近年來，隨著我國經濟的高速發展和城市規模的不斷擴大，餐飲服務行業得到了迅猛的發展。它們在滿足人們日常餐飲需求的同時，也帶來了許多消防安全問題，其中廚房排煙道火災是需要重點研究防范的問題之一。

2017年10月，浙江湖州某家餐廳突發大火，造成火災的主要原因是廚房排煙道清理不及時，油垢堆積嚴重，遇明火或高溫后，油垢被引燃而引發了大火。同年12月，北京市昌平區國泰百貨一家餐廳也是因廚房排煙道起火而引發了火災，所幸處理及時，沒有造成人員傷亡，但由于火災地點位于人流密集區，巨大的濃煙給周邊帶來了不必要的恐慌。

2018年12月，北京航空航天大學某食堂因排煙道起火而發生火災，幸虧消防人員及時趕到控制住火勢，才沒有擴大災害。高校食堂同屬于人員密集型區域，廚房消防安全在一定程度上關系到學校穩定，所以對高校廚房排煙道火災的防范也不容忽視。

本文所進行的大型廚房排煙道火災成因及特點分析、排煙道火災預警系統設計具有重要的意義和價值。

1 廚房排煙道火災特點

在對大型廚房排煙系統實地考察的基礎上，本文利用Catia繪圖軟件建立排煙道的三維立體模型，如圖1所示。它是由集煙罩、油煙凈化器、排煙風機、排煙管道等設備組成。排煙道材質多為不銹鋼或鍍鋅鐵皮，形狀一般呈方形管狀。

通常來講，在大型廚房里，廚師烹飪食物產生的油煙及灶火燃燒產生的廢氣是不可能直接排到戶外的，而是需要在集煙罩與排煙風機吸力的共同作用下，攜雜空氣中的灰塵等固體顆粒被一同吸入排煙道，沿著煙道通過油煙凈化器被排放到大氣中。但在這一過程中，由于部分混合煙氣與排煙道或周圍冷空氣發生熱交換而液化附著在排煙道內壁上形成凝油層，短時間就會沉積形成油垢。

據有關研究表明，這些油垢就是發生排煙道火災并制造濃煙的“元兇”之一，當其偶遇外界明火或源于排煙道內部長期溫度過高，使得部分油垢被氣化分解，一旦達到其著火點，很容易發生自燃形成火情，從而引發排煙道火災。

圖1 排煙道三維立體圖

從圖1中可清晰地看出，實際的排煙道結構相對封閉，走向由于實際需求及建筑物內部結構不同，存在一定差異，而排煙道從入口到出口之間通常有幾十米長，這就造就了排煙道火災具有獨特的特點：

①排煙道內火災發生初期隱蔽，不易被察覺；②由于油煙、油垢等為良好的可燃物，在排煙風機的作用下，火勢蔓延速度快，經人發現后火災可能就已經進一步擴大，極易錯失最佳的滅火時機，從而增加消防的撲救難度；③排煙道一旦發生火災，產生的高溫極易引燃周邊的可燃物，造成二次火災，從而擴大火情；④火災發生后，排煙道出口處會伴隨大量的濃煙，引發周邊市民恐慌，造成惡劣影響。

因此，為了保證能讓整個排煙系統可以安全穩定可靠地運行、提高廚房防火等級，迫切需要研究設計一套系統來有效預防和杜絕此類災害的發生。

2 系統設計與設備選型

2.1 系統設計

通過對廚房排煙道火災的成因及特點分析可知，引發排煙道火災主要有兩個原因：①由于排煙道內持續的溫度升高，造成油垢氣化自燃而引發排煙道火災；②由于火苗、火星在排煙風機的負壓抽吸作用下隨油煙一同被吸入到排煙道內，產生爆燃而引起火災。因此，從本質上講，它們都與溫度密切相關，所以考慮選用溫度這一參量來表征或作為對排煙道火災預警和探測系統的輸入量。

結合排煙道本身的封閉性特點，選擇將溫度傳感器安裝在排煙道表面，這樣不僅有利于在不破壞原排煙道的基礎上，完成對廚房排煙道火災的預警，而且還便于后期的維護與檢修。基于此，本文設計了基于可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）的廚房排煙道火災預警系統，該系統主要由溫度采集模塊、數據處理及控制模塊、電源模塊三個部分組成，具體系統設計框圖，如圖2所示。

圖2 廚房排煙道火災預警系統設計方案框圖

1）溫度采集模塊

傳統的大多數餐飲場所排煙道的油煙入口通常位于一樓，而油煙出口位于樓頂，全長幾十米。本文設計采用無線溫度采集與有線溫度采集并用的采集方式實現對煙道溫度數據的采集。樓頂采用無線采集方式，通過含裸露式PT-100的無線測量節點完成對排煙道表面溫度的測量，再利用無線接收模塊實現數據的匯聚；對于廚房內部的排煙道表面溫度測量則采用有線方式，將裸露式PT-100直接與溫度采集設備相連，完成對溫度的采集。該種測量方案有利于現場布線及設備安裝。

2）數據處理及控制模塊

控制器與溫度采集設備依靠RS-485通信電纜來實現物理連接，并通過Modbus協議實現PLC對采集設備的主從訪問，實現數據的讀取。結合在PLC中內嵌的數據處理和預測判決算法，執行后輸出相應動作信號，如報警信號、關斷天然氣信號、關斷加熱設備電源信號等。達到以排煙道的表面溫度作為系統輸入量，通過PLC進行數據處理判斷，以報警信號等作為系統輸出量的廚房排煙道火災預警系統設計目的。

3）電源模塊

該部分主要功能是為控制器、溫度采集器、無線接收器和集線器分別提供24V直流電源供電；每一路裸露式PT-100溫度傳感器需要的測量電流是由溫度采集器所提供，無線溫度采集節點的電源采用干電池供電方式，這樣就保證了系統中每部分設備都能夠正常運行，共同配合以實現系統功能。

2.2 設備選型

1）傳感器選型

通常，測溫方式有兩種：接觸式測溫和非接觸式測溫。非接觸測溫是通過測量目標表面所輻射的紅外能量來確定表面溫度的測溫方法，常用的有紅外測溫傳感器等；接觸式測溫是指利用物體電氣參數隨溫度變化的特性來檢測溫度的方法，如熱電偶、熱電阻等。

由于實際測量對象為排煙道表面，其材質通常為不銹鋼或白鐵皮，在考慮成本的前提下，為保證能夠準確快速地進行溫度采集，本文選擇用接觸式測溫方式。正常情況下，排煙道內部煙氣溫度夏季為80℃，冬季為60℃，油垢著火溫度為305℃，測量溫度范圍主要集中在0～400℃。

由于熱電偶測溫還需要進行冷補償，相較于熱電阻而言，對低溫測量精度差、數據處理繁瑣，最終選擇裸露式PT-100溫度傳感器，它具有體積小、精度高、響應速度快等優點，測量范圍在◆50℃～600℃，可以很好地滿足測量以及系統設計需求。

2）控制器選型

段悅團隊和曲方團隊都曾基于AT89C系列單片機研究設計出針對于餐飲業廚房排煙道火災的探測系統，為排煙道火災探測提出了一類解決方案。但由于大型廚房環境比較惡劣，干擾多、噪聲大，傳統的單片機控制系統難以適應廚房環境，而溫度采集是將傳感器內置于排煙道的測量方式，若傳感器長期處于油煙環境，很容易造成測量精確度下降，甚至設備損壞。此外，他們的方案對于已建成的排煙系統，在二次改造及后期維護上也存在困難。

本文所設計的大型廚房排煙道火災預警系統，選用的核心控制器是SIEMENS S7-1200 PLC，具有運行可靠性高、抗干擾能力強、可擴展性高、開發周期短、安裝簡單等優點，常用于工業領域。結合廚房實際環境，選用這款控制器作為控制系統的核心單元可以很好地達到所設計的系統功能和要求。

另外，此類控制器具有相配套的編程軟件和組態軟件，結合強大的通信模塊，可以實現基于Modbus協議的RS- 485/422通信、基于Web的無線通信、基于以太網的Modbus-TCP通信等，具有與多種設備互聯的能力，并且數據傳輸可靠性高，運行速度快，良好的擴展接口便于根據實際應用情況進行系統功能的刪減，為系統改進完善提供了良好的條件與支持。

3）溫度采集器選型

溫度采集器主要用于系統的有線溫度采集方式中，功能是為裸露式PT-100溫度傳感器提供測量電流，通過內嵌的A/D模塊實現將采集得到的電信號轉化成數字量并存儲在寄存器。根據系統設計要求，選用的溫度采集器首先要支持裸露式PT-100溫度傳感器的數據采集，其次是支持Modbus通信，能實現主從訪問功能。

基于上述要求，本文選用DAM- PT16型溫度采集器，它支持16通路的PT-100溫度采集，測量芯片采用24位A/D轉換器，精度可達到0.02℃，有RS485接口，支持Modbus協議，能夠很好地滿足系統設計要求，配合裸露式PT-100溫度傳感器可實現對排煙道表面溫度的有線采集。

4）無線溫度采集設備選擇

根據系統設計的要求，無線溫度采集方式主要是用于對樓頂排煙道表面溫度的測量。為了能夠將無線測量節點得到的數據可靠地傳輸給PLC，需要借助無線接收器來實現。根據排煙道走向，所選用的無線設備必須有很強的隔墻傳輸能力，并能夠抵抗廚房環境帶來的干擾。

鑒于此，本文選用的是NT78型號的無線采集設備，它支持433MHz免申請ISM頻段，頻移鍵控（frequency-shift keying, FSK）調制解調技術，利用Lora協議進行無線通信，適合在樓宇內進行數據傳輸，信號可覆蓋3～5層，能滿足在樓頂排煙道表面布置無線節點并完成數據傳輸的要求，有RS-485端口，支持Modbus協議，可以實現PLC與其進行從協議通信。

3 實驗與數據分析

3.1 實驗系統搭建

依據上述的系統設計方案及設備選型，在實驗室里完成對各個模塊的組建，并分模塊地進行測試，在驗證各個模塊功能的正確性后，將各個模塊進行硬件連接以完成整套溫度采集系統的搭建。通過可編程計算機上的TIA博途軟件，編寫基于Modbus協議的讀寫程序及數據處理程序，下載到PLC中，實現PLC與溫度采集器、無線接收器的通信和數據處理。最后，通過簡單的測溫實驗來驗證整個測溫系統的可行性。

3.2 現場測量

基于實驗室中搭建的測溫系統，本文以某高校食堂排煙道為測量對象，全長四十多米，依據其食堂排煙道的實際走向，在排煙道上進行溫度傳感器的布點安裝，搭建起現場溫度采集系統，通過以太網電纜將可編程計算機與PLC連接，啟用TIA博途軟件的在線監視功能，對現場設備進行調試，待測量頻率、數據顯示等正確后，說明溫度采集系統工作正常，可以實現對排煙道溫度的實時采集，現場溫度采集系統工作原理如圖3所示。

圖3 現場溫度采集系統圖

當食堂正常工作，排煙系統投入使用時，PLC起動并以3s一次的頻率分別對無線接收器和溫度采集器的寄存器進行數據讀取并存儲，一直持續到排煙系統投入運行結束，其中3個節點的部分實測數據見表1。

表1 節點測量數據

3.3 數據處理

以食堂正常工作時間為時間段，分別對現場實測得到的排煙道溫度數據進行處理分析。為了保證能簡便而有效地實現對排煙道表面溫度的預測，本文選用基于最小二乘的預測算法。現將節點1在一個工作時間段的測量數據，通過滑動最小二乘法進行擬合，擬合曲線如圖4所示，部分詳情如圖5所示。

圖4 一個工作時間段的擬合曲線

圖5 2500～2750s之間的擬合曲線

從圖4和圖5可以看出，基于3個歷史數據的滑動最小二乘法，可以很好地對測量的數據值進行擬合預測。通過誤差計算，預測值與實際值偏差小于0.5℃，預測值準確度很高，可以實現排煙道由于溫度過高而引起火災的預警。

另外，由圖6看出，基于最小二乘法進行預測還能夠實現對溫變的快速反應，能在短時間內識別排煙道內的“爆燃”現象，實現對成因②引發的火災探測，同時也驗證了在PLC內嵌入該算法的正確性。并且該算法根據測量對象的不同，通過修改預測參數值，可以改變預測算法對溫升敏感度，從而提高或降低對溫變的響應時間。

圖6 預測算法對溫變的響應

3.4 判決算法設計

基于廚房排煙道的火災成因及特點，在完成對排煙道的表面溫度測量系統設計及預測算法設計后，下面說明對火災預警及探測的判決方法設計。

1）排煙道持續高溫引發火災的預測判決設計

每個測量節點都需要依據可燃物的燃點以及排煙道不同時段的工作狀態，結合天氣、使用情況等方面因素，設定閾值，通過最小二乘法所得預測值與閾值比較判斷。若排煙道內的溫度大于閾值，則發出報警信號，并斷電、斷氣，停止繼續使用灶具，提醒消防人員以及工作人員，預防火災發生。

2）“爆燃”引起火災的探測判決設計

基于3個歷史值的最小二乘法預測所得數值中包含一定未來溫度的發展趨勢，為了能夠實現對“爆燃”溫度——溫度驟然升高狀態——的快速識別，需要在區別煙道正常工作時的溫度波動的同時，抓住火災發生初期溫度變化的趨勢，并進行放大后判決。

而最小二乘法，可以通過修改預測參數，來提高或降低對這種趨勢的敏感度，根據這一特性，來判定當前煙道內是否發生“爆燃”，再結合正常使用時預測值與實際值的偏差設定閾值，當絕對偏差超過閾值時，證明排煙道內很有可能發生了“爆燃”現象，報警。為了斷定火災是否真的發生，預警系統也會再次進行判決，以驗證排煙道內是否發生了火災。若發生火災，排煙系統需要停止使用，并采取應急措施，報警請求消防滅火。

總結

綜上，通過對廚房排煙道火災的成因及火災特點研究，本文設計的廚房排煙道火災預警系統可以實現對兩種主要原因引發的火災進行預警和探測。以PLC為中央控制單元，溫度傳感器為測量設備，Modbus為傳輸協議，無線有線兩種采集模式組成的系統可以有效應對食堂的復雜環境，達到火災探測和預警的目的。

另外，通過這種僅依靠測量排煙道表面溫度就可探測和預警排煙道火災的方法，方便對現有排煙系統進行改造，在不破壞排煙道的基礎上提高廚房防火安全等級，獨立于排煙道的火災預警系統也便于后期的運行與維護，有一定的實際應用價值。