一种超高层建筑远程高效排烟防火监控方法及物联网管理系统与流程

本发明涉及消防领域，具体涉及一种超高层建筑远程高效排烟防火监控方法及物联网管理系统。

背景技术：

现今，很多区域内，特别是城市、城镇中心、工厂聚集地，各类超高层建筑物密集分布，随之，超高层建筑物的消防安全性亦成为人们日渐关注的问题。

传统的消防防烟系统(设备)维护、安全监测需要人工现场作业来完成，这种方式费时费力、成本高且不能及时发现消防防烟系统隐患，往往是消防防烟系统停止运行或者出现故障较长时间后才由维修人员检修发现，消防防烟系统设备的安全运行与监管工作面临巨大挑战。传统的消防防烟系统管理维护方式已远远不能适应当前形势的需要。

随着变频调速技术的日益成熟，为实现恒压送风提供了可靠的技术条件。以往由于技术条件限制和出于成本考虑，通常采用变频器结合定时器的开环控制方式实现粗略送风。目前虽然采用变频器和压力传感器，构成闭环控制系统，调节送风机的输出流量实现恒压供风，但都存在两个缺点：

1.控制算法过于简单，采用简单的开关逻辑控制调节压力。例如，压力值超过某一上限值时送风机电机停止运行，当压力值低于某一下限值时启动送风机电机；总的来讲，上述控制方式都是通过设定压力门限值来调节风压的。如果风压的上下限差值较小，则恒压控制的精度较高，但易造成送风机电机的频繁启停，缩短电机使用寿命，如果风压的上下限差值较大，则恒压控制的精度就会变差。

2.采用模拟方式设定风压值，通常的做法是用一滑动电位器调节电压大小作为给定风压值。这种方式虽节省成本，但由于滑动电位器的使用寿命有限，使用次数过多后，电位器炭膜容易磨损，产生空转误差，使得设定值有较大的偏差。

因此，需要提出新的远程作业的超高层建筑远程高效排烟防火监控方法及系统，以克服上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种超高层建筑远程高效排烟防火监控方法，实时监控分布在各楼层建筑的消防防烟风机的状态数据，以及消防防烟风机的周围环境现场数据；以便及时预先得知并应对各楼层建筑的排烟防火应急状态。本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法还设计消防防烟风机主动自动恒压控制：基于pid(比例积分微分)闭环变频控制，能达到无误差的恒压控制，同时利用plc(可编程控制器)有机组合，实现精确的数字化风压值设定，并在节能效果上有明显提高的恒压装置送风节能。

本发明目的还提供一种实施上述方案的超高层建筑远程高效排烟防火监控方法物联网管理系统，以实现对于排烟防火设备的远程作业。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超高层建筑远程高效排烟防火监控方法，该远程高效排烟防火方法包括如下：

(1)、消防防烟风机物联网适配器获取分布在各楼层建筑的消防防烟风机的状态数据，所述状态数据包括消防防烟风机的实时运行状态数据、以及消防防烟风机的周围环境现场数据；以便及时预先得知应对各楼层建筑的排烟防火应急状态；

(2)、消防防烟风机物联网适配器通过物联网数据云平台将消防防烟风机的实时运行状态数据以及消防防烟风机的周围环境现场数据发送至物联网应用平台；

(3)、物联网应用平台接收与存储消防防烟风机的实时运行状态数据以及消防防烟风机的周围环境现场数据，并对上述数据进行大数据分析与处理，物联网应用平台根据上述数据生成控制指令；

(4)、物联网应用平台通过物联网数据云平台以及消防防烟风机物联网适配器将控制指令发送至消防防烟风机，以使得消防防烟风机根据控制指令对消防防烟风机的运行状态进行相应控制。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法进一步优选，所述消防防烟风机物联网适配器获取消防防烟风机的状态数据包括：所述消防防烟风机物联网适配器通过与消防防烟风机上的控制模块或消防防烟风机控制器建立连接，获取所述消防防烟风机的原始实时运行参数；所述消防防烟风机物联网适配器对所述原始实时运行参数进行处理，得到所述状态数据中的所述实时运行参数；

和/或，所述消防防烟风机物联网适配器通过安装在所述消防防烟风机周围的传感器获取所述消防防烟风机的原始周围环境信息；所述消防防烟风机物联网适配器对所述原始周围环境信息进行处理，得到所述状态数据中的周围环境的现场数据。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法进一步优选，该远程高效排烟防火方法还包括消防防烟风机主动自动恒压控制：消防防烟风机传感器获取消防防烟风机的周围环境现场数据后，将当前状况反馈到消防防烟风机自动恒压装置，内置pid控制器的变频器接收来自可编程控制器件的控制指令和传感器反馈信号，通过pid控制器的调节来控制变频器的输出，通过变频器启动消防防烟风机自动调节风量风压。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法进一步优选，所述可编程控制器是整个消防防烟系统自动恒压装置控制的枢纽，通过可编程控制器件程序处理后传至变频器，决定变频器的给定频率，同时读取变频器的参数，可编程控制器与变频器通信的具体流程包括：

s1：对状态寄存器初始化，发送呼叫帧；

s2：接收字符是否为呼叫帧，是则转至s3，否则转至s9；

s3：接收字符是否为呼叫帧，是则转至s6，否则转至s4；

s4：接收字符是否为ack应答，是则转至s7，否则转至s5；

s5：接收字符是否为end应答，是则转至s8，否则转至s9；

s6：发送帧头；

s7：发送数据；

s8：发送帧结束标志；

s9：错误处理；

s10：下一帧等待，返回s1。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法进一步优选，所述pid控制器所采用的结构式为：mn＝mpn+min+mdn，其中，mn为第n采样时刻的计算值，mpn为第n采样时刻的比例项值，min为第n采样时刻的积分项值，mdn为第n采样时刻的微分项值。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法进一步优选，所述pid控制器控制算法是实现消防防烟系统自动恒压调节风量风压和达到节能效果的关键，风压误差信号是pid算法处理的对象，经pid算法自动调节后得到频率值，变频器输出对应于该频率值的三相交流电，带动电机运转，使得风压误差逐渐消除；

(1)基本原理

通过pid算法来调节输出，保证偏差值e为零，使系统达到稳定状态，在系统中，偏差值e是给定值sp(希望值)和过程变量pv(实际值)的差，其控制原理基于下面的算式：

m(t)＝kce+kc∫edt+mo+kcdedt

其中：

m(t)为pid回路的输出，是时间的函数；

kc为pid回路的增益；

e为pid回路的输入，即给定值与过程变量之差；

mo为pid回路输出的初始值；

(2)pid算法的离散化

为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值，数字计算机处理的算式如下：

mn＝kcen+kiσ1nen+mo+kd(en-en-1)

其中：

mn为第n个采样时刻pid回路输出值；

kc为pid回路的增益；

en为第n个采样时刻的偏差值；

en-1为第n-1个采样时刻的偏差值，偏差前项；

ki为积分项的比例常数；

kd为微分项的比例常数；

mo为pid回路输出的初始值。

由于计算机从第一次采样开始，每一个偏差采样值必须计算一次输出值，因此只需要保存偏差前值和积分项前值，利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为：

mn＝kcen+kien+mx+kd(en-en-1)

其中：

mn为第n个采样时刻pid回路输出值；

kc为pid回路的增益；

en为第n个采样时刻的偏差值；

en-1为第n-1个采样时刻的偏差值，偏差前项；

ki为积分项的比例常数；

kd为微分项的比例常数；

mx为第n-1个采样时刻的积分项，积分项前值。

一种超高层建筑远程高效排烟防火物联网管理系统，包括：

消防防烟风机，用于根据控制指令对所述消防防烟风机的运行状态进行相应控制；

消防防烟风机物联网适配器，所述消防防烟风机物联网适配器，用于获取所述消防防烟风机的状态数据，所述状态数据包括消防防烟风机的实时运行状态数据以及消防防烟风机的周围环境现场数据；所述消防防烟风机物联网适配器还用于通过物联网数据云平台将消防防烟风机的实时运行状态数据以及消防防烟风机的周围环境现场数据发送至物联网应用平台；

与消防防烟风机对应的物联网数据云平台；

与消防防烟风机对应的物联网应用平台，所述物联网应用平台用于接收与存储消防防烟风机的实时运行状态数据以及消防防烟风机的周围环境现场数据，并对上述数据进行大数据分析与处理，物联网应用平台根据上述数据生成控制指令；所述物联网应用平台还用于通过物联网数据云平台以及消防防烟风机物联网适配器将控制指令发送至消防防烟风机，以使得消防防烟风机根据控制指令对消防防烟风机的运行状态进行相应控制。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火物联网管理系统进一步优选，所述消防防烟风机物联网适配器包括：采集模块、处理模块及接口模块；

所述采集模块，用于通过与消防防烟风机上的控制模块或消防防烟风机控制器建立连接，获取所述消防防烟风机的原始实时运行参数；

所述处理模块，用于对所述原始实时运行参数进行处理，得到所述状态数据中的所述实时运行参数；和/或，所述采集模块，还用于通过安装在所述消防防烟风机周围的热泵传感器获取所述消防防烟风机的原始周围环境信息；所述处理模块，还用于对所述原始周围环境信息进行处理，得到所述状态数据中的所述周围环境信息；

所述接口模块，用于与消防防烟风机之间成功建立连接，所述连接包括物理连接以及逻辑连接，所述逻辑连接的建立根据预置协议进行建立；所述接口模块，还用于通过成功建立的所述连接获取所述消防防烟风机状态数据。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火物联网管理系统进一步优选，还包括自动恒压装置，所述自动恒压装置嵌入在消防防烟风机内，所述自动恒压装置包括内置pid控制器的变频器，可编程控制器，消防防烟风机、变频器、pid控制器构成系统的闭环环节；消防防烟风机传感器获取消防防烟风机的周围环境现场数据后，将当前状况反馈到消防防烟风机自动恒压装置，内置pid控制器的变频器接收来自可编程控制器的控制指令和传感器反馈信号，通过pid控制器的调节来控制变频器的输出，通过变频器启动消防防烟风机自动调节风量风压。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火物联网管理系统进一步优选，所述消防防烟风机传感器包括摄像头、温度传感器、风速风向仪、压力传感器或红外传感器。

本发明有益效果：

1、本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法及系统，能够在远程实时监控分布在各楼层建筑的消防防烟风机的状态数据，以及消防防烟风机的周围环境现场数据；以便及时预先得知并应对各楼层建筑的排烟防火应急状态。可以根据状态数据实时了解消防防烟风机的运行状态并下发控制指令，不需要人工对消防防烟风机进行安全监测以及故障检测，并能及时发现消防防烟风机隐患，保证了消防防烟风机的安全运行，可实现真正的无人看守运行。

2、本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法及系统，还设计消防防烟风机主动自动恒压控制：基于pid(比例积分微分)闭环变频控制，能达到无误差的恒压控制，同时利用plc(可编程控制器)有机组合，实现精确的数字化风压值设定，并在节能效果上有明显提高的恒压装置送风节能。

3、本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法及系统，由于采用pid闭环控制算法对电机实现连续调速，送风机电机不会出现反复停启的现象，提高供风系统的恒压控制精度，降低误差。

4、本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法及系统，由于采用变频器和pid控制算法相结合的方式，对电机实时进行优化调速，与传统开环控制效果相比较，节能效果上有较大提高，可以提高20个百分点以上。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

附图说明

图1所示为本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控流程图；

图2所示为本发明超高层建筑远程高效排烟防火物联网管理系统模块结构示意图；

图3所示为本发明自动恒压装置模块结构示意图；

图4所示为本发明plc和变频器间串行通信流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅附图1至图4。

本实施例提供的超高层建筑远程高效排烟防火监控方法，该远程高效排烟防火方法包括如下：

(1)、消防防烟风机物联网适配器20获取分布在各楼层建筑的消防防烟风机10的状态数据，所述状态数据包括消防防烟风机10的实时运行状态数据、以及消防防烟风机10的周围环境现场数据；以便及时预先得知应对各楼层建筑的排烟防火应急状态；

(2)、消防防烟风机物联网适配器20通过物联网数据云平台30将消防防烟风机10的实时运行状态数据以及消防防烟风机10的周围环境现场数据发送至物联网应用平台40；

(3)、物联网应用平台40接收与存储消防防烟风机10的实时运行状态数据以及消防防烟风机10的周围环境现场数据，并对上述数据进行大数据分析与处理，物联网应用平台40根据上述数据生成控制指令；

(4)、物联网应用平台40通过物联网数据云平台30以及消防防烟风机物联网适配器20将控制指令发送至消防防烟风机10，以使得消防防烟风机10根据控制指令对消防防烟风机10的运行状态进行相应控制。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法进一步优选，所述消防防烟风机物联网适配器获取消防防烟风机的状态数据包括：所述消防防烟风机物联网适配器通过与消防防烟风机上的控制模块或消防防烟风机控制器建立连接，获取所述消防防烟风机的原始实时运行参数；所述消防防烟风机物联网适配器对所述原始实时运行参数进行处理，得到所述状态数据中的所述实时运行参数；

和/或，所述消防防烟风机物联网适配器20通过安装在所述消防防烟风机10周围的传感器103获取所述消防防烟风机10的原始周围环境信息；所述消防防烟风机物联网适配器20对所述原始周围环境信息进行处理，得到所述状态数据中的周围环境的现场数据。

该远程高效排烟防火方法还包括消防防烟风机主动自动恒压控制：消防防烟风机传感器103获取消防防烟风机10的周围环境现场数据后，将当前状况反馈到消防防烟风机10自动恒压装置104，内置pid控制器的变频器105接收来自可编程控制器106的控制指令和传感器103反馈信号，通过pid控制器的调节来控制变频器105的输出，通过变频器105启动消防防烟风机10自动调节风量风压。

所述可编程控制器106是整个消防防烟系统自动恒压装置104控制的枢纽，通过可编程控制器106程序处理后传至变频器105，决定变频器105的给定频率，同时读取变频器105的参数，可编程控制器106与变频器105通信的具体流程包括：

s1：对状态寄存器初始化，发送呼叫帧；

s2：接收字符是否为呼叫帧，是则转至s3，否则转至s9；

s3：接收字符是否为呼叫帧，是则转至s6，否则转至s4；

s4：接收字符是否为ack应答，是则转至s7，否则转至s5；

s5：接收字符是否为end应答，是则转至s8，否则转至s9；

s6：发送帧头；

s7：发送数据；

s8：发送帧结束标志；

s9：错误处理；

s10：下一帧等待，返回s1。

所述pid控制器所采用的结构式为：mn＝mpn+min+mdn，其中，mn为第n采样时刻的计算值，mpn为第n采样时刻的比例项值，min为第n采样时刻的积分项值，mdn为第n采样时刻的微分项值。

所述pid控制器控制算法是实现消防防烟系统自动恒压调节风量风压和达到节能效果的关键，风压误差信号是pid算法处理的对象，经pid算法自动调节后得到频率值，变频器输出对应于该频率值的三相交流电，带动电机运转，使得风压误差逐渐消除；

(1)基本原理

通过pid算法来调节输出，保证偏差值e为零，使系统达到稳定状态，在系统中，偏差值e是给定值sp(希望值)和过程变量pv(实际值)的差，其控制原理基于下面的算式：

m(t)＝kce+kc∫edt+mo+kcdedt

其中：

m(t)为pid回路的输出，是时间的函数；

kc为pid回路的增益；

e为pid回路的输入，即给定值与过程变量之差；

mo为pid回路输出的初始值；

(2)pid算法的离散化

为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值，数字计算机处理的算式如下：

mn＝kcen+kiσ1nen+mo+kd(en-en-1)

其中：

mn为第n个采样时刻pid回路输出值；

kc为pid回路的增益；

en为第n个采样时刻的偏差值；

en-1为第n-1个采样时刻的偏差值，偏差前项；

ki为积分项的比例常数；

kd为微分项的比例常数；

mo为pid回路输出的初始值。

由于计算机从第一次采样开始，每一个偏差采样值必须计算一次输出值，因此只需要保存偏差前值和积分项前值，利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为：

mn＝kcen+kien+mx+kd(en-en-1)

其中：

mn为第n个采样时刻pid回路输出值；

kc为pid回路的增益；

en为第n个采样时刻的偏差值；

en-1为第n-1个采样时刻的偏差值，偏差前项；

ki为积分项的比例常数；

kd为微分项的比例常数；

mx为第n-1个采样时刻的积分项，积分项前值。

一种超高层建筑远程高效排烟防火物联网管理系统，包括：

消防防烟风机10，用于根据控制指令对所述消防防烟风机10的运行状态进行相应控制；

消防防烟风机物联网适配器20，所述消防防烟风机物联网适配器20，用于获取所述消防防烟风机10的状态数据，所述状态数据包括消防防烟风机10的实时运行状态数据以及消防防烟风机10的周围环境现场数据；所述消防防烟风机物联网适配器20还用于通过物联网数据云平台30将消防防烟风机10的实时运行状态数据以及消防防烟风机10的周围环境现场数据发送至物联网应用平台40；

与消防防烟风机10对应的物联网数据云平台30；

与消防防烟风机10对应的物联网应用平台40，所述物联网应用平台40用于接收与存储消防防烟风机10的实时运行状态数据以及消防防烟风机10的周围环境现场数据，并对上述数据进行大数据分析与处理，物联网应用平台40根据上述数据生成控制指令；所述物联网应用平台40还用于通过物联网数据云平台30以及消防防烟风机物联网适配器20将控制指令发送至消防防烟风机10，以使得消防防烟风机10根据控制指令对消防防烟风机10的运行状态进行相应控制。

所述消防防烟风机物联网适配器20包括：采集模块202、处理模块203及接口模块201；

所述采集模块202，用于通过与消防防烟风机10上的控制模块或消防防烟风机控制器102建立连接，获取所述消防防烟风机10的原始实时运行参数；

所述处理模块203，用于对所述原始实时运行参数进行处理，得到所述状态数据中的所述实时运行参数；和/或，所述采集模块202，还用于通过安装在所述消防防烟风机10周围的热泵传感器103获取所述消防防烟风机10的原始周围环境信息；所述处理模块203，还用于对所述原始周围环境信息进行处理，得到所述状态数据中的所述周围环境信息；

所述接口模块201，用于与消防防烟风机10之间成功建立连接，所述连接包括物理连接以及逻辑连接，所述逻辑连接的建立根据预置协议进行建立；所述接口模块201，还用于通过成功建立的所述连接获取所述消防防烟风机10状态数据。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火物联网管理系统，还包括自动恒压装置104，所述自动恒压装置104嵌入在消防防烟风机10内，所述自动恒压装置104包括内置pid控制器的变频器105，可编程控制器106，消防防烟风机10、变频器105、pid控制器构成系统的闭环环节；消防防烟风机传感器103获取消防防烟风机的周围环境现场数据后，将当前状况反馈到消防防烟风机自动恒压装置104，内置pid控制器的变频器105接收来自可编程控制器106的控制指令和传感器103反馈信号，通过pid控制器的调节来控制变频器106的输出，通过变频器106启动消防防烟风机10自动调节风量风压。

所述消防防烟风机传感器103包括摄像头、温度传感器、风速风向仪、压力传感器或红外传感器。

本发明超高层建筑远程高效排烟防火监控方法及系统的设计重点在于：

1、能够实时监控分布在各楼层建筑的消防防烟风机的状态数据，以及消防防烟风机的周围环境现场数据；以便及时预先得知并应对各楼层建筑的排烟防火应急状态。可以根据状态数据实时了解消防防烟风机的运行状态并下发控制指令，不需要人工对消防防烟风机进行安全监测以及故障检测，并能及时发现消防防烟风机隐患，保证了消防防烟风机的安全运行，可实现真正的无人看守运行。

2、设计消防防烟风机主动自动恒压控制：基于pid(比例积分微分)闭环变频控制，能达到无误差的恒压控制，同时利用plc(可编程控制器)有机组合，实现精确的数字化风压值设定，并在节能效果上有明显提高的恒压装置送风节能。

3、采用pid闭环控制算法对电机实现连续调速，送风机电机不会出现反复停启的现象，提高供风系统的恒压控制精度，降低误差。

4、采用变频器和pid控制算法相结合的方式，对电机实时进行优化调速，与传统开环控制效果相比较，节能效果上有较大提高，可以提高20个百分点以上。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。