大型厨房排烟道火灾预警系统设计与数据处理
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云南民族大学电气信息工程学院的研究人员胡康飞、高飞、沈勇、孔玲玲，在2019年第10期《电气技术》杂志上撰文，通过对大型厨房排烟道火灾成因及特点的研究分析，设计了针对厨房排烟道的火灾预警系统。系统采用SIEMENS S7-1200可编程逻辑控制器为核心控制器，选用以裸露式PT-100温度传感器为基础的无线、有线两种方式作为温度采集手段，通过RS-485和Modbus协议来实现数据采集设备与控制器的硬件连接及数据传输。
经过对排烟道表面温度变化特征的实测，选用最小二乘法来实现对排烟道表面温度的预测以及对骤然温升状态的识别，达到对排烟道火灾预警的目的。
近年来，随着我国经济的高速发展和城市规模的不断扩大，餐饮服务行业得到了迅猛的发展。它们在满足人们日常餐饮需求的同时，也带来了许多消防安全问题，其中厨房排烟道火灾是需要重点研究防范的问题之一。
2017年10月，浙江湖州某家餐厅突发大火，造成火灾的主要原因是厨房排烟道清理不及时，油垢堆积严重，遇明火或高温后，油垢被引燃而引发了大火。同年12月，北京市昌平区国泰百货一家餐厅也是因厨房排烟道起火而引发了火灾，所幸处理及时，没有造成人员伤亡，但由于火灾地点位于人流密集区，巨大的浓烟给周边带来了不必要的恐慌。
2018年12月，北京航空航天大学某食堂因排烟道起火而发生火灾，幸亏消防人员及时赶到控制住火势，才没有扩大灾害。高校食堂同属于人员密集型区域，厨房消防安全在一定程度上关系到学校稳定，所以对高校厨房排烟道火灾的防范也不容忽视。
本文所进行的大型厨房排烟道火灾成因及特点分析、排烟道火灾预警系统设计具有重要的意义和价值。
1 厨房排烟道火灾特点
在对大型厨房排烟系统实地考察的基础上，本文利用Catia绘图软件建立排烟道的三维立体模型，如图1所示。它是由集烟罩、油烟净化器、排烟风机、排烟管道等设备组成。排烟道材质多为不锈钢或镀锌铁皮，形状一般呈方形管状。
通常来讲，在大型厨房里，厨师烹饪食物产生的油烟及灶火燃烧产生的废气是不可能直接排到户外的，而是需要在集烟罩与排烟风机吸力的共同作用下，携杂空气中的灰尘等固体颗粒被一同吸入排烟道，沿着烟道通过油烟净化器被排放到大气中。但在这一过程中，由于部分混合烟气与排烟道或周围冷空气发生热交换而液化附着在排烟道内壁上形成凝油层，短时间就会沉积形成油垢。
据有关研究表明，这些油垢就是发生排烟道火灾并制造浓烟的“元凶”之一，当其偶遇外界明火或源于排烟道内部长期温度过高，使得部分油垢被气化分解，一旦达到其着火点，很容易发生自燃形成火情，从而引发排烟道火灾。
图1 排烟道三维立体图
从图1中可清晰地看出，实际的排烟道结构相对封闭，走向由于实际需求及建筑物内部结构不同，存在一定差异，而排烟道从入口到出口之间通常有几十米长，这就造就了排烟道火灾具有独特的特点：
①排烟道内火灾发生初期隐蔽，不易被察觉；②由于油烟、油垢等为良好的可燃物，在排烟风机的作用下，火势蔓延速度快，经人发现后火灾可能就已经进一步扩大，极易错失最佳的灭火时机，从而增加消防的扑救难度；③排烟道一旦发生火灾，产生的高温极易引燃周边的可燃物，造成二次火灾，从而扩大火情；④火灾发生后，排烟道出口处会伴随大量的浓烟，引发周边市民恐慌，造成恶劣影响。
因此，为了保证能让整个排烟系统可以安全稳定可靠地运行、提高厨房防火等级，迫切需要研究设计一套系统来有效预防和杜绝此类灾害的发生。
2 系统设计与设备选型
2.1 系统设计
通过对厨房排烟道火灾的成因及特点分析可知，引发排烟道火灾主要有两个原因：①由于排烟道内持续的温度升高，造成油垢气化自燃而引发排烟道火灾；②由于火苗、火星在排烟风机的负压抽吸作用下随油烟一同被吸入到排烟道内，产生爆燃而引起火灾。因此，从本质上讲，它们都与温度密切相关，所以考虑选用温度这一参量来表征或作为对排烟道火灾预警和探测系统的输入量。
结合排烟道本身的封闭性特点，选择将温度传感器安装在排烟道表面，这样不仅有利于在不破坏原排烟道的基础上，完成对厨房排烟道火灾的预警，而且还便于后期的维护与检修。基于此，本文设计了基于可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）的厨房排烟道火灾预警系统，该系统主要由温度采集模块、数据处理及控制模块、电源模块三个部分组成，具体系统设计框图，如图2所示。
图2 厨房排烟道火灾预警系统设计方案框图
1）温度采集模块
传统的大多数餐饮场所排烟道的油烟入口通常位于一楼，而油烟出口位于楼顶，全长几十米。本文设计采用无线温度采集与有线温度采集并用的采集方式实现对烟道温度数据的采集。楼顶采用无线采集方式，通过含裸露式PT-100的无线测量节点完成对排烟道表面温度的测量，再利用无线接收模块实现数据的汇聚；对于厨房内部的排烟道表面温度测量则采用有线方式，将裸露式PT-100直接与温度采集设备相连，完成对温度的采集。该种测量方案有利于现场布线及设备安装。
2）数据处理及控制模块
控制器与温度采集设备依靠RS-485通信电缆来实现物理连接，并通过Modbus协议实现PLC对采集设备的主从访问，实现数据的读取。结合在PLC中内嵌的数据处理和预测判决算法，执行后输出相应动作信号，如报警信号、关断天然气信号、关断加热设备电源信号等。达到以排烟道的表面温度作为系统输入量，通过PLC进行数据处理判断，以报警信号等作为系统输出量的厨房排烟道火灾预警系统设计目的。
3）电源模块
该部分主要功能是为控制器、温度采集器、无线接收器和集线器分别提供24V直流电源供电；每一路裸露式PT-100温度传感器需要的测量电流是由温度采集器所提供，无线温度采集节点的电源采用干电池供电方式，这样就保证了系统中每部分设备都能够正常运行，共同配合以实现系统功能。
2.2 设备选型
1）传感器选型
通常，测温方式有两种：接触式测温和非接触式测温。非接触测温是通过测量目标表面所辐射的红外能量来确定表面温度的测温方法，常用的有红外测温传感器等；接触式测温是指利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度的方法，如热电偶、热电阻等。
由于实际测量对象为排烟道表面，其材质通常为不锈钢或白铁皮，在考虑成本的前提下，为保证能够准确快速地进行温度采集，本文选择用接触式测温方式。正常情况下，排烟道内部烟气温度夏季为80℃，冬季为60℃，油垢着火温度为305℃，测量温度范围主要集中在0～400℃。
由于热电偶测温还需要进行冷补偿，相较于热电阻而言，对低温测量精度差、数据处理繁琐，最终选择裸露式PT-100温度传感器，它具有体积小、精度高、响应速度快等优点，测量范围在50℃～600℃，可以很好地满足测量以及系统设计需求。
2）控制器选型
段悦团队和曲方团队都曾基于AT89C系列单片机研究设计出针对于餐饮业厨房排烟道火灾的探测系统，为排烟道火灾探测提出了一类解决方案。但由于大型厨房环境比较恶劣，干扰多、噪声大，传统的单片机控制系统难以适应厨房环境，而温度采集是将传感器内置于排烟道的测量方式，若传感器长期处于油烟环境，很容易造成测量精确度下降，甚至设备损坏。此外，他们的方案对于已建成的排烟系统，在二次改造及后期维护上也存在困难。
本文所设计的大型厨房排烟道火灾预警系统，选用的核心控制器是SIEMENS S7-1200 PLC，具有运行可靠性高、抗干扰能力强、可扩展性高、开发周期短、安装简单等优点，常用于工业领域。结合厨房实际环境，选用这款控制器作为控制系统的核心单元可以很好地达到所设计的系统功能和要求。
另外，此类控制器具有相配套的编程软件和组态软件，结合强大的通信模块，可以实现基于Modbus协议的RS- 485/422通信、基于Web的无线通信、基于以太网的Modbus-TCP通信等，具有与多种设备互联的能力，并且数据传输可靠性高，运行速度快，良好的扩展接口便于根据实际应用情况进行系统功能的删减，为系统改进完善提供了良好的条件与支持。
3）温度采集器选型
温度采集器主要用于系统的有线温度采集方式中，功能是为裸露式PT-100温度传感器提供测量电流，通过内嵌的A/D模块实现将采集得到的电信号转化成数字量并存储在寄存器。根据系统设计要求，选用的温度采集器首先要支持裸露式PT-100温度传感器的数据采集，其次是支持Modbus通信，能实现主从访问功能。
基于上述要求，本文选用DAM- PT16型温度采集器，它支持16通路的PT-100温度采集，测量芯片采用24位A/D转换器，精度可达到0.02℃，有RS485接口，支持Modbus协议，能够很好地满足系统设计要求，配合裸露式PT-100温度传感器可实现对排烟道表面温度的有线采集。
4）无线温度采集设备选择
根据系统设计的要求，无线温度采集方式主要是用于对楼顶排烟道表面温度的测量。为了能够将无线测量节点得到的数据可靠地传输给PLC，需要借助无线接收器来实现。根据排烟道走向，所选用的无线设备必须有很强的隔墙传输能力，并能够抵抗厨房环境带来的干扰。
鉴于此，本文选用的是NT78型号的无线采集设备，它支持433MHz免申请ISM频段，频移键控（frequency-shift keying, FSK）调制解调技术，利用Lora协议进行无线通信，适合在楼宇内进行数据传输，信号可覆盖3～5层，能满足在楼顶排烟道表面布置无线节点并完成数据传输的要求，有RS-485端口，支持Modbus协议，可以实现PLC与其进行从协议通信。
3 实验与数据分析
3.1 实验系统搭建
依据上述的系统设计方案及设备选型，在实验室里完成对各个模块的组建，并分模块地进行测试，在验证各个模块功能的正确性后，将各个模块进行硬件连接以完成整套温度采集系统的搭建。通过可编程计算机上的TIA博途软件，编写基于Modbus协议的读写程序及数据处理程序，下载到PLC中，实现PLC与温度采集器、无线接收器的通信和数据处理。最后，通过简单的测温实验来验证整个测温系统的可行性。
3.2 现场测量
基于实验室中搭建的测温系统，本文以某高校食堂排烟道为测量对象，全长四十多米，依据其食堂排烟道的实际走向，在排烟道上进行温度传感器的布点安装，搭建起现场温度采集系统，通过以太网电缆将可编程计算机与PLC连接，启用TIA博途软件的在线监视功能，对现场设备进行调试，待测量频率、数据显示等正确后，说明温度采集系统工作正常，可以实现对排烟道温度的实时采集，现场温度采集系统工作原理如图3所示。
图3 现场温度采集系统图
当食堂正常工作，排烟系统投入使用时，PLC起动并以3s一次的频率分别对无线接收器和温度采集器的寄存器进行数据读取并存储，一直持续到排烟系统投入运行结束，其中3个节点的部分实测数据见表1。
表1 节点测量数据
3.3 数据处理
以食堂正常工作时间为时间段，分别对现场实测得到的排烟道温度数据进行处理分析。为了保证能简便而有效地实现对排烟道表面温度的预测，本文选用基于最小二乘的预测算法。现将节点1在一个工作时间段的测量数据，通过滑动最小二乘法进行拟合，拟合曲线如图4所示，部分详情如图5所示。
图4 一个工作时间段的拟合曲线
图5 2500～2750s之间的拟合曲线
从图4和图5可以看出，基于3个历史数据的滑动最小二乘法，可以很好地对测量的数据值进行拟合预测。通过误差计算，预测值与实际值偏差小于0.5℃，预测值准确度很高，可以实现排烟道由于温度过高而引起火灾的预警。
另外，由图6看出，基于最小二乘法进行预测还能够实现对温变的快速反应，能在短时间内识别排烟道内的“爆燃”现象，实现对成因②引发的火灾探测，同时也验证了在PLC内嵌入该算法的正确性。并且该算法根据测量对象的不同，通过修改预测参数值，可以改变预测算法对温升敏感度，从而提高或降低对温变的响应时间。
图6 预测算法对温变的响应
3.4 判决算法设计
基于厨房排烟道的火灾成因及特点，在完成对排烟道的表面温度测量系统设计及预测算法设计后，下面说明对火灾预警及探测的判决方法设计。
1）排烟道持续高温引发火灾的预测判决设计
每个测量节点都需要依据可燃物的燃点以及排烟道不同时段的工作状态，结合天气、使用情况等方面因素，设定阈值，通过最小二乘法所得预测值与阈值比较判断。若排烟道内的温度大于阈值，则发出报警信号，并断电、断气，停止继续使用灶具，提醒消防人员以及工作人员，预防火灾发生。
2）“爆燃”引起火灾的探测判决设计
基于3个历史值的最小二乘法预测所得数值中包含一定未来温度的发展趋势，为了能够实现对“爆燃”温度——温度骤然升高状态——的快速识别，需要在区别烟道正常工作时的温度波动的同时，抓住火灾发生初期温度变化的趋势，并进行放大后判决。
而最小二乘法，可以通过修改预测参数，来提高或降低对这种趋势的敏感度，根据这一特性，来判定当前烟道内是否发生“爆燃”，再结合正常使用时预测值与实际值的偏差设定阈值，当绝对偏差超过阈值时，证明排烟道内很有可能发生了“爆燃”现象，报警。为了断定火灾是否真的发生，预警系统也会再次进行判决，以验证排烟道内是否发生了火灾。若发生火灾，排烟系统需要停止使用，并采取应急措施，报警请求消防灭火。
综上，通过对厨房排烟道火灾的成因及火灾特点研究，本文设计的厨房排烟道火灾预警系统可以实现对两种主要原因引发的火灾进行预警和探测。以PLC为中央控制单元，温度传感器为测量设备，Modbus为传输协议，无线有线两种采集模式组成的系统可以有效应对食堂的复杂环境，达到火灾探测和预警的目的。
另外，通过这种仅依靠测量排烟道表面温度就可探测和预警排烟道火灾的方法，方便对现有排烟系统进行改造，在不破坏排烟道的基础上提高厨房防火安全等级，独立于排烟道的火灾预警系统也便于后期的运行与维护，有一定的实际应用价值。