上海光华建筑规划设计有限公司乌鲁木齐分公司 新疆乌鲁木齐 830001
摘要：本文通过讨论目前PLC技术应用于建筑正压送风系统的控制可靠性，提供优化设计意见，供大家参考。
笔者从事给排水、暖通设计工作以来，经历了建筑内部防排烟设计从基本有据可依到完全有据可依，因为《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017于2018年8月1日正式发布和执行。之所以说之前建筑防排烟设计是基本有据可依的原因是《建筑防烟排烟系统技术标准》发布之前，防排烟设计依据就只有《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95里的为数不多的条款，而公式很多都是当时规范编写者从国外借鉴来的，特别是正压送风的有些风量计算公式甚至不全，最有参考价值的依据是规范正文的正压送风量参考表。《建筑防烟排烟系统技术标准》的发布，据说也是经历了不断论证、修改，非常的来之不易，在此向规范编写者表示感谢。新规范不但完善了条文条例，而且设计计算内容非常丰富和有据可查，同时增加了很多条款，都是原来工作中毫无概念的知识。
比如《建筑防烟排烟系统技术标准》3．4．4 条机械加压送风量应满足走廊至前室至楼梯间的压力呈递增分布，余压值应符合下列规定：
1、前室、封闭避难层（间）与走道之间的压差应为25Pa～30Pa；
2、楼梯间与走道之间的压差应为40Pa～50Pa；
3、当系统余压值超过最大允许压力差时应采取泄压措施。
此规范条文，在《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95（已废止）里，只对正压送风区域（楼梯间、前室）正压送风风压值有规定（30Pa~50Pa），却忽略压差值是相对的，不是绝对的。做个假设，假如前室或合用前室正压送风压力满足了30Pa的要求，但唯一与前室相通的走道风压是80Pa，那正压送风系统必然失效，烟气通过前室或合用前室甚至可能进入防烟楼梯间，那对火灾发生时的人员疏散简直是灾难。所以3.4.4条对直接对防烟区域与非防烟区域的压差进行规定是非常有必要的。同时，3.4.4第三款又规定了当系统余压值超过最大允许压力差时应采取泄压措施。对于泄压措施，在《建筑防烟排烟系统技术标准》发布以前，笔者都是在正压送风区域设置余压阀（如图1），防烟楼梯间与前室、合用前室之间设置余压阀（设置泄压值为50Pa），前室、合用前室与相连走道之间设置余压阀（设置泄压值为30Pa）。但这样设计，看似满足规范要求，其实却存在问题。一是余压阀时间久了可能故障，打不开或过早打开，控制风压值为开环，无反馈机制。二是不能满足与走道压差值的要求。
此时，建筑内部正压送风系统就需要自动、精确、闭环、可恢复的控制系统。而PLC技术的应用可满足此需求。
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PLC技术（俗称单片机），是指可编程逻辑控制器。是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。简言之，就是通过对微型电脑芯片编程，控制设备的工艺。笔者业余学习汽车原理，由于PLC技术已广泛应用于电喷汽车的运行控制，比如根据不同进气量控制喷油时间、全车车窗升降、故障反馈、ABS防抱死系统、ESP车身稳定系统、发动机电脑对整车的控制，所以笔者对PLC技术有相对深刻的了解。
PLC技术目前应用于消防系统的有：防烟、排烟系统、消防水泵启动和巡检及报错系统等。PLC在防烟系统的运用：楼梯间或前室正压送风一般要求风压大于走道压力30~50Pa，风压小不能满足防烟要求，且要满足最不利层的压力要求，所以选取防烟风机一般压力值都比计算值大。但过大的风压又会导致疏散门开启困难，不利于疏散，同时，不同着火层对压力值要求又不同。而PLC技术的运用完美解决了这一问题。在疏散楼层走道和前室、楼梯间设置压力传感器（如图2）反馈至正压送风机，正压送风机端设有CPU和伺服电机，伺服电机控制正压送风机的旁通阀开度。当疏散楼层的压力值超压时，CPU控制伺服电机将旁通阀开大，直至疏散层压力值正常。若走道与送风部位压力差值降低至30Pa以下，CPU控制伺服电机将旁通阀关小，让更多的风进入建筑内部，直至风压回归至正常范围内。
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《建筑防烟排烟系统技术标准》发布后，有一厂家曾邀请笔者了解其产品，笔者在和该厂家技术员深度沟通后，确认该厂家将PLC技术应用于防烟系统正是以上所述的控制原理。相对于原来的正压送风系统，进步的地方是闭环控制，但仔细思考，却有问题。
一、分析
如图3，防烟楼梯间、合用前室均设置正压送风系统，且在送风区域设置压力传感器。火灾发生时，规范规定开启着火层及其上下层的前室正压送风口。
情况1：所有防火门正常关闭。疏散时，最先开启的防火门一定是着火层的门1，那么合用前室的大量新风随着门开启进入走道，走道与合用前室压差降低，低于30Pa时，CPU控制屋顶风机的旁通阀开度变小直至关闭以提高前室和合用前室之间的压差。随着风压的增大，着火层满足风压要求，但与着火层相邻的上下层的风压可能超压，超压后，必然影响该层门1的开启，规范没有规定送风区域压强不得超过多少，笔者查阅资料，发现确实不容易规定，因为本身防火门就有一定的闭合力，而人开启门时需要的力又和门把手与铰链之间的距离有关。很多人对风大了门打不开没概念，笔者作为一个青壮年曾遇到过在户外风大时开启车门困难的情况。另外还有一点就是，《建筑防烟排烟系统技术标准》对风量要求较大，远大于以前《高层民用建筑设计防火规范》对风量的规定。
情况2：虽然防火门全部都是自动闭合的，但实际情况却是，门1平时大都开启，门2大都关闭。火灾发生时，合用前室正压送风口开始送风，由于合用前室和走道可以认为只存在动压差，动压计算公式如下：
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ρ指空气密度，1.293千克/立方米；
v指门1处的风速，《建筑防烟排烟系统技术标准》对门1处的风速规定为0.7m/s。
事实上，v的值会随着送风进程从0到某个值，降到0。规范规定正压送风口风速小于7m/s，7m/s时，正压送风口的动压h为29.4Pa，而门1处的动压绝对小于29.4Pa。所以无论静压、瞬时动压都不能满足合用前室与走道之间的30Pa压差，此时CPU控制屋顶风机的旁通阀关闭以提高走道与合用前室之间的压差，但事实上旁通阀关闭时也不能达到合用前室与走道之间规范规定的30Pa的压差。实际设计时，由于大家都觉得有旁通阀自动控制风压，选用的风机风压比较大，此时会产生严重的副作用：通过走道疏散的户门会因为风压过大而打不开!
由此可以看出，看似完美的PLC技术应用于正压送风系统却存在很多不完美。
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二、解决方案
CAN网络是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），最早由德国博世公司开发应用于汽车的动力系统（防抱死系统、车身稳定系统等）、舒适系统（灯光系统、自动雨刷系统等），目前已成为是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。某医院现有5台16T/H燃气锅炉，向洗衣房、制剂室、供应室、生活用水、暖气等设施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然气1200万m3，耗用20万吨自来水。医院采用接力式方式供热，对热网进行地域性管理，分四大供热区。其中冬季暖气的用气量很大，据此设计了基于CAN现场总线的分布式锅炉蒸汽热网智能监控系统。现场应用表明：该楼宇自动化系统具有抗干扰能力强，现场组态容易，网络化程度高，人机界面友好等特点。
简单说，CAN网络具有轻量化、多终端、响应速度快、可编译为其他协议信号与其他系统共享数据及被控制的特点。
笔者认为，要从根本上对正压送风系统的控制加以优化、改进，必须采用变风量正压送风口、控制系统结合防火门闭门器信号及执行，再以PLC系统控制为核心，CAN网络为基础，风机口风阀和正压送风口为执行元件的综合体。控制原理图如图4和图5。
门1为带电动闭门器及启闭信号反馈的常开或常闭防火门。通常防火门启闭信号都直接反馈给消防控制室。在此，笔者认为系统可改进为两种布置类型。
第一种布置如图4，正压送风系统为独立CAN网路，通过网关CPU共享常开防火门启闭信号。火灾发生时，不管消防控制室得到火灾信号控制正压送风系统开启，还是正压送风系统就地开启，反馈至消防控制室，都发送给门1电动闭门器，使其闭合的同时，开始正压送风。
第二种布置如图5，常开防火门启闭信号及执行机构都接入正压送风系统CAN网络。火灾发生时，送风的同时关闭常开防火门。通过网关CPU，消防控制室一样能监控及控制整个系统。
以上两种情况，CPU只关闭送风层门1，其他层只做信号反馈。至此，情况2得以解决。
为了解决情况1，合用前室正压送风口改为可变风量型，通过风阀控制开度以调节正压送风风量，同时反馈开度，以达到风压差大过大时减小开度，风压差过小时增大开度。情况1发生时，CPU结合门1开启信号，控制风机处旁通阀关小提高着火层的送风量以提高合用前室与走道的压差，但由于已得到门1开启的信号，风量不得无限提高，当走道压力传感器反馈其绝对压力已达到50Pa时，风机处旁通阀停止减小，因为走道50Pa时可认为已起到绝对的防烟效果，再大可能就影响户门开启。同时，着火层上下层前室正压送风口开度减小以保持合用前室与走道的风压差不再扩大。至此，情况1解决。
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三、扩展
CAN网络在汽车上的广泛使用，大概是在2000年~2005年。之前的使用都是点对点，比如一个开关对应一个灯泡。CAN网络的优势在于每个终端都有地址码，每个灯光、每个车门、每个车窗都可以接入公用CAN网络，信号在CAN网络中，每个设备都可以接收到，但只对特定地址码的终端有效。所以CAN网络的使用，使汽车线缆足足少了27KG，这对节能减排做出了很大的贡献。
而现在造一个建筑，不但要绿色，还要智能。有鉴于此，笔者认为，能使一个建筑真正智能，CAN网络的使用势在必行。一个中心机房，配合几十上百个终端，整个建筑的状况了如指掌。甚至于每一个防火门的启闭、每一个风口的开启都可在中心机房的控制中心显示和控制。同时，他又可通过网关CPU编译为其他通用的协议（例如可编译为USB通用协议），比如可以反馈换热站运行状态至热力公司，而不需要多种线缆。另外，CAN网络可以在单线故障模式运行，容错率高。
所以笔者认为，智能建筑的推广，离不开PLC技术（编程控制）和CAN网络（数据传输、协议转换）。
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参考文献：
【1】中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑设计防火规范【J】.北京：中国计划出版社
【2】中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑防烟排烟系统技术标准【J】.北京：中国计划出版社
【3】电机拖动与电控技术【D】.北京：电子工业出版社