近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，餐飲服務(wù)行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。它們?cè)跐M足人們?nèi)粘２惋嬓枨蟮耐瑫r(shí)，也帶來了許多消防安全問題，其中廚房排煙道火災(zāi)是需要重點(diǎn)研究防范的問題之一。

2017年10月，浙江湖州某家餐廳突發(fā)大火，造成火災(zāi)的主要原因是廚房排煙道清理不及時(shí)，油垢堆積嚴(yán)重，遇明火或高溫后，油垢被引燃而引發(fā)了大火。同年12月，北京市昌平區(qū)國泰百貨一家餐廳也是因廚房排煙道起火而引發(fā)了火災(zāi)，所幸處理及時(shí)，沒有造成人員傷亡，但由于火災(zāi)地點(diǎn)位于人流密集區(qū)，巨大的濃煙給周邊帶來了不必要的恐慌。

2018年12月，北京航空航天大學(xué)某食堂因排煙道起火而發(fā)生火災(zāi)，幸虧消防人員及時(shí)趕到控制住火勢(shì)，才沒有擴(kuò)大災(zāi)害。高校食堂同屬于人員密集型區(qū)域，廚房消防安全在一定程度上關(guān)系到學(xué)校穩(wěn)定，所以對(duì)高校廚房排煙道火災(zāi)的防范也不容忽視。

本文所進(jìn)行的大型廚房排煙道火災(zāi)成因及特點(diǎn)分析、排煙道火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的意義和價(jià)值。

1 廚房排煙道火災(zāi)特點(diǎn)

在對(duì)大型廚房排煙系統(tǒng)實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，本文利用Catia繪圖軟件建立排煙道的三維立體模型，如圖1所示。它是由集煙罩、油煙凈化器、排煙風(fēng)機(jī)、排煙管道等設(shè)備組成。排煙道材質(zhì)多為不銹鋼或鍍鋅鐵皮，形狀一般呈方形管狀。

通常來講，在大型廚房里，廚師烹飪食物產(chǎn)生的油煙及灶火燃燒產(chǎn)生的廢氣是不可能直接排到戶外的，而是需要在集煙罩與排煙風(fēng)機(jī)吸力的共同作用下，攜雜空氣中的灰塵等固體顆粒被一同吸入排煙道，沿著煙道通過油煙凈化器被排放到大氣中。但在這一過程中，由于部分混合煙氣與排煙道或周圍冷空氣發(fā)生熱交換而液化附著在排煙道內(nèi)壁上形成凝油層，短時(shí)間就會(huì)沉積形成油垢。

據(jù)有關(guān)研究表明，這些油垢就是發(fā)生排煙道火災(zāi)并制造濃煙的“元兇”之一，當(dāng)其偶遇外界明火或源于排煙道內(nèi)部長期溫度過高，使得部分油垢被氣化分解，一旦達(dá)到其著火點(diǎn)，很容易發(fā)生自燃形成火情，從而引發(fā)排煙道火災(zāi)。

圖1 排煙道三維立體圖

從圖1中可清晰地看出，實(shí)際的排煙道結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉，走向由于實(shí)際需求及建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，存在一定差異，而排煙道從入口到出口之間通常有幾十米長，這就造就了排煙道火災(zāi)具有獨(dú)特的特點(diǎn)：

①排煙道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生初期隱蔽，不易被察覺；②由于油煙、油垢等為良好的可燃物，在排煙風(fēng)機(jī)的作用下，火勢(shì)蔓延速度快，經(jīng)人發(fā)現(xiàn)后火災(zāi)可能就已經(jīng)進(jìn)一步擴(kuò)大，極易錯(cuò)失最佳的滅火時(shí)機(jī)，從而增加消防的撲救難度；③排煙道一旦發(fā)生火災(zāi)，產(chǎn)生的高溫極易引燃周邊的可燃物，造成二次火災(zāi)，從而擴(kuò)大火情；④火災(zāi)發(fā)生后，排煙道出口處會(huì)伴隨大量的濃煙，引發(fā)周邊市民恐慌，造成惡劣影響。

因此，為了保證能讓整個(gè)排煙系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定可靠地運(yùn)行、提高廚房防火等級(jí)，迫切需要研究設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)來有效預(yù)防和杜絕此類災(zāi)害的發(fā)生。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)備選型

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)廚房排煙道火災(zāi)的成因及特點(diǎn)分析可知，引發(fā)排煙道火災(zāi)主要有兩個(gè)原因：①由于排煙道內(nèi)持續(xù)的溫度升高，造成油垢氣化自燃而引發(fā)排煙道火災(zāi)；②由于火苗、火星在排煙風(fēng)機(jī)的負(fù)壓抽吸作用下隨油煙一同被吸入到排煙道內(nèi)，產(chǎn)生爆燃而引起火災(zāi)。因此，從本質(zhì)上講，它們都與溫度密切相關(guān)，所以考慮選用溫度這一參量來表征或作為對(duì)排煙道火災(zāi)預(yù)警和探測系統(tǒng)的輸入量。

結(jié)合排煙道本身的封閉性特點(diǎn)，選擇將溫度傳感器安裝在排煙道表面，這樣不僅有利于在不破壞原排煙道的基礎(chǔ)上，完成對(duì)廚房排煙道火災(zāi)的預(yù)警，而且還便于后期的維護(hù)與檢修?；诖?，本文設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）的廚房排煙道火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由溫度采集模塊、數(shù)據(jù)處理及控制模塊、電源模塊三個(gè)部分組成，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，如圖2所示。

圖2 廚房排煙道火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖

1）溫度采集模塊

傳統(tǒng)的大多數(shù)餐飲場所排煙道的油煙入口通常位于一樓，而油煙出口位于樓頂，全長幾十米。本文設(shè)計(jì)采用無線溫度采集與有線溫度采集并用的采集方式實(shí)現(xiàn)對(duì)煙道溫度數(shù)據(jù)的采集。樓頂采用無線采集方式，通過含裸露式PT-100的無線測量節(jié)點(diǎn)完成對(duì)排煙道表面溫度的測量，再利用無線接收模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚；對(duì)于廚房內(nèi)部的排煙道表面溫度測量則采用有線方式，將裸露式PT-100直接與溫度采集設(shè)備相連，完成對(duì)溫度的采集。該種測量方案有利于現(xiàn)場布線及設(shè)備安裝。

2）數(shù)據(jù)處理及控制模塊

控制器與溫度采集設(shè)備依靠RS-485通信電纜來實(shí)現(xiàn)物理連接，并通過Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)采集設(shè)備的主從訪問，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。結(jié)合在PLC中內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)處理和預(yù)測判決算法，執(zhí)行后輸出相應(yīng)動(dòng)作信號(hào)，如報(bào)警信號(hào)、關(guān)斷天然氣信號(hào)、關(guān)斷加熱設(shè)備電源信號(hào)等。達(dá)到以排煙道的表面溫度作為系統(tǒng)輸入量，通過PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷，以報(bào)警信號(hào)等作為系統(tǒng)輸出量的廚房排煙道火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的。

3）電源模塊

該部分主要功能是為控制器、溫度采集器、無線接收器和集線器分別提供24V直流電源供電；每一路裸露式PT-100溫度傳感器需要的測量電流是由溫度采集器所提供，無線溫度采集節(jié)點(diǎn)的電源采用干電池供電方式，這樣就保證了系統(tǒng)中每部分設(shè)備都能夠正常運(yùn)行，共同配合以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

2.2 設(shè)備選型

1）傳感器選型

通常，測溫方式有兩種：接觸式測溫和非接觸式測溫。非接觸測溫是通過測量目標(biāo)表面所輻射的紅外能量來確定表面溫度的測溫方法，常用的有紅外測溫傳感器等；接觸式測溫是指利用物體電氣參數(shù)隨溫度變化的特性來檢測溫度的方法，如熱電偶、熱電阻等。

由于實(shí)際測量對(duì)象為排煙道表面，其材質(zhì)通常為不銹鋼或白鐵皮，在考慮成本的前提下，為保證能夠準(zhǔn)確快速地進(jìn)行溫度采集，本文選擇用接觸式測溫方式。正常情況下，排煙道內(nèi)部煙氣溫度夏季為80℃，冬季為60℃，油垢著火溫度為305℃，測量溫度范圍主要集中在0～400℃。

由于熱電偶測溫還需要進(jìn)行冷補(bǔ)償，相較于熱電阻而言，對(duì)低溫測量精度差、數(shù)據(jù)處理繁瑣，最終選擇裸露式PT-100溫度傳感器，它具有體積小、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，測量范圍在◆50℃～600℃，可以很好地滿足測量以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

2）控制器選型

段悅團(tuán)隊(duì)和曲方團(tuán)隊(duì)都曾基于AT89C系列單片機(jī)研究設(shè)計(jì)出針對(duì)于餐飲業(yè)廚房排煙道火災(zāi)的探測系統(tǒng)，為排煙道火災(zāi)探測提出了一類解決方案。但由于大型廚房環(huán)境比較惡劣，干擾多、噪聲大，傳統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)難以適應(yīng)廚房環(huán)境，而溫度采集是將傳感器內(nèi)置于排煙道的測量方式，若傳感器長期處于油煙環(huán)境，很容易造成測量精確度下降，甚至設(shè)備損壞。此外，他們的方案對(duì)于已建成的排煙系統(tǒng)，在二次改造及后期維護(hù)上也存在困難。

本文所設(shè)計(jì)的大型廚房排煙道火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，選用的核心控制器是SIEMENS S7-1200 PLC，具有運(yùn)行可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性高、開發(fā)周期短、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)，常用于工業(yè)領(lǐng)域。結(jié)合廚房實(shí)際環(huán)境，選用這款控制器作為控制系統(tǒng)的核心單元可以很好地達(dá)到所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能和要求。

另外，此類控制器具有相配套的編程軟件和組態(tài)軟件，結(jié)合強(qiáng)大的通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)基于Modbus協(xié)議的RS- 485/422通信、基于Web的無線通信、基于以太網(wǎng)的Modbus-TCP通信等，具有與多種設(shè)備互聯(lián)的能力，并且數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，運(yùn)行速度快，良好的擴(kuò)展接口便于根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行系統(tǒng)功能的刪減，為系統(tǒng)改進(jìn)完善提供了良好的條件與支持。

3）溫度采集器選型

溫度采集器主要用于系統(tǒng)的有線溫度采集方式中，功能是為裸露式PT-100溫度傳感器提供測量電流，通過內(nèi)嵌的A/D模塊實(shí)現(xiàn)將采集得到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量并存儲(chǔ)在寄存器。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選用的溫度采集器首先要支持裸露式PT-100溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集，其次是支持Modbus通信，能實(shí)現(xiàn)主從訪問功能。

基于上述要求，本文選用DAM- PT16型溫度采集器，它支持16通路的PT-100溫度采集，測量芯片采用24位A/D轉(zhuǎn)換器，精度可達(dá)到0.02℃，有RS485接口，支持Modbus協(xié)議，能夠很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，配合裸露式PT-100溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)排煙道表面溫度的有線采集。

4）無線溫度采集設(shè)備選擇

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，無線溫度采集方式主要是用于對(duì)樓頂排煙道表面溫度的測量。為了能夠?qū)o線測量節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)可靠地傳輸給PLC，需要借助無線接收器來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)排煙道走向，所選用的無線設(shè)備必須有很強(qiáng)的隔墻傳輸能力，并能夠抵抗廚房環(huán)境帶來的干擾。

鑒于此，本文選用的是NT78型號(hào)的無線采集設(shè)備，它支持433MHz免申請(qǐng)ISM頻段，頻移鍵控（frequency-shift keying, FSK）調(diào)制解調(diào)技術(shù)，利用Lora協(xié)議進(jìn)行無線通信，適合在樓宇內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，信號(hào)可覆蓋3～5層，能滿足在樓頂排煙道表面布置無線節(jié)點(diǎn)并完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，有RS-485端口，支持Modbus協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)PLC與其進(jìn)行從協(xié)議通信。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

依據(jù)上述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及設(shè)備選型，在實(shí)驗(yàn)室里完成對(duì)各個(gè)模塊的組建，并分模塊地進(jìn)行測試，在驗(yàn)證各個(gè)模塊功能的正確性后，將各個(gè)模塊進(jìn)行硬件連接以完成整套溫度采集系統(tǒng)的搭建。通過可編程計(jì)算機(jī)上的TIA博途軟件，編寫基于Modbus協(xié)議的讀寫程序及數(shù)據(jù)處理程序，下載到PLC中，實(shí)現(xiàn)PLC與溫度采集器、無線接收器的通信和數(shù)據(jù)處理。最后，通過簡單的測溫實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證整個(gè)測溫系統(tǒng)的可行性。

3.2 現(xiàn)場測量

基于實(shí)驗(yàn)室中搭建的測溫系統(tǒng)，本文以某高校食堂排煙道為測量對(duì)象，全長四十多米，依據(jù)其食堂排煙道的實(shí)際走向，在排煙道上進(jìn)行溫度傳感器的布點(diǎn)安裝，搭建起現(xiàn)場溫度采集系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)電纜將可編程計(jì)算機(jī)與PLC連接，啟用TIA博途軟件的在線監(jiān)視功能，對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，待測量頻率、數(shù)據(jù)顯示等正確后，說明溫度采集系統(tǒng)工作正常，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排煙道溫度的實(shí)時(shí)采集，現(xiàn)場溫度采集系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場溫度采集系統(tǒng)圖

當(dāng)食堂正常工作，排煙系統(tǒng)投入使用時(shí)，PLC起動(dòng)并以3s一次的頻率分別對(duì)無線接收器和溫度采集器的寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取并存儲(chǔ)，一直持續(xù)到排煙系統(tǒng)投入運(yùn)行結(jié)束，其中3個(gè)節(jié)點(diǎn)的部分實(shí)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 節(jié)點(diǎn)測量數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)據(jù)處理

以食堂正常工作時(shí)間為時(shí)間段，分別對(duì)現(xiàn)場實(shí)測得到的排煙道溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。為了保證能簡便而有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)排煙道表面溫度的預(yù)測，本文選用基于最小二乘的預(yù)測算法?，F(xiàn)將節(jié)點(diǎn)1在一個(gè)工作時(shí)間段的測量數(shù)據(jù)，通過滑動(dòng)最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖4所示，部分詳情如圖5所示。

圖4 一個(gè)工作時(shí)間段的擬合曲線

圖5 2500～2750s之間的擬合曲線

從圖4和圖5可以看出，基于3個(gè)歷史數(shù)據(jù)的滑動(dòng)最小二乘法，可以很好地對(duì)測量的數(shù)據(jù)值進(jìn)行擬合預(yù)測。通過誤差計(jì)算，預(yù)測值與實(shí)際值偏差小于0.5℃，預(yù)測值準(zhǔn)確度很高，可以實(shí)現(xiàn)排煙道由于溫度過高而引起火災(zāi)的預(yù)警。

另外，由圖6看出，基于最小二乘法進(jìn)行預(yù)測還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫變的快速反應(yīng)，能在短時(shí)間內(nèi)識(shí)別排煙道內(nèi)的“爆燃”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)成因②引發(fā)的火災(zāi)探測，同時(shí)也驗(yàn)證了在PLC內(nèi)嵌入該算法的正確性。并且該算法根據(jù)測量對(duì)象的不同，通過修改預(yù)測參數(shù)值，可以改變預(yù)測算法對(duì)溫升敏感度，從而提高或降低對(duì)溫變的響應(yīng)時(shí)間。

圖6 預(yù)測算法對(duì)溫變的響應(yīng)

3.4 判決算法設(shè)計(jì)

基于廚房排煙道的火災(zāi)成因及特點(diǎn)，在完成對(duì)排煙道的表面溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及預(yù)測算法設(shè)計(jì)后，下面說明對(duì)火災(zāi)預(yù)警及探測的判決方法設(shè)計(jì)。

1）排煙道持續(xù)高溫引發(fā)火災(zāi)的預(yù)測判決設(shè)計(jì)

每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)都需要依據(jù)可燃物的燃點(diǎn)以及排煙道不同時(shí)段的工作狀態(tài)，結(jié)合天氣、使用情況等方面因素，設(shè)定閾值，通過最小二乘法所得預(yù)測值與閾值比較判斷。若排煙道內(nèi)的溫度大于閾值，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并斷電、斷氣，停止繼續(xù)使用灶具，提醒消防人員以及工作人員，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生。

2）“爆燃”引起火災(zāi)的探測判決設(shè)計(jì)

基于3個(gè)歷史值的最小二乘法預(yù)測所得數(shù)值中包含一定未來溫度的發(fā)展趨勢(shì)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)“爆燃”溫度——溫度驟然升高狀態(tài)——的快速識(shí)別，需要在區(qū)別煙道正常工作時(shí)的溫度波動(dòng)的同時(shí)，抓住火災(zāi)發(fā)生初期溫度變化的趨勢(shì)，并進(jìn)行放大后判決。

而最小二乘法，可以通過修改預(yù)測參數(shù)，來提高或降低對(duì)這種趨勢(shì)的敏感度，根據(jù)這一特性，來判定當(dāng)前煙道內(nèi)是否發(fā)生“爆燃”，再結(jié)合正常使用時(shí)預(yù)測值與實(shí)際值的偏差設(shè)定閾值，當(dāng)絕對(duì)偏差超過閾值時(shí)，證明排煙道內(nèi)很有可能發(fā)生了“爆燃”現(xiàn)象，報(bào)警。為了斷定火災(zāi)是否真的發(fā)生，預(yù)警系統(tǒng)也會(huì)再次進(jìn)行判決，以驗(yàn)證排煙道內(nèi)是否發(fā)生了火災(zāi)。若發(fā)生火災(zāi)，排煙系統(tǒng)需要停止使用，并采取應(yīng)急措施，報(bào)警請(qǐng)求消防滅火。

總結(jié)

綜上，通過對(duì)廚房排煙道火災(zāi)的成因及火災(zāi)特點(diǎn)研究，本文設(shè)計(jì)的廚房排煙道火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種主要原因引發(fā)的火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警和探測。以PLC為中央控制單元，溫度傳感器為測量設(shè)備，Modbus為傳輸協(xié)議，無線有線兩種采集模式組成的系統(tǒng)可以有效應(yīng)對(duì)食堂的復(fù)雜環(huán)境，達(dá)到火災(zāi)探測和預(yù)警的目的。

另外，通過這種僅依靠測量排煙道表面溫度就可探測和預(yù)警排煙道火災(zāi)的方法，方便對(duì)現(xiàn)有排煙系統(tǒng)進(jìn)行改造，在不破壞排煙道的基礎(chǔ)上提高廚房防火安全等級(jí)，獨(dú)立于排煙道的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)也便于后期的運(yùn)行與維護(hù)，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。