 离 达 几 百 米 ,环 境 可能 非 常 复 杂 恶 劣 ,特 别 是 动 力 电 压 可 能 有 漏 电 窜 入 ,为 确 保 人 身 设 备 安 全 ,感 温 线 缆 电 阻 测 量 部 分 必 须与 系 统 其 它 部 分 达 到 电 气 隔 离 。(2) 感 温 电 缆 的 一 端 接 入 电 阻 测 量 电 路 ,另 一 端不 能 开 路 ,否 则 可 能 引 入 很 高 的 感 应 电 压 ,必 须 短 路或 接 入 终 端 电 阻 ,实 际 应 用 中 接 入 10 精 密 电 阻 。(3) 电 阻 测 量 电 路 必 须 保 证 能 够 在 感 温 线 缆 发生 断 路 的 故 障 情 况 下 不 受 破 坏 。(4) 数 字 万 用 表 测 量 电 阻 一 般 采 用 “ 恒 流 源 法 ”或 “ 比 例 法 ” ,因 为 这 两 种 方 法 都 能 够 保 证 电 阻 与 其端 电 压 之 间 呈 线 性 关 系 ,测 量 值 的 显 示 是 容 易 处 理的 。报 警 控 制 器 采 用 的 是 “ 电 阻 分 压 法 ” ,其 原 理 如图 1 所 示 。图 1 电 阻 分 压 法 测 量 原 理 图被 测 电 阻 V x 有 如 下 关 系 :V x = E ( 这 种 测 量 方 法 附 加 元 件 少 ,因 而 电 路 十 分 简 单 。但 测 量 中 使 用 的 电 压 源 的 长 期 稳 定 性 和 电 阻 精 度 都 直 接 影 响 测 量 的 结 果 ,为 此 ,测 量 中 需 要 的 基准 电 压 由 图 2 所 示 电 路 产 生 。 图 1 中 须 选 用误 差 为 0. 01 %的 精 密 电 阻 ,这 种 电 阻 温 度 系 数 极 低(对 于 这 种 电 阻 分 压 法 ,电 阻 值 与 其 端 电 压 呈 非 线 性的 关 系 ,由 于 使 用 了 单 片 机 ,处 理 非 线 性 比 较 容 易 ) 。另 外 ,报 警 控 制 器 的 测 量 电 路 必 须 使 用 子 开 关(如 ) ,其 导 通 时 的 电 阻 达 100 多 欧 姆 (若采 用 “ 恒 流 源 法 ” 或 “ 比 例 法 ” 会 引 起 很 大 的 误 差 ) 。图 2 测 量 基 准 电 压 电 路能 够 满 足 以 上 要 求 的 感 温 线 缆 电 阻 测 量 电 路 如图 3 所 示 ,共 有 8 路 输 入 ,输 入 电 路 结 构 相 同 ,图 中仅 画 出 其 中 第 1 路 。 图 中 作 用 是 箝 制进 入 电 压 值 ,起 保 护 作 用 。 176 是12 位 二 进 制 分 辨 率 的 A/ D 转 换 器 ,以 串 行 方 式 与单 片 机 之 间 传 送 数 据 和 控 制 信 号 ,仅 需 3 根 联 络 线 ,与 并 行 输 出 方 式 的 A/ D 转 换 器 相 比 ,能 够 有 效 地 减少 光 电 耦 合 器 的 数 量 。图 3 感 温 线 缆 电 阻 测 量 电 路为 保 证 测 量 精 度 ,由 出 的 - 5. 0 参 考 电 压 V 同 时 是 部 的 基 准 电压 )经 过 高 精 度 低 温 漂 运 算 放 大 器 变 换 为+ 10. 0 V 的 测 量 基 准 电 压 V s (如 图 2 所 示 ) , 这 样V s 就 能 跟 踪 V 而 不 会 影 响 A/ D 转 换 的 结 果 。在 报 警 控 制 器 中 ,将 电 阻 测 量 部 分 制 成 了 独 立的 电 路 模 块 信 号 调 理 板 (如 图 4 所 示 ) ,具 有 独立 的 电 源 ,并 使 用 多 路 光 电 耦 合 器 传 送 信 号 ,从 而 达到 了 安 全 性 的 要 求 。 信 号 调 理 板 通 过 20 芯 插 座 与单 片 机 相 连 ,维 修 和 更 换 都 很 方 便 。 采 取 以 上 措 施研 制 的 电 阻 测 量 部 分 ,能 够 达 到 单 路 探 测 长 度 为700 m、 每 路 定 位 精 度 均 为 1 m 的 设 计 要 求 。4 报 警 控 制 器 的 结 构图 4 为 报 警 控 制 器 结 构 框 图 。 报 警 控 制 器 以 高性 能 的 196 系 列 单 片 机 80C 为 核 心 ,配置 有 2764 型 6264 型 日历 时 钟 芯 片 、 8255 型 并 行 接 口 芯 片 、 数码 管 驱 动 芯 片 、 16 位 数 码 管 和 8 只 按 键 的 键 盘 。L 码 管 主 要 用 于 指 示 报 警 控 制 器 的 工 作状 态 (即 是 否 有 火 灾 报 警 或 故 障 等 ) ,在 操 作 者 输 入命 令 和 参 数 时 ,还 能 起 协 调 作 用 。 数 码 管 显 示 的 突出 优 点 是 简 洁 醒 目 , 能 够 缩 短 管 理 人 员 读 取 火 警 状态 的 时 间 ,对 于 紧 急 处 理 火 警 有 利 。 数 码 管 的 作 用 :在 报 警 控 制 器 没 有 检 测 到 火 灾 报 警 或 故 障 时 ,数 码管 循 环 显 示 当 前 的 时 间 和 各 路 的 距 离 标 定 值 ;在 “ 报警 ” 状 态 时 ,数 码 管 显 示 发 生 火 灾 的 路 号 和 火 灾 点 与342006 年 第 3 期 胡 玉 祥 等 :感 温 线 缆 式 火 灾 定 位 报 警 控 制 器 的 研 制 图 4 报 警 控 制 器 结 构 框 图报 警 控 制 器 之 间 的 距 离 ;在 操 作 者 输 入 命 令 和 参 数时 ,数 码 管 的 作 用 是 “ 人 机 对 话 ” ,数 码 管 配 合 键 盘 设定 / 显 示 日 期 、 时 间 、 标 定 值 和 打 印 机 输 出 记 录 数 量等 。微 型 面 板 式 打 印 机 用 于 输 出 火 灾 报 警 记 录 ,可以 起 到 火 灾 “ 黑 匣 子 ” 的 作 用 ,另 外 ,还 能 打 印 各 路 的标 定 值 。 在 8 路 继 电 器 输 出 板 ,每 只 继 电 器 的 开 断能 力 为 3 A、 125 V ,可 以 接 通 相 当 功 率 的 灭 火 装 置 。5 键 盘 电 路 及 中 断 方 式 管 理 程 序键 盘 是 “ 人 机 对 话 ” 的 工 具 ,在 操 作 者 输 入 命 令和 参 数 时 ,键 盘 与 数 码 管 的 相 互 配 合 可 设 定 / 显 示 日期 、 时 间 、 标 定 值 和 打 印 机 输 出 记 录 数 量 等 。 在 报 警控 制 器 中 ,充 分 利 用 了 80C 的 硬 件 资 源 定 时 器 ,不 用 扩 充 有 源 器 件 ,即 可 实 现 对 键 盘 的高 效 率 管 理 ,键 盘 电 路 如 图 5 所 示 。 报 警 控 制 器 键盘 使 用 的 机 会 不 多 ,需 要 输 入 的 量 都 是 数 字 ,采 取“ 增 量 / 减 量 法 ” ,仅 需 6 只 按 键 ,但 对 它 的 特 殊 要 求是 对 于 某 一 路 进 行 操 作 时 ,不 能 使 其 它 路 的 循 环 检测 周 期 受 到 破 坏 ,因 此 键 盘 必 须 以 中 断 方 式 工 作 。图 5 报 警 控 制 器 键 盘 电 路6 只 按 键 分 别 是 “ 确 认 ” 、“ 退 出 ” 、“ 左 移 ” 、“ 右移 ” 、“ 增 量 ” 、“ 减 量 ” 。 当 报 警 控 制 器 处 于 正 常 检 测工 作 状 态 时 ,只 能 响 应 “ 确 认 ” 键 ,因 它 与 接 ,键 闭 合 产 生 的 下 降 沿 会 引 起 ,从 而 进 入 人机 对 话 过 程 。 在 断 服 务 程 序 中 ,设 置 软 定 时为 20 然 后 在 后 续 的 软 定 时 20 间 间 隔 中断 服 务 程 序 中 , 依 次 处 理 “ 前 沿 消 抖 ” 、“ 判 断 按 键 释放 、“ 键 值 生 成 ” 和 “ 后 沿 消 抖 ” 等 工 作 ,避 免 了 软 件查 询 、 延 时 等 待 等 低 效 率 的 操 作 。“ 左 移 ” 、“ 右 移 ” 键 具 有 2 种 功 能 :在 “ 项 目 选 择 ”状 态 时 ,用 于 选 择 “ 日 期 ” 、“ 时 间 ” 、“ 标 定 值 ” 和 “ 打 印机 数 量 ” 等 不 同 的 输 入 种 类 ;在 “ 数 值 输 入 ” 状 态 时 ,用 于 定 位 输 入 值 的 “ 位 数 ” (如 个 位 、 十 位 、 百 位 ) 。6 软 件 的 研 制监 控 级 的 软 件 是 用 + 6. 0 开 发 ,主 要 用 于通 信 和 显 示 各 路 工 作 状 态 。 在 通 信 方 面 ,监 控 级 是通 信 的 “ 主 站 ” ,由 它 指 定 并 启 动 报 警 控 制 器 的 数 据传 送 ;而 报 警 控 制 器 是 “ 从 站 ” ,只 有 被 “ 轮 巡 ” 到 了 ,才 能 进 行 数 据 传 送 。报 警 控 制 器 的 软 件 采 用 196 汇 编 语 言开 发 ,由 1 个 主 程 序 段 和 4 个 中 断 服 务 程 序 共 计5 个 大 模 块 构 成 :工 作 单 元 数 据 初 始 化 及 可 编 程 芯片 的 工 作 方 式 设 置 程 序 段 、 定 时 器 中 断 服 务 程 序 、 采样 中 断 服 务 程 序 、 打 印 中 断 服 务 程 序 、 串 行 通 信 中 断服 务 程 序 。在 定 时 器 中 断 服 务 程 序 中 完 成 的 任 务 包 括 以 下各 项 工 作 :键 盘 扫 描 及 输 入 数 据 处 理 、 数 码 管 显 示 、日 历 及 时 钟 管 理 、 采 样 数 据 的 滤 波 处 理 、 火 灾 报 警 或故 障 的 判 断 、 报 警 信 号 的 发 出 、 报 警 数 据 存 储 、 打 印数 据 的 形 成 、 串 行 通 信 数 据 的 组 织 。7 火 灾 报 警 控 制 器 的 性 能 指 标每 台 报 警 控 制 器 的 探 测 回 路 有 8 个 ,即 可 同 时监 测 8 个 区 域 。 单 路 探 测 长 度 为 700 m ,每 路 定 位精 度 均 为 1 m。可 以 存 储 80 条 报 警 记 录 。 内 置 微 型 面 板 式 打印 机 用 于 输 出 火 灾 报 警 记 录 ,最 多 可 打 印 80 条 报 警记 录 ,并 与 系 统 的 同 起 火 灾 “ 黑 匣 子 ” 的作 用 ,另 外 ,还 能 打 印 各 路 的 标 定 值 以 及 自 检 信 息 。采 用 了 内 藏 锂 电 池 的 日 历 时 钟 芯 片 正 常 工 作 时 能 够 显 示 日 期 和 时 间 ,具 有 时 钟 功 能 。日 期 和 时 间 又 都 是 报 警 记 录 中 的 重 要 信 息 。由 于 软 件 中 采 取 多 个 中 断 服 务 程 序 处 理 多 项 任务 ,各 项 任 务 都 能 得 到 尽 快 的 响 应 ,使 得 火 灾 的 判 断能 在 0. 025 s 内 完 成 ,火 警 信 号 能 够 在 1 s 内 发 出 ,充 分 发 挥 了 计 算 机 在 监 测 方 面 的 潜 力 。44 工 矿 自 动 化 2006 年 6 月 8 结 语感 温 线 缆 式 火 灾 定 位 报 警 器 以 感 温 线 缆 作 为 火灾 探 测 元 件 ,能 够 在 有 污 染 、 粉 尘 、 潮 湿 及 腐 蚀 等 恶劣 环 境 中 完 成 火 灾 的 定 位 报 警 。 它 不 仅 能 够 可 靠 地实 现 火 灾 报 警 ,而 且 能 够 探 测 到 着 火 点 的 准 确 位 置 。由 于 具 有 探 测 精 度 高 、 电 路 可 靠 性 好 、 功 耗 低 、 报 警记 录 打 印 完 备 等 功 能 特 点 ,适 于 在 冶 金 企 业 、 铁 路 隧道 、 地 下 矿 井 、 化 工 企 业 、 大 型 库 房 和 变 电 站 等 重 要场 所 使 用 ,因 而 有 着 广 阔 的 应 用 前 景 。参 考 文 献 :1 孙 涵 芳 . 6 位 单 片 机 M . 北 京 :北 京 航 空 航 天大 学 出 版 社 , 期2006 年 6 月工 矿 自 动 化 3 J 2006 文 章 编 号 :1671 - 251X(2006) 03 - 0045 - 03基 于 虚 拟 仪 器 杂 散 电 流 监 测马 草 原 1 , 席 延 平 2 , 张 栋 梁 1 , 梁 睿 1(1. 中 国 矿 业 大 学 信 电 学 院 ,江 苏 徐 州 221008 ; 2. 兖 矿 集 团 济 三 煤 矿 基 建 科 ,山 东 济 宁 272100)摘 要 :杂 散 电 流 监 测 对 城 市 轨 道 交 通 的 杂 散 电 流 防 护 具 有 重 要 意 义 。 虚 拟 仪 器 有 良 好 的 性能 ,能 够 满 足 杂 散 电 流 监 测 的 需 求 。 文 章 给 出 了 基 于 杂 散 电 流 分 区 监 测 方 案 ,介 绍 了 利 用 动 态 链接 库 对 虚 拟 仪 器 行 二 次 开 发 的 方 法 。关 键 词 :杂 散 电 流 ; 监 测 ; 虚 拟 仪 器 ; 二 次 开 发中 图 分 类 号 :8