CN104897967B

CN104897967B - 火警系统的现场连线检测装置及方法

Info

Publication number: CN104897967B
Application number: CN201410076722.5A
Authority: CN
Inventors: 朱炳海
Original assignee: Siemens Schweiz AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2019-02-01
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: CN104897967A; EP2916303A1

Abstract

本发明提出一种用于火警系统的控制装置和控制方法，该控制装置和控制方法能够监测现场连线的线上阻抗或线间阻抗。该装置连接到线路上，且线路远端终接一容性元件。该方法包括：在至少三个不同的时间点（t₁、t₂、t₃）分别采样所述监测电源的至少三个输出电压（V₁、V₂、V₃），其中所述至少三个时间点均处于所述容性元件达到饱和之前，且所述时间点中至少有三个时间点之间满足:t₂=nt₁，t₃=(2n‑1)t₁，其中n为大于1的整数；基于所述至少三个输出电压（V₁、V₂、V₃）计算出所述线路的线上阻抗（Rc）或线间阻抗（Rs）。

Description

火警系统的现场连线检测装置及方法

技术领域

本发明总体涉及通知设备（例如，火警装置）的现场连线（Field wire）的检测，尤其涉及一种针对现场连线的线路阻抗和线间阻抗的检测。

背景技术

在火警系统中，例如声报警器或光报警器的现场器件（Device）经由现场连线（Field Wire），或称之为线路（Line），连接到该火警系统的控制器（Control Panel）。控制器（Control Panel）能够经由该线路向各个现场器件提供驱动电流，以使其发出声音和/或闪光报警。然而，现场连线可能因安装不慎或者长期使用造成的磨损而出现线路断路或线间短路的状况。目前的安全标准一般都要求较为准确地判断出线路断路或线间断路故障，即，要求一旦检测到故障则立即上报。

图1示例性地示出了现有的一种火警系统100的原理图。如图1所示，火警系统100包括控制器110、经由线路L+、L-连接到控制器110的一个或多个现场器件（Device）120、以及终接在线路L+、L-远端的终接元件（EOL：End of Line）130。在图1中，简便起见，现场器件120仅示例性地示出为扬声器，且其内部自带有用于抑制反向电流的二极管。根据需要，现场器件还可以是光报警器（Strobe），而且也可以是不自带二极管的现场器件，对于后者则需要在现场器件外部另设有一个抑制反向电流的二极管。图1中的终接元件EOL一般是例如电阻的任何阻性元件。在图1所示的例子中，控制器110具体包括驱动电源Vcc-Drive、监测电源Vcc-Mon、切换单元115、采样电路117，以及连接到切换单元115和采样电路117的控制单元（MCU）113。图1中切换单元115例如为两个联动的开关K1和K2。MCU通过其输出端Ctrl_1和Ctrl_2控制切换单元115中的两个开关K1和K2的动作。采样电路117例如包括一个能够串接在线路上的采样电阻R1。采样电阻R1上的电压MON可由MCU读取。

在图1所示的系统中，控制器110可以工作在两种模式下，即，驱动模式和监测模式。在驱动模式下，MCU113控制K1和K2切换到如图1所示位置1，即，使得驱动电源Vcc-Drive连接到线路上，以输送正向的驱动电流If。这时，每个现场器件都从线路L+、L-上获得能量并动作（例如，发声或发光）。线路上现场器件的个数与控制器的驱动能力以及线路的线损有关。在监测模式下，MCU113控制K1和K2切换到与如图1所示位置1相反的位置2。这时，控制器110中的监测电源Vcc-Mon（例如恒压源）连接到线路，以向线路上馈送反向的监测电流Ib，同时采样电路117也连接到线路中。这时，各个现场器件不工作，监测电流Ib流经整条线路且从终接元件（EOL）返回到控制器110侧。采样电路117采样线路上的监测电流大小。MCU113如果读取不到有效的监测电流，则表明出现了线路断路故障。如果MCU113监测到线路上的电流超出预定值，则表明出现了线间短路故障。

图1所示的火警系统仅根据监测到的线路上的电流大小来判断线路是否出现断路或线间短路。然而，在实际应用中，由于现场线路的长度以及现场器件数目各不相同，因而需要更为准确地或灵活地判断线路断路或线间短路的方法和装置。

发明内容

本发明一个目的在于提供一种用于火警系统的线路阻抗检测装置，该装置能够较为准确地检测出线路的线上阻抗或线间阻抗，以便为用户提供灵活的断路及短路故障判别。

根据本发明一个方面，本发明提出了一种用于火警系统的控制装置，所述控制装置能够通过线路驱动一个或多个现场器件，且在所述线路的远端适于连接有一个作为终接元件的容性元件，其特征在于，所述控制装置包括：一驱动电源，其向所述线路提供驱动电流，用以驱动所述一个或多个现场器件，所述驱动电流在所述线路上沿第一方向流动；一个监测电源，能够向所述线路提供恒定的监测电流，所述监测电流在所述线路上沿与第一方向相反的第二方向流动；一采样电路，用以采样所述监测电源的输出电压；一受控的切换单元，能够选择性地导通所述驱动电源和所述监测电源中之一到所述线路的电连接；一控制单元，连接并控制所述切换单元和采样电路，且所述控制单元在所述监测电源连接到所述线路时，能够基于在至少三个不同的时间点采样得到的至少三个输出电压，计算出所述线路的线上阻抗或线间阻抗，其中所述至少三个时间点均处于所述容性元件达到饱和之前，且所述至少三个时间点中有三个时间点之间满足:t₂=nt₁，t₃=(2n-1)t₁，其中n为大于1的整数。优选地，所述控制单元包括：获取单元，其获取所述至少三个不同的时间点下采样出的三个输出电压；计算单元，其基于电路的欧姆定律以及电容两端电压与电流之间的关系，利用所述采样得到的至少三个输出电压计算出所述线路的线上阻抗或线间阻抗。

优选地，所述计算单元基于以下公式计算所述线路的线间阻抗（Rs）：

或者，所述计算单元基于以下公式计算所述线路的线上阻抗（Rc）：

其中，Rs为线间阻抗；Rc为线上阻抗；

I为监测电源向所述线路提供的恒定电流；

V₁、V₂和V₃为在所述三个不同的时间点采样的所述三个输出电压。

更为优选地，n为2，且所述计算单元基于以下公式计算所述线路的线间阻抗（R_s）：

其中，Rc为线上阻抗，Rs为线间阻抗；

I为监测电源向所述线路提供的恒定电流；

优选地，所述控制单元还包括：判断单元，如果所计算出的线上阻抗大于预定的断路阈值，则判断所述线路出现断路故障，或者，如果所计算出的线间阻抗低于预定的短路阈值，则判断所述线路出现短路故障。

根据本发明另一个方面，本发明还提出了一种用于火警系统的线路检测方法，所述火警系统包括：控制装置、连接所述控制装置和一个或多个现场器件的线路，且在所述线路的远端适于连接有一个作为终接元件的容性元件，所述方法包括：从一监测电源向所述线路(L₊，L_-)提供恒定的监测电流，所述监测电流的电流方向与能够驱动所述现场器件的驱动电流方向相反；在至少三个不同的时间点（t₁、t₂、t₃）分别采样所述监测电源的至少三个输出电压（V₁、V₂、V₃），其中所述至少三个时间点均处于所述容性元件达到饱和之前，且所述时间点中至少有三个时间点之间满足:t₂=nt₁，t₃=(2n-1)t₁，其中n为大于1的整数；基于电路的欧姆定律以及电容两端电压与电流之间的关系，利用所述至少三个输出电压（V₁、V₂、V₃）计算出所述线路的线上阻抗（Rc）或线间阻抗（Rs）。

优选地，基于以下公式计算所述线路的线间阻抗（Rs）：

或者，基于以下公式计算所述线路的线上阻抗（Rc）：

其中，Rs为线间阻抗，Rc为线上阻抗；

I为监测电源向所述线路提供的恒定电流；

更为优选地，其中，n为2，则有且基于以下公式计算所述线路的线间阻抗（R_s）：

或者，基于以下公式计算所述线路的线上阻抗（Rc）：

其中，Rs为线间阻抗，Rc为线上阻抗；

I为监测电源向所述线路提供的恒定电流；

采用本发明提出的上述方法和装置能够较为准确并及时计算出当前线路上的线上阻抗或线间阻抗，进而能够更为及时并准确地作出是否出现短路或断路故障的判断。同时，本发明提出的上述方法和装置无需结构复杂的终接元件，且线上阻抗或线间阻抗的计算与终接的容性元件无关。由此，在火警系统搭建时，用户可以根据需要选择合适的容性元件作为终接元件，而不会对线路阻抗的计算精度造成负面影响。因此，本发明提出的方法和装置更加简便且成本更低。再者，容性元件作为终接元件，其为平衡元件，在电磁兼容性方面也具有一定优势。此外，对于n为2的特殊情况，线上阻抗和线间阻抗的计算公式简单，非常适于MCU完成，且对MCU运算能力的要求较低。也就是说，在较低的成本下可以实现线路阻抗的精确监控。

下文将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施例，对切换装置的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1示出了现有的火警系统的一种示意性实施方式的结构框图。

图2示出了根据本发明一个实施例的控制装置的结构框图。

图3示出了根据本发明一个实施例的在图2所示控制装置中执行的方法。

图4示出了根据本发明又一个实施例的控制装置的结构框图。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示结构相同或结构相似但功能相同的部件。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，为使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。另外，在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序等。

图2示出根据本发明一个实施例的控制器210的具体结构。在图2中，与图1相同的元件采用了相同的附图标记，其功能也与图1中的元件类似，这里不再赘述。如图2所示，除了与图1相同的元件之外，图2中的终接元件EOL为一个电容，而不是传统的电阻。电容元件230可以是市场上可获得的电容元件，其容值优选范围在几百μF，更为优选地在100μF到470μF之间。当然，电容元件的容值范围并不限于此。本领域技术人员可以根据MCU的参数来合理选择电容元件。在图2中用Rc表示该线路的线上电阻，Rs表示线间电阻。

图2仅示出了监测模式下的连接状况。在图2中，K1、K2设置成使得控制器210中的监测电源Vcc-Mon（而不是驱动电源）给线路供电。控制器210中的监测电源为一个恒流源，其能够持续地向线路输出恒定的监测电流I。在该恒定的监测电流I的输出路径上还设置有一个监测点P。该监测点P设置在控制器内部，也称作控制器210的板上监测点。监测点P的电压即为监测电源的输出电压V，该输出电压V的大小与线上阻抗和线间阻抗有关。在监测点P处的输出电压V可由采样电路217采样并反馈到MCU213的监控端MON。监控端MON可以是一个包括A/D电压采样的端口。MCU213根据获得的至少三个采样的输出电压V₁、V₂和V₃可计算出线路上的线上阻抗Rc和线间阻抗Rs。在图2中，采样电路217优选为一个射随电路，其还可以包括电平转换电路或者A/D电压变换电路（在MCU端口不包括A/D变换时），以使得采样到的输出电压V适应MCU213的输入范围。

就图2示出的电路结构而言，在电容C_EOL未达到饱和之前，电容C_EOL上的电量满足如下的关系：

对公式(1)的等式两边同时求导，可以得到如下公式

然后，解上述公式（2）的微分方程可得：

其中，C表示终接的容性元件C_EOL的电容大小；Vc(t)为容性元件C_EOL两端的电压随时间变化的函数。

基于公式(3)，可以得到板上电压（即输出电压V）和恒定监测电流I之间的关系：

V＝I×Rc+Vc(t)。 (4)

进而，若在三个不同时间点t₁、t₂和t₃采样到输出电压V₁、V₂和V₃，则输出电压V₁、V₂和V₃满足以下方程组：

V₁＝I×Rc+Vc(t₁) (5)

V₂＝I×Rc+Vc(t₂) (6)

V₃＝I×Rc+Vc(t₃) (7)

对公式(5-7)进行变形可以得到V₁～V₃与t₁～t₃之间的关系。例如，将公式(6)和公式(7)相减，且将公式(5)和公式(6)相减，再将公式（3）代入相减的结果中可以得到：

此时，如果t₁～t₃满足如下关系，

t₂＝n×t₁； (10)

t₃＝(2n-1)×t₁，其中n为大于等于1的整数， (11)

则可以有：

下面将公式（12）代入公式（9），可以计算出Rs的大小：

相应地，将公式(13)代入公式(3)可以得到：

公式(14)代入公式（5）可以得到Rc的大小：

由公式(13)和(15)可见，如果获得三个时间点t₁～t₃的采样输出电压V₁～V₃，而且这三个时间点均取自电容C_EOL达到饱和之前，且这三个时间点满足公式(10)和(11)的条件，则依据采样的输出电压V₁～V₃可计算出线路上的线上阻抗Rc和线间阻抗Rs。

优选地，公式(10)和(11)中的n可选为2，即，

t₂＝2×t₁；t₃＝3×t₁ (16)

此时，公式(13)和(15)可简化为：

公式（17）和公式（18）这两个简化公式计算简单，对MCU213的计算能力要求较低。所以，利用公式(17)和公式(18)来计算Rs和Rc，计算所需成本更低，计算速度更快。

图3示例性地示出了采用上述Rc和Rs的计算方法来判断线路上是否出现短路或断路故障的方法流程图。如图3所示，在步骤S310，MCU213获取t₁～t₃三个时间点的采样输出电压（板上电压）V₁～V₃，其中时间点t₁～t₃满足公式（10-11）或公式（16）所限定的条件。在步骤S320，MCU213利用公式（13、15）或公式（17、18）分别计算出线路的线上阻抗Rc和线间阻抗Rs。在步骤S330，MCU213将计算出的Rs与预先确定的短路阈值比较，如果Rs低于该短路阈值，则表明线路出现短路故障。MCU213还可以将计算出的Rc与预先确定的断路阈值比较，如果Rc大于该断路阈值，则表明线路出现断路故障。如果在步骤S330中判断出断路或短路故障，则MCU213进一步触发线路故障告警。

图4示例性地示出了图2中MCU213的结构框图。如图4所示，MCU213可以包括采样单元410、计算单元420以及判断单元430。具体地，采样单元410获取t₁～t₃三个时间点的采样输出电压（板上电压）V₁～V₃，其中时间点t₁～t₃满足公式（10-11）或公式（16）所限定的条件。计算单元420利用公式（13、15）或公式（17、18）分别计算出线路的线上阻抗Rc和线间阻抗Rs。判断单元430将计算出的Rs与预先确定的短路阈值比较，如果Rs低于该短路阈值，则表明线路出现短路故障。判断单元430还可以将计算出的Rc与预先确定的断路阈值比较，如果Rc大于该断路阈值，则表明线路出现断路故障。可选地，MCU还可以包括一个告警单元440。如果告警单元440从判断单元430接收到短路或断路故障信号，则触发线路故障告警，例如声和/或光告警。

采用本发明提出的上述装置和方法，如果监测电流I为100mA，而MCU213的A/D电压采集端口可以分辨出10mV的变化，则线上阻抗每变化0.1欧姆均可被监测到。由此可见，本发明提出的方法和装置能够较为精确地计算出线上以及线间阻抗，从而准确地判断出线路是否出现故障。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于火警系统的控制装置，所述控制装置能够通过线路(L₊，L_-)驱动一个或多个现场器件（120），且在所述线路(L₊，L_-)的远端适于连接有一个作为终接元件的容性元件（C_EOL），其特征在于，所述控制装置包括：

一驱动电源（Vcc-Drive），其向所述线路(L₊，L_-)提供驱动电流(I_f)，用以驱动所述一个或多个现场器件（120），所述驱动电流在所述线路(L₊，L_-)上沿第一方向流动；

一个监测电源（Vcc-Mon），能够向所述线路(L₊，L_-)提供恒定的监测电流(I)，所述监测电流（I）在所述线路上沿与第一方向相反的第二方向流动；

一采样电路（217），用以采样所述监测电源的输出电压（V）；

一受控的切换单元（115），能够选择性地导通所述驱动电源（Vcc-Drive）和所述监测电源（Vcc-Mon）中之一到所述线路(L₊，L_-)的电连接；

一控制单元（213），连接到所述切换单元（115）和采样电路（217），且所述控制单元在所述监测电源连接到所述线路时，利用在至少三个不同的时间点（t₁、t₂、t₃）采样得到的至少三个输出电压（V₁、V₂、V₃），计算出所述线路的线上阻抗（Rc）或线间阻抗（Rs），其中所述至少三个时间点均处于所述容性元件达到饱和之前，且所述至少三个时间点中有三个时间点之间满足:t₂=nt₁，t₃=(2n-1)t₁，其中n为大于1的整数。

2.如权利要求1所述的控制装置，所述控制单元（213）包括：

获取单元(410)，获取所述至少三个不同的时间点（t₁、t₂、t₃）下的所述至少三个输出电压（V₁、V₂、V₃）；

计算单元（420），基于电路的欧姆定律以及电容两端电压与电流之间的关系，利用所述采样得到的至少三个输出电压（V₁、V₂和V₃）计算出所述线路的线上阻抗（Rc）或线间阻抗（Rs）。

3.如权利要求2所述的控制装置，所述计算单元（420）基于以下公式计算所述线路的线间阻抗（Rs）：

其中，Rs为线间阻抗；

I为所述监测电源向所述线路提供的恒定电流；

V₁、V₂和V₃分别为在所述三个不同的时间点采样的所述三个输出电压。

4.如权利要求2所述的控制装置，所述计算单元（420）基于以下公式计算所述线路的线上阻抗（Rc）：

其中，Rc为线上阻抗；

I为监测电源向所述线路提供的恒定电流；

5.如权利要求2所述的控制装置，其中，n为2，则有所述三个时间点之间满足:t₂=2t₁，t₃=3t₁，且所述计算单元（420）基于以下公式计算所述线路的线间阻抗（R_s）：

其中，Rs为线间阻抗；

I为监测电源向所述线路提供的恒定电流；

6.如权利要求2所述的控制装置，其中，n为2，则有所述三个时间点之间满足:t₂=2t₁，t₃=3t₁，且所述计算单元（420）基于以下公式计算所述线路的线上阻抗（Rc）：

其中，Rc为线间阻抗；

I为监测电源向所述线路提供的恒定电流；

7.如权利要求2所述的控制装置，所述控制单元（213）还包括：

判断单元（430），如果所述计算单元（420）计算出的线上阻抗大于预定的断路阈值，则判断所述线路出现断路故障，或者，如果所述计算单元（420）计算出的线间阻抗低于预定的短路阈值，则判断所述线路出现短路故障。

8.一种用于火警系统的线路阻抗检测方法，所述火警系统包括：控制装置、连接所述控制装置和一个或多个现场器件（120）的线路(L₊，L_-)，且在所述线路(L₊，L_-)的远端适于连接有一个作为终接元件的容性元件（C_EOL），所述方法包括：

从一监测电源（Vcc-Mon）向所述线路(L₊，L_-)提供恒定的监测电流(I)，所述监测电流（I）的电流方向与能够驱动所述现场器件的驱动电流方向相反；

在至少三个不同的时间点（t₁、t₂、t₃）分别采样所述监测电源的至少三个输出电压（V₁、V₂、V₃），其中所述至少三个时间点均处于所述容性元件达到饱和之前，且所述时间点中至少有三个时间点之间满足:t₂=nt₁，t₃=(2n-1)t₁，其中n为大于1的整数；

利用所述至少三个输出电压（V₁、V₂、V₃），计算出所述线路的线上阻抗（Rc）或线间阻抗（Rs）。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述计算步骤基于以下公式计算所述线路的线间阻抗（Rs）：

或者，基于以下公式计算所述线路的线上阻抗（Rc）：

其中，Rs为线间阻抗，Rc为线上阻抗；

I为监测电源向所述线路提供的恒定电流；

10.如权利要求8所述的方法，其中，n为2，则有所述三个时间点之间满足:t₂=2t₁，t₃=3t₁，且所述计算步骤基于以下公式计算所述线路的线间阻抗（R_s）：

或者，基于以下公式计算所述线路的线上阻抗（Rc）：

其中，Rs为线间阻抗，Rc为线上阻抗；

I为监测电源向所述线路提供的恒定电流；

11.如权利要求8所述的方法，还包括：

如果计算出的线上阻抗（Rc）大于预定的断路阈值，则判断所述线路出现断路故障，或者，如果计算出的线间阻抗（Rs）低于预定的短路阈值，则判断所述线路出现短路故障。