排烟天窗同步控制系统设计探究

排烟天窗同步控制系统设计探究

问晋军 赵枫、董宽、吴楠、余泽明 周玥

中化二建集团有限公司  山西省太原市  030021

摘要：社会经济的快速发展，对建筑物消防安全及室内空气质量提出更高的要求。排烟天窗是消防安全重要组成部分，需基于建筑物实际情况，合理设计排烟天窗同步控制系统。本文通过分析系统功能需求，从电源回路、控制回路等方面进行硬件设计，从用户界面、通信处理、故障诊断等模块进行软件探究。研究表明，本次设计的排烟天窗同步控制系统具有较好的系统稳定性，可达到现场同步控制需求。

关键词：排烟天窗；同步控制；系统设计

前言：现代建筑中的排烟天窗同步控制系统，在火灾安全、节能环保、舒适性、维护便利和提高效率等方面，发挥着越来越重要的作用。该系统通过智能化控制策略，自动调节烟雾流向，提高火灾安全，降低生命财产威胁。同时，系统设计还需考虑节能环保需求，根据环境参数自动调节开度，实现自然通风，降低能耗。
1排烟天窗同步控制系统功能需求分析

1.1实时监测需求

对于排烟天窗的状态，系统应具备实时监测的能力。为确保数据的及时性和准确性，系统应定期轮询天窗的状态，并给出相应的反馈。可以通过图形化形式展现给客户，以便可更加直观了解天窗运行状态。

1.2控制功能需求

系统依据环境条件、火灾预警等信息，可自动或手动控制天窗的开启和关闭。在控制期间，应尽量减少人工干预，提高系统的自动化程度。同时，系统应具备对控制指令的记录功能，以便于后续的故障排查和操作审计[1]。

1.3故障诊断需求

当排烟天窗发生故障时，系统可快速识别并给出相应的提示，包括故障类型、可能的原因以及相应的解决方案。可以极大地提高故障处理的效率，减少因故障导致的损失。

1.4报警功能需求

排烟天窗出现故障或工作异常时，系统应及时发出报警信息。可通过声、光、震动等多种方式传达给相关人员，以便他们及时做出反应。为确保报警的有效性，系统还应具备报警级别分类的功能，对于严重故障或异常情况应给予高优先级的警报处理。
2系统软硬件设计

本次排烟天窗同步控制系统主要由烟气探测器、同步平衡器、外部联动消防报警信号、温度传感器、风雨感应器以及通风换气按钮等部分构成[2]。主要以同步平衡器作为核心，以便接收来自外围开关、外围传感以及报警等信号，精确控制天窗的开关，见图1所示。

图1 排烟天窗同步控制系统架构

2.1排烟天窗同步控制系统硬件设计

2.1.1 电源回路

电源回路是排烟天窗同步控制系统的能源供给部分，其主要功能是实现整流和调压，为开窗器和单片机控制器提供所需的电压。具体设计如下：

（1）整流电路

整流电路的功能是将交流电转换为直流电，为后续的电压调节提供基础。为了保证电源的稳定性，本次系统硬件设计主要选择全波整流器。将整流桥作为整流电路主要器件，主要是将四个二极管封装在一起，为系统提供24V直流电源[3]。

（2）稳压电路

为确保输出电压的稳定性，设计稳压电路，其可以根据系统的需求，对整流后的直流电进行稳压处理，保证开窗器和单片机控制器得到稳定的电压供应。

   系统主控制器模块主要采用功耗较低的LM317型三端稳压器进行供电。同时，为确保电路稳定，将二极管接入电路中，避免因电路电容放电破坏稳压器。稳压输出电压方法见式（1）：

                    （1）

  其中，是LM317与调节端标称参考电压，是编程电流。

（3）驱动电路

驱动电路负责将单片机控制器的信号放大，为开窗器提供足够的动力。通过适当的驱动电路设计，可以确保开窗器正常工作，同时提高系统的可靠性。

图2 电动驱动回路示意图

   如图2所示，驱动电路主要是为驱动芯片提供开窗电压，并通过单片机输出进行控制。同时，Q7三极管主要以推挽的方式存在电路中，在电路运行期间，三极管只有一个导通，通过这种方式可使导通损耗较少、效率较高。

2.1.2 控制回路

（1）负载检测及过载保护

为确保天窗的正常运行和防止过载导致的设备损坏，本次硬件设计，主要在控制回路中，加入负载检测及过载保护功能。当检测到过载情况时，系统会自动采取相应的保护措施，如关闭天窗或降低其运行速度。

（2）速度检测

速度检测功能用于实时监测天窗的运行速度。通过与预设的速度阈值进行比较，系统可以判断天窗是否在正常范围内运行。如果发现异常速度，系统将立即采取相应的控制措施，以确保天窗的安全运行。  

2.2软件设计

排烟天窗同步控制系统软件设计的核心架构采用模块化设计思想，将整个系统划分为多个独立的功能模块，系统软件设计部分主要由用户界面、通信协议、数据处理以及故障诊断模块构成，确保系统的可扩展性和可维护性[4]。

（1）用户界面

界面布局充分考虑用户习惯和操作便捷性，通过图形、文本、颜色等元素进行信息展示，同时提供友好易用的交互操作，如按钮、输入框等。用户可以通过界面实时监控排烟天窗的工作状态，并进行相应的控制操作。

（2）通信协议

本次系统本系统主要采用串行通信协议，如Modbus或Profibus等，确保数据传输的准确性和实时性。通信协议还支持多种数据格式的传输，满足不同设备的通信需求。

（3）数据处理模块

数据处理模块负责接收、解析和处理来自各模块的数据信息。该模块能够实时采集排烟天窗的工作数据，如电压、电流、风速等，并进行相应的数学运算和处理。

（4）故障诊断

模块能够实时监测各模块的工作状态和参数变化，一旦发现异常情况，立即发出警报，并提示故障位置和原因。故障诊断模块还支持远程故障诊断功能，方便用户进行远程维护和技术支持。
3系统应用效果

在2024年3月20日至6月30日期间，本次设计的排烟天窗同步控制系统经过多次试运行发现，其系统可实时控制天窗启动及停止，响应时间不超过3ms，并且其精度可达±1mm。研究表明，该系统的响应时间及同步精度达到预定要求，具有较高的实际应用效果。
4结论
总之，在设计排烟天窗同步控制系统时，需考虑硬件和软件两方面。硬件方面，电源回路作为系统的能源供给部分，必须能够稳定地为开窗器和单片机控制器提供所需的电压，确保系统的正常运行。而软件方面，用户界面应当简洁明了，方便用户进行操作；通信处理需要快速准确，保证信息的及时传递；故障诊断则要能够快速识别出故障类型，并提供相应的解决方案；同时，报警功能也要能够及时发出警报，并且对严重故障或异常情况进行分类处理。通过不断的优化和完善，可确保消防排烟天窗能够实时地开启和关闭，提高系统的可靠性和安全性。

参考文献：

[1]温敏捷. 浅谈碳纤维厂房的防排烟系统设计 [J]. 消防界(电子版), 2023, 9 (03): 64-66.

[2]孙超. 地铁浅埋半地下车站自然通风与排烟方案研究 [J]. 建筑热能通风空调, 2021, 40 (07): 63-65.

[3]徐亚楠.暖通空调系统防排烟设计问题分析[J].现代物业:中旬刊,2021（3）：304-306.

[4]韩勋.暖通空调防排烟系统设计中易忽视重点问题[J].电子乐园,2022(4):55-57.