電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

閆 宸，謝 啟，陳 飛，顧啟民

(常熟理工學(xué)院 電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

0 引言

為了遏制電氣火災(zāi)的上升勢頭，加大電氣火災(zāi)監(jiān)控防范的力度，近年來國家相繼制訂、修改了一批相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加強(qiáng)對電氣火災(zāi)的預(yù)防.主要包括GB50016-2005《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、GB50045-2005《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》、JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中新增了探測漏電電流、過電流等信號，發(fā)出聲光信號報警等要求[1，2]，即要求在建筑內(nèi)安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器等電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng).

大量的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器分散安裝在同一高層建筑中，為了方便實現(xiàn)集中監(jiān)控與管理，集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與使用具有十分重要的意義.本文在Kingview組態(tài)王軟件開發(fā)平臺上結(jié)合Modbus RTU現(xiàn)場總線技術(shù)，以常熟開關(guān)制造有限公司推出的新一代智能型低壓電器-CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器[3]為從站設(shè)計一種電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器集中監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus現(xiàn)場總線將同一高層建筑中具有通信功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器相互連接起來，當(dāng)現(xiàn)場保護(hù)線路中的被探測參數(shù)超過報警設(shè)定值時，能發(fā)出報警信號、控制信號，能指示報警部位并保存報警信息.監(jiān)控系統(tǒng)可對分散在建筑內(nèi)的探測器進(jìn)行遙控、遙信、遙測、遙調(diào)，以方便實現(xiàn)監(jiān)控與管理.

1 Modbus RTU通信協(xié)議簡介

Modbus通信協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信[4].它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中控制.Modbus通信協(xié)議具有兩種報文幀格式：ASCII和RTU(遠(yuǎn)程終端單元)報文幀格式.

CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器采用Modbus RTU模式進(jìn)行通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進(jìn)制字符.這種方式的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù).

Modbus通信協(xié)議使用主-從技術(shù)，即僅一設(shè)備(主設(shè)備或主站)能初始化傳輸(查詢)，其它設(shè)備(從設(shè)備或從站)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)回應(yīng).在這里主設(shè)備為上位監(jiān)控計算機(jī)，從站為電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器.電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器中用到的功能代碼主要有03H-讀取單個寄存器數(shù)據(jù)、06H-讀取多個寄存器數(shù)據(jù)與10H-修改數(shù)據(jù).讀取數(shù)據(jù)時主站請求報文格式如表1所示，從站應(yīng)答報文格式如表2所示；修改數(shù)據(jù)主站請求報文格式如表3所示，從站應(yīng)答報文格式如表4所示.

表1 讀取數(shù)據(jù)時主站請求報文格式

表2 讀取數(shù)據(jù)時從站應(yīng)答報文格式

由于總線上的電子噪聲或一些其它干擾，信息在傳輸過程中可能會發(fā)生錯誤.采用Modbus RTU模式進(jìn)行通信時，接收一方可以使用CRC(循環(huán)冗長檢測)校驗碼判斷接收到的信息幀是否正確，并放棄錯誤的信息幀，提高了通信系統(tǒng)的安全性和可靠性.

表3 修改數(shù)據(jù)時主站請求報文格式

表4 修改數(shù)據(jù)時從站應(yīng)答報文格式

2 監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器采用Modbus RTU模式進(jìn)行通信，配有RS485通信接口，通過上位監(jiān)控計算機(jī)與電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的主從式串行通信，可實現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控.

因為一般的PC機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232口，所以必須通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換器完成上位監(jiān)控機(jī)和電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的連接.Modbus一條線路可同時連接32臺CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，Modbus總線最多可帶256臺.在組態(tài)王軟件平臺上編制程序，即可實現(xiàn)在Modbus RTU協(xié)議下的上位機(jī)和下位機(jī)的通信.

監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如1所示.

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 組態(tài)王與電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的串口通信實現(xiàn)

在組態(tài)王軟件開發(fā)平臺中，莫迪康公司為其公司生產(chǎn)的系列PLC產(chǎn)品開發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議驅(qū)動軟件.組態(tài)王與電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的串口通信實現(xiàn)在定義設(shè)備時選擇PLC莫迪康Modbus(RTU)串口(如圖2所示).

組態(tài)王的設(shè)備地址與通訊參數(shù)同CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的設(shè)置要求保持一致.所用的串口參數(shù)設(shè)置如下：

波特率：19200bps；數(shù)據(jù)位：8位；校驗位：1位（偶校驗）；停止位：2位.

圖2 通訊方式設(shè)置（選擇莫迪康的Modbus(RTU)串口）

4 組態(tài)王與電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器之間寄存器的對應(yīng)關(guān)系

一般情況下，采用Modbus RTU協(xié)議的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的寄存器地址從0000開始，如寄存器地址從0000～FFFFH，而在組態(tài)王提供的Modbus RTU驅(qū)動中，定義的寄存器地址則都是從1開始的，所以當(dāng)組態(tài)王要讀取設(shè)備中的某一Modbus地址時，除了寄存器要與相應(yīng)的功能碼對應(yīng)之外，還要在設(shè)備寄存器地址基礎(chǔ)上加1[5].而當(dāng)采用Modbus RTU協(xié)議的設(shè)備或模塊中的寄存器地址從1開始時，則組態(tài)王中的寄存器地址與設(shè)備Modbus協(xié)議地址一致即可，不再需要加1.本系統(tǒng)中CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器內(nèi)寄存器的地址從0000開始，因此在組態(tài)王中定義寄存器的時候，地址要加1.組態(tài)王寄存器名字與CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的功能碼對照表如表5所示.

例如我們要在組態(tài)王中定義監(jiān)控器額定電流In變量，監(jiān)控器額定電流In在監(jiān)控器中的地址為0130H，功能碼為03H.通過以上說明，我們知道其在組態(tài)王寄存器中的地址為0130H，因組態(tài)王寄存器地址定義是十進(jìn)制，將16進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，則0130H為0304.通過表5，可知對應(yīng)03H功能碼的組態(tài)王寄存器名字是4，因此定義監(jiān)控器額定電流In時，組態(tài)王寄存器要寫為40305.

表5 組態(tài)王寄存器名字與CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的功能碼對照表

5 系統(tǒng)軟件界面設(shè)計及功能實現(xiàn)

系統(tǒng)通過上位機(jī)組態(tài)王軟件可對下位機(jī)CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控并可對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行整定等.故系統(tǒng)分為四個界面即實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面、工作狀態(tài)監(jiān)控界面、整定保護(hù)界面、事件記錄界面來實現(xiàn)集中監(jiān)控功能.

5.1 實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面分為基本信息與電量信息兩部分，主要完成對監(jiān)控器額定電流，額定電壓，框架電流以及相電壓，相電流，線電壓，線電流，各相有功功率，無功功率的監(jiān)控與顯示工作.用戶通過對從站地址的選擇可以方便的實現(xiàn)對需要監(jiān)控的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器運行數(shù)據(jù)的監(jiān)控，實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖3所示.

圖3 實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

5.2 工作狀態(tài)監(jiān)控界面

工作狀態(tài)監(jiān)控界面分為工作狀態(tài)，報警原因，脫扣原因三部分.工作狀態(tài)部分主要實現(xiàn)了對CSJ1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器實時工作狀態(tài)如合/分閘狀態(tài)、報警狀態(tài)等信息的監(jiān)控；報警原因部分可以實現(xiàn)對CSJ1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器實時報警原因的監(jiān)控；脫扣原因部分可以實現(xiàn)對CSJ1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器實時脫扣原因的監(jiān)控.工作狀態(tài)監(jiān)控界面如圖4所示.

5.3 整定保護(hù)界面

整定保護(hù)界面分為整定參數(shù)與保護(hù)功能兩部分.整定參數(shù)部分主要實現(xiàn)對額定剩余動作電流整定值，動作時間，過載反時限整定值等參數(shù)的修改.保護(hù)功能部分可以實現(xiàn)對CSJ1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的保護(hù)功能參數(shù)的遠(yuǎn)程修改與設(shè)置.

5.4 事件記錄界面

事件記錄界面分為電量信息記錄與日期時間記錄兩部分.電量信息記錄部分實現(xiàn)對故障時CSJ1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的三相相電流I1，I2，I3和漏電電流Io以及三相相電壓U1n，U2n，U3n的記錄.日期事件記錄部分則是對故障發(fā)生時間進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄.

6 結(jié)論

通過使用開放式的Modbus RTU通信協(xié)議，成功實現(xiàn)了監(jiān)控主計算機(jī)與從機(jī)的主從式串行通信，將同一高層建筑中具有通信功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器相互連接起來，可以方便地形成一套電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器集中監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)將電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器各種參數(shù)，如電量信息、報警與脫扣原因等參數(shù)反應(yīng)到組態(tài)王監(jiān)控界面上，使用戶或操作者能夠一目了然的了解到電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的各種實時運行參數(shù).當(dāng)現(xiàn)場保護(hù)線路中的被探測參數(shù)超過報警設(shè)定值時，能發(fā)出報警信號、控制信號，能指示報警部位并保存報警信息.電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器集中監(jiān)控系統(tǒng)可對分散在建筑內(nèi)的探測器進(jìn)行遙控、遙信、遙測、遙調(diào)，大大方便實現(xiàn)監(jiān)控與管理.實際使用表明該系統(tǒng)運行良好，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、實時性強(qiáng)，具有一定應(yīng)用價值.

圖4 工作狀態(tài)監(jiān)控界面

[1]張志剛，顧怡文.CSJ1電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)[J].智能建筑電氣技術(shù)，2007，1(6)：88-90.

[2]孟建國，陶明.淺談剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器及其應(yīng)用[J].低壓電器，2009，(4)：40-43.

[3]常熟開關(guān)制造有限公司.電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)(包含CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器)產(chǎn)品使用說明書[EB/OL].[2010-3-11].http://www.riyue.com.cn/Chinese/Downloadshow.asp?DownID=135.

[4]謝啟，顧啟民，涂水林，等.基于LabVIEW的Modbus RTU通信協(xié)議的實現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械，2006，27(12)：95-97.

[5]何萍.Modbus數(shù)據(jù)通信總線在電量監(jiān)測中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2006，27(8)：55-57.