一種CAN總線的電氣火災監控系統設計與應用

　　國家標準《建筑電氣火災預防要求和檢測方法》有關條文中明確要求“應在電源進線端設置自動切斷電源或報警的剩余電流動作保護器”。在《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》有關條文中也同樣明確要求“必須安裝剩余電流保護裝置的設備和場所”。其中就末端保護和線路保護做出了具體規則，另外，在4.6條款里，同樣明確在某些場所“應安裝報警式剩余電流保護裝置”的具體規定。這些都是強制性的規定。

　　在國家標準《高層民用建筑設計防火規范》和《建筑設計防火規范》里，對是否安裝電氣火災監控系統是以“宜”安裝來表示的。所謂“宜”安裝，按著規范里用詞說明指出：表示允許也稍有選擇。也就是說可以安裝，也可以不安裝。

　　在各類建筑及其它領域中廣泛應用安裝電氣火災監控器，能有效預防和減少漏電引起的電氣火災。應用在線檢測技術，可長年不間斷地檢測用電線路的過電流、漏電電流等參數，能隨時掌握電氣線路或電氣設備電氣火災危險參數的變化情況、故障和異常狀態，及時發現電氣線路的火災隱患，消除隱患，防患于未然，保護國家和人民生命財產的安全。

　　2電氣火災監控系統組成

　　根據國家標準GB14287-2005《電氣火災監控系統》以及相關規范《電氣火災監控系統的設計方法》(暫行規定)，則電氣火災監控系統的基本組成應包括：電氣火災監控設備、剩余電流式電氣火災監控探測器以及測溫式電氣火災監控探測器等三個最基本產品種類所組成。其中，剩余電流式電氣火災監控探測器又由監控探測器和剩余電流互感器(分對插式、閉合式兩種)所組成;測溫式電氣火災監控探測器由監控探測器和測溫傳感器所組成。

　　剩余電流式電氣火災監控系統采用分層分布式結構，由站控管理層、網絡通訊層和現場設備層組成。系統拓撲圖如左圖所示：各電氣火災監控探測器通過屏蔽雙絞線RS485接口，采用MODBUS通訊協議總線型連接接入通訊服務器，然后通過五類線TCP/TP協議進入工業交換機，然后通過光纜到達監控主機。

　　a)現場設備層主要是連接網絡中用于電參量采集測量的各類型的儀表和保護裝置等，也是構建該監控系統必要的基本組成元素。不僅肩負著采集數據的重任，同時也是執行后臺控制命令的終端元件。

　　b)通訊控制層主要是由通訊服務器、接口轉換器件及總線網絡等組成。該層是數據信息交換的橋梁，不同的接口轉換器件提供了RS232、RS422、RS485、SPABUS等及以太網等各種接口，組網方式靈活，支持點對點的通訊、現場總線網絡、以太網等類型的組態網絡。通訊服務器主要用于直接對現場儀器儀表轉達上位機的各種控制命令，并負責對現場儀器儀表回送的數據信息進行采集、分類和存儲等工作，如電壓/電流等電參量、輸入開關量狀態、修改儀表內部參數或各種控制繼電器斷開/閉合的操作命令等;微機保護裝置主要是為保證上位機的正常工作，避免網絡中不穩定信號對其造成的干擾或破壞;接口轉換器件則是由于現場儀表或其它系列的裝置與上位機的通訊接口存在差異，需要進行轉換方可進行數據交換。

　　c)管理測控層是針對監控網絡的管理人員，該層直接面向用戶。該層也是系統的最上層部分，主要是由電氣火災監控系統軟件和必要的硬件設備如計算機、打印機、UPS等。其中軟件部分具有良好的人機交互界面，通過數據傳輸協議讀取前置機采集的現場各類數據信息，自動經過計算處理，以圖形、數顯、聲音等方式反映現場的運行狀況，并可接受管理人員的操作命令，實時發送并檢測操作的執行狀況，以保證供用電單位的正常工作。

　　3支路控制器設計

　　支路微處理器選用的是philips　lpc932a1單片機，它是基于8051內核的高速、低功耗的8位單片機，其指令執行時間只需2到4個時鐘周期。6倍于標準8051器件。支路控制器系統結構框圖如圖2所示。

　　支路控制器系統中，采用精密電阻對ia、ib、ic、in四路電流互感器的電流信號取樣并放大，然后采用精密整流電路將交流電壓信號轉換為直流電壓信號。經單片機處理后將信號通過i2c總線傳輸至主控制器。

　　由于現場各種干擾因素較多，因此在支路控制器軟硬件設計上必須考慮抗干擾問題。抗干擾設計主要包括以下幾方面：電源抗干擾設計、單片機抗干擾、過程通道抗干擾設計、印刷電路板及電路的抗干擾設計和軟件的抗干擾設計。其中系統電源采用dc-dc變換器得到穩定的±12v和5v直流電壓，采用了高速光耦 6n137對信號進行隔離，在軟件設計中加入了數字濾波器進一步了提高系統的抗干擾能力。

　　4主控制器設計

　　主控制器由聲光報警、鍵盤及液晶顯示、can總線控制器、外部flash和時鐘/日歷發生器等部分構成。主路微處理器選用的是philips p89v51rd2單片機。主控制器完成的功能主要有：采集各支路控制器傳輸的ia、ib、ic、in等參數數據，故障特征數據，并在lcd上實時顯示，并通過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行狀態信號用相應雙色發光管顯示;當有通道出現報警信號時，主控制器驅動蜂鳴器，并將實時故障特征數據保存至flash。主控制器系統結構框圖如圖3所示。

　　本系統can接口硬件主要采用can獨立控制器sja1000和can收發器pca82c250。can總線技術屬于現場總線的范疇，can總線具有較強的糾錯能力，支持差分收發，因而適合高噪聲環境，并具有較遠的傳輸距離;因此，can協議對許多領域的分布式測控系統很有吸引力，特別適合于小型分布式測控系統。can總線可以多主機方式工作，網絡上任意節點可以在任意時刻主動向網絡上其他節點發送信息。可以分為不同優先級，滿足不同實時需要。通訊介質采用雙絞線，無特殊要求，用戶接口簡單。基于can總線的微處理器火災監控器系統，為解決火災報警問題上提供了新的方法和手段，既提高了系統的準確性、可靠性，又為工程設計、施工布線提供了極大的方便。

　　通過系統監控界面可查看實時電流數據，數據以滾動的形式顯示。用戶通過系統設置界面可以設置當前時間以及支路控制器的地址。通過查詢歷史數據界面可以查詢報警原因，報警時間以及報警的通道編號。

　　5系統軟件設計

　　監控系統軟件設計流程圖如圖5所示。當系統啟動工作后，經過初始化，主單片機開始對支路進行參數設置，設置電流互感器變比，報警，預警延時時間，然后每隔50ms接收各個支路板實時數據。當ia、ib、ic、in通道電流超過設定電流值，支路單片機驅動繼電器，并將通道狀態傳送給主控制器。

　　6結束語

　　觀察國內電氣火災監控系統的產品市場，其監控探測器的結構形式主要有三種類型，即多功能漏電開關型、分離配置型、分離配置整合型。如何為用戶設計安裝電氣火災監控系統，在實際中又能穩定可靠地得到應用，則選擇該系統的產品是重要環節，也是值得探討的一個問題。

　　該類型產品的優點是：保護功能多，內置電流互感器、剩余電流互感器(包括溫度傳感器)，接線少，整體度高。而由此產生的缺點是：結構復雜、成本加大、故障率偏高，特別是信號的監控、探測、分析、處理、報警、通信、聯動接口等電路與ABC三相主電(或單相)回路的間隔距離太近，易遭受強電磁場的干擾，降低產品性能的穩定可靠性。再說，其內部包含的電源控制開關(斷路器)，是低壓配電系統中的關鍵配電產品，它必須通過電氣開關類的電氣產品的3C認證。在安裝使用上也不太方便，如新建工程則需要和配電箱(柜)廠家溝通協商合理組裝，但對改造工程中已經成形并使用中的配電箱(柜)則更不適用。