电气火灾监控探测器集中监控系统设计

闫 宸，谢 启，陈 飞，顾启民

(常熟理工学院 电气与自动化工程学院，江苏 常熟 215500)

0 引言

为了遏制电气火灾的上升势头，加大电气火灾监控防范的力度，近年来国家相继制订、修改了一批相关标准规范，加强对电气火灾的预防.主要包括GB50016-2005《建筑设计防火规范》、GB50045-2005《高层民用建筑设计防火规范》、JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》.标准规范中新增了探测漏电电流、过电流等信号，发出声光信号报警等要求[1，2]，即要求在建筑内安装电气火灾监控探测器等电气火灾监控系统.

大量的电气火灾监控探测器分散安装在同一高层建筑中，为了方便实现集中监控与管理，集中监控系统的设计与使用具有十分重要的意义.本文在Kingview组态王软件开发平台上结合Modbus RTU现场总线技术，以常熟开关制造有限公司推出的新一代智能型低压电器-CSJ1系列剩余电流式电气火灾监控探测器[3]为从站设计一种电气火灾监控探测器集中监控系统.系统采用标准的Modbus现场总线将同一高层建筑中具有通信功能的电气火灾监控探测器相互连接起来，当现场保护线路中的被探测参数超过报警设定值时，能发出报警信号、控制信号，能指示报警部位并保存报警信息.监控系统可对分散在建筑内的探测器进行遥控、遥信、遥测、遥调，以方便实现监控与管理.

1 Modbus RTU通信协议简介

Modbus通信协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信[4].它已经成为一种通用工业标准，通过它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业控制网络，进行集中控制.Modbus通信协议具有两种报文帧格式：ASCII和RTU(远程终端单元)报文帧格式.

CSJ1系列剩余电流式电气火灾监控探测器采用Modbus RTU模式进行通信，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符.这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据.

Modbus通信协议使用主-从技术，即仅一设备(主设备或主站)能初始化传输(查询)，其它设备(从设备或从站)根据主设备查询提供的数据作出相应回应.在这里主设备为上位监控计算机，从站为电气火灾监控探测器.电气火灾监控探测器中用到的功能代码主要有03H-读取单个寄存器数据、06H-读取多个寄存器数据与10H-修改数据.读取数据时主站请求报文格式如表1所示，从站应答报文格式如表2所示；修改数据主站请求报文格式如表3所示，从站应答报文格式如表4所示.

表1 读取数据时主站请求报文格式

表2 读取数据时从站应答报文格式

由于总线上的电子噪声或一些其它干扰，信息在传输过程中可能会发生错误.采用Modbus RTU模式进行通信时，接收一方可以使用CRC(循环冗长检测)校验码判断接收到的信息帧是否正确，并放弃错误的信息帧，提高了通信系统的安全性和可靠性.

表3 修改数据时主站请求报文格式

表4 修改数据时从站应答报文格式

2 监控系统的总体结构设计

CSJ1系列剩余电流式电气火灾监控探测器采用Modbus RTU模式进行通信，配有RS485通信接口，通过上位监控计算机与电气火灾监控探测器的主从式串行通信，可实现智能化网络监控.

因为一般的PC机串行口为标准的RS232口，所以必须通过RS232/RS485转换器完成上位监控机和电气火灾监控探测器的连接.Modbus一条线路可同时连接32台CSJ1系列剩余电流式电气火灾监控探测器，Modbus总线最多可带256台.在组态王软件平台上编制程序，即可实现在Modbus RTU协议下的上位机和下位机的通信.

监控系统总体结构框图如1所示.

图1 监控系统总体结构框图

3 组态王与电气火灾监控探测器的串口通信实现

在组态王软件开发平台中，莫迪康公司为其公司生产的系列PLC产品开发了一套标准的Modbus协议驱动软件.组态王与电气火灾监控探测器的串口通信实现在定义设备时选择PLC莫迪康Modbus(RTU)串口(如图2所示).

组态王的设备地址与通讯参数同CSJ1系列剩余电流式电气火灾监控探测器的设置要求保持一致.所用的串口参数设置如下：

波特率：19200bps；数据位：8位；校验位：1位（偶校验）；停止位：2位.

图2 通讯方式设置（选择莫迪康的Modbus(RTU)串口）

4 组态王与电气火灾监控探测器之间寄存器的对应关系

一般情况下，采用Modbus RTU协议的电气火灾监控探测器的寄存器地址从0000开始，如寄存器地址从0000～FFFFH，而在组态王提供的Modbus RTU驱动中，定义的寄存器地址则都是从1开始的，所以当组态王要读取设备中的某一Modbus地址时，除了寄存器要与相应的功能码对应之外，还要在设备寄存器地址基础上加1[5].而当采用Modbus RTU协议的设备或模块中的寄存器地址从1开始时，则组态王中的寄存器地址与设备Modbus协议地址一致即可，不再需要加1.本系统中CSJ1系列剩余电流式电气火灾监控探测器内寄存器的地址从0000开始，因此在组态王中定义寄存器的时候，地址要加1.组态王寄存器名字与CSJ1系列剩余电流式电气火灾监控探测器的功能码对照表如表5所示.

例如我们要在组态王中定义监控器额定电流In变量，监控器额定电流In在监控器中的地址为0130H，功能码为03H.通过以上说明，我们知道其在组态王寄存器中的地址为0130H，因组态王寄存器地址定义是十进制，将16进制转换为十进制，则0130H为0304.通过表5，可知对应03H功能码的组态王寄存器名字是4，因此定义监控器额定电流In时，组态王寄存器要写为40305.

表5 组态王寄存器名字与CSJ1系列剩余电流式电气火灾监控探测器的功能码对照表

5 系统软件界面设计及功能实现

系统通过上位机组态王软件可对下位机CSJ1系列剩余电流式电气火灾监控探测器的运行状态实时数据进行监控并可对相应参数进行整定等.故系统分为四个界面即实时数据监控界面、工作状态监控界面、整定保护界面、事件记录界面来实现集中监控功能.

5.1 实时数据监控界面

实时数据监控界面分为基本信息与电量信息两部分，主要完成对监控器额定电流，额定电压，框架电流以及相电压，相电流，线电压，线电流，各相有功功率，无功功率的监控与显示工作.用户通过对从站地址的选择可以方便的实现对需要监控的电气火灾监控探测器运行数据的监控，实时数据监控界面如图3所示.

图3 实时数据监控界面

5.2 工作状态监控界面

工作状态监控界面分为工作状态，报警原因，脱扣原因三部分.工作状态部分主要实现了对CSJ1剩余电流式电气火灾监控探测器实时工作状态如合/分闸状态、报警状态等信息的监控；报警原因部分可以实现对CSJ1剩余电流式电气火灾监控探测器实时报警原因的监控；脱扣原因部分可以实现对CSJ1剩余电流式电气火灾监控探测器实时脱扣原因的监控.工作状态监控界面如图4所示.

5.3 整定保护界面

整定保护界面分为整定参数与保护功能两部分.整定参数部分主要实现对额定剩余动作电流整定值，动作时间，过载反时限整定值等参数的修改.保护功能部分可以实现对CSJ1剩余电流式电气火灾监控探测器的保护功能参数的远程修改与设置.

5.4 事件记录界面

事件记录界面分为电量信息记录与日期时间记录两部分.电量信息记录部分实现对故障时CSJ1剩余电流式电气火灾监控探测器的三相相电流I1，I2，I3和漏电电流Io以及三相相电压U1n，U2n，U3n的记录.日期事件记录部分则是对故障发生时间进行准确的记录.

6 结论

通过使用开放式的Modbus RTU通信协议，成功实现了监控主计算机与从机的主从式串行通信，将同一高层建筑中具有通信功能的电气火灾监控探测器相互连接起来，可以方便地形成一套电气火灾监控探测器集中监控系统.系统将电气火灾监控探测器各种参数，如电量信息、报警与脱扣原因等参数反应到组态王监控界面上，使用户或操作者能够一目了然的了解到电气火灾监控探测器的各种实时运行参数.当现场保护线路中的被探测参数超过报警设定值时，能发出报警信号、控制信号，能指示报警部位并保存报警信息.电气火灾监控探测器集中监控系统可对分散在建筑内的探测器进行遥控、遥信、遥测、遥调，大大方便实现监控与管理.实际使用表明该系统运行良好，数据传输的可靠性、实时性强，具有一定应用价值.

图4 工作状态监控界面

[1]张志刚，顾怡文.CSJ1电气火灾监控系统[J].智能建筑电气技术，2007，1(6)：88-90.

[2]孟建国，陶明.浅谈剩余电流式电气火灾监控探测器及其应用[J].低压电器，2009，(4)：40-43.

[3]常熟开关制造有限公司.电气火灾监控系统(包含CSJ1系列剩余电流式电气火灾监控探测器)产品使用说明书[EB/OL].[2010-3-11].http://www.riyue.com.cn/Chinese/Downloadshow.asp?DownID=135.

[4]谢启，顾启民，涂水林，等.基于LabVIEW的Modbus RTU通信协议的实现[J].煤矿机械，2006，27(12)：95-97.

[5]何萍.Modbus数据通信总线在电量监测中的应用[J].自动化仪表，2006，27(8)：55-57.