一種CAN總線的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑電氣火災(zāi)預(yù)防要求和檢測(cè)方法》有關(guān)條文中明確要求“應(yīng)在電源進(jìn)線端設(shè)置自動(dòng)切斷電源或報(bào)警的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器”。在《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》有關(guān)條文中也同樣明確要求“必須安裝剩余電流保護(hù)裝置的設(shè)備和場(chǎng)所”。其中就末端保護(hù)和線路保護(hù)做出了具體規(guī)則，另外，在4.6條款里，同樣明確在某些場(chǎng)所“應(yīng)安裝報(bào)警式剩余電流保護(hù)裝置”的具體規(guī)定。這些都是強(qiáng)制性的規(guī)定。

　　在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》里，對(duì)是否安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是以“宜”安裝來(lái)表示的。所謂“宜”安裝，按著規(guī)范里用詞說(shuō)明指出：表示允許也稍有選擇。也就是說(shuō)可以安裝，也可以不安裝。

　　在各類建筑及其它領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控器，能有效預(yù)防和減少漏電引起的電氣火災(zāi)。應(yīng)用在線檢測(cè)技術(shù)，可長(zhǎng)年不間斷地檢測(cè)用電線路的過(guò)電流、漏電電流等參數(shù)，能隨時(shí)掌握電氣線路或電氣設(shè)備電氣火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)的變化情況、故障和異常狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣線路的火災(zāi)隱患，消除隱患，防患于未然，保護(hù)國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。

　　2電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)組成

　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB14287-2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》以及相關(guān)規(guī)范《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法》(暫行規(guī)定)，則電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成應(yīng)包括：電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器以及測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器等三個(gè)最基本產(chǎn)品種類所組成。其中，剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器又由監(jiān)控探測(cè)器和剩余電流互感器(分對(duì)插式、閉合式兩種)所組成;測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器由監(jiān)控探測(cè)器和測(cè)溫傳感器所組成。

　　剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層組成。系統(tǒng)拓?fù)?/strong>圖如左圖所示：各電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器通過(guò)屏蔽雙絞線RS485接口，采用MODBUS通訊協(xié)議總線型連接接入通訊服務(wù)器，然后通過(guò)五類線TCP/TP協(xié)議進(jìn)入工業(yè)交換機(jī)，然后通過(guò)光纜到達(dá)監(jiān)控主機(jī)。

　　a)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要是連接網(wǎng)絡(luò)中用于電參量采集測(cè)量的各類型的儀表和保護(hù)裝置等，也是構(gòu)建該監(jiān)控系統(tǒng)必要的基本組成元素。不僅肩負(fù)著采集數(shù)據(jù)的重任，同時(shí)也是執(zhí)行后臺(tái)控制命令的終端元件。

　　b)通訊控制層主要是由通訊服務(wù)器、接口轉(zhuǎn)換器件及總線網(wǎng)絡(luò)等組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，不同的接口轉(zhuǎn)換器件提供了RS232、RS422、RS485、SPABUS等及以太網(wǎng)等各種接口，組網(wǎng)方式靈活，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等類型的組態(tài)網(wǎng)絡(luò)。通訊服務(wù)器主要用于直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)的各種控制命令，并負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表回送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和存儲(chǔ)等工作，如電壓/電流等電參量、輸入開(kāi)關(guān)量狀態(tài)、修改儀表內(nèi)部參數(shù)或各種控制繼電器斷開(kāi)/閉合的操作命令等;微機(jī)保護(hù)裝置主要是為保證上位機(jī)的正常工作，避免網(wǎng)絡(luò)中不穩(wěn)定信號(hào)對(duì)其造成的干擾或破壞;接口轉(zhuǎn)換器件則是由于現(xiàn)場(chǎng)儀表或其它系列的裝置與上位機(jī)的通訊接口存在差異，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換方可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　c)管理測(cè)控層是針對(duì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的管理人員，該層直接面向用戶。該層也是系統(tǒng)的最上層部分，主要是由電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備如計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS等。其中軟件部分具有良好的人機(jī)交互界面，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議讀取前置機(jī)采集的現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況，并可接受管理人員的操作命令，實(shí)時(shí)發(fā)送并檢測(cè)操作的執(zhí)行狀況，以保證供用電單位的正常工作。

　　3支路控制器設(shè)計(jì)

　　支路微處理器選用的是philips　lpc932a1單片機(jī)，它是基于8051內(nèi)核的高速、低功耗的8位單片機(jī)，其指令執(zhí)行時(shí)間只需2到4個(gè)時(shí)鐘周期。6倍于標(biāo)準(zhǔn)8051器件。支路控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　支路控制器系統(tǒng)中，采用精密電阻對(duì)ia、ib、ic、in四路電流互感器的電流信號(hào)取樣并放大，然后采用精密整流電路將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。經(jīng)單片機(jī)處理后將信號(hào)通過(guò)i2c總線傳輸至主控制器。

　　由于現(xiàn)場(chǎng)各種干擾因素較多，因此在支路控制器軟硬件設(shè)計(jì)上必須考慮抗干擾問(wèn)題?？垢蓴_設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面：電源抗干擾設(shè)計(jì)、單片機(jī)抗干擾、過(guò)程通道抗干擾設(shè)計(jì)、印刷電路板及電路的抗干擾設(shè)計(jì)和軟件的抗干擾設(shè)計(jì)。其中系統(tǒng)電源采用dc-dc變換器得到穩(wěn)定的±12v和5v直流電壓，采用了高速光耦 6n137對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離，在軟件設(shè)計(jì)中加入了數(shù)字濾波器進(jìn)一步了提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　4主控制器設(shè)計(jì)

　　主控制器由聲光報(bào)警、鍵盤及液晶顯示、can總線控制器、外部flash和時(shí)鐘/日歷發(fā)生器等部分構(gòu)成。主路微處理器選用的是philips p89v51rd2單片機(jī)。主控制器完成的功能主要有：采集各支路控制器傳輸?shù)膇a、ib、ic、in等參數(shù)數(shù)據(jù)，故障特征數(shù)據(jù)，并在lcd上實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)can總線傳輸給集中控制器。此外主控制器還將各支路控制器運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)用相應(yīng)雙色發(fā)光管顯示;當(dāng)有通道出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)時(shí)，主控制器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，并將實(shí)時(shí)故障特征數(shù)據(jù)保存至flash。主控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　本系統(tǒng)can接口硬件主要采用can獨(dú)立控制器sja1000和can收發(fā)器pca82c250。can總線技術(shù)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，can總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā)，因而適合高噪聲環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離;因此，can協(xié)議對(duì)許多領(lǐng)域的分布式測(cè)控系統(tǒng)很有吸引力，特別適合于小型分布式測(cè)控系統(tǒng)。can總線可以多主機(jī)方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息?？梢苑譃椴煌瑑?yōu)先級(jí)，滿足不同實(shí)時(shí)需要。通訊介質(zhì)采用雙絞線，無(wú)特殊要求，用戶接口簡(jiǎn)單?；赾an總線的微處理器火災(zāi)監(jiān)控器系統(tǒng)，為解決火災(zāi)報(bào)警問(wèn)題上提供了新的方法和手段，既提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性，又為工程設(shè)計(jì)、施工布線提供了極大的方便。

　　通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控界面可查看實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以滾動(dòng)的形式顯示。用戶通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置界面可以設(shè)置當(dāng)前時(shí)間以及支路控制器的地址。通過(guò)查詢歷史數(shù)據(jù)界面可以查詢報(bào)警原因，報(bào)警時(shí)間以及報(bào)警的通道編號(hào)。

　　5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)工作后，經(jīng)過(guò)初始化，主單片機(jī)開(kāi)始對(duì)支路進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置電流互感器變比，報(bào)警，預(yù)警延時(shí)時(shí)間，然后每隔50ms接收各個(gè)支路板實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)ia、ib、ic、in通道電流超過(guò)設(shè)定電流值，支路單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器，并將通道狀態(tài)傳送給主控制器。

　　6結(jié)束語(yǔ)

　　觀察國(guó)內(nèi)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的產(chǎn)品市場(chǎng)，其監(jiān)控探測(cè)器的結(jié)構(gòu)形式主要有三種類型，即多功能漏電開(kāi)關(guān)型、分離配置型、分離配置整合型。如何為用戶設(shè)計(jì)安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)際中又能穩(wěn)定可靠地得到應(yīng)用，則選擇該系統(tǒng)的產(chǎn)品是重要環(huán)節(jié)，也是值得探討的一個(gè)問(wèn)題。

　　該類型產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是：保護(hù)功能多，內(nèi)置電流互感器、剩余電流互感器(包括溫度傳感器)，接線少，整體度高。而由此產(chǎn)生的缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本加大、故障率偏高，特別是信號(hào)的監(jiān)控、探測(cè)、分析、處理、報(bào)警、通信、聯(lián)動(dòng)接口等電路與ABC三相主電(或單相)回路的間隔距離太近，易遭受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，降低產(chǎn)品性能的穩(wěn)定可靠性。再說(shuō)，其內(nèi)部包含的電源控制開(kāi)關(guān)(斷路器)，是低壓配電系統(tǒng)中的關(guān)鍵配電產(chǎn)品，它必須通過(guò)電氣開(kāi)關(guān)類的電氣產(chǎn)品的3C認(rèn)證。在安裝使用上也不太方便，如新建工程則需要和配電箱(柜)廠家溝通協(xié)商合理組裝，但對(duì)改造工程中已經(jīng)成形并使用中的配電箱(柜)則更不適用。