閆 宸，謝 啟，陳 飛，顧啟民

(常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)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(shì)頭，加大電氣火災(zāi)監(jiān)控防范的力度，近年來(lái)國(guó)家相繼制訂、修改了一批相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加強(qiáng)對(duì)電氣火災(zāi)的預(yù)防.主要包括GB50016-2005《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、GB50045-2005《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中新增了探測(cè)漏電電流、過(guò)電流等信號(hào)，發(fā)出聲光信號(hào)報(bào)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(cè)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(cè)器分散安裝在同一高層建筑中，為了方便實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控與管理，集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與使用具有十分重要的意義.本文在Kingview組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上結(jié)合Modbus RTU現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，以常熟開(kāi)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(cè)器[3]為從站設(shè)計(jì)一種電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器集中監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus現(xiàn)場(chǎng)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(cè)器相互連接起來(lái)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)線路中的被探測(cè)參數(shù)超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，能發(fā)出報(bào)警信號(hào)、控制信號(hào)，能指示報(bào)警部位并保存報(bào)警信息.監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)分散在建筑內(nèi)的探測(cè)器進(jìn)行遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)，以方便實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與管理.

1 Modbus RTU通信協(xié)議簡(jiǎn)介

Modbus通信協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，通過(guò)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(guò)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(bào)文幀格式：ASCII和RTU(遠(yuǎn)程終端單元)報(bào)文幀格式.

CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器采用Modbus RTU模式進(jìn)行通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符.這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)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(jì)算機(jī)，從站為電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器.電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器中用到的功能代碼主要有03H-讀取單個(gè)寄存器數(shù)據(jù)、06H-讀取多個(gè)寄存器數(shù)據(jù)與10H-修改數(shù)據(jù).讀取數(shù)據(jù)時(shí)主站請(qǐng)求報(bào)文格式如表1所示，從站應(yīng)答報(bào)文格式如表2所示；修改數(shù)據(jù)主站請(qǐng)求報(bào)文格式如表3所示，從站應(yīng)答報(bào)文格式如表4所示.

表1 讀取數(shù)據(jù)時(shí)主站請(qǐng)求報(bào)文格式

表2 讀取數(shù)據(jù)時(shí)從站應(yīng)答報(bào)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(guò)程中可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤.采用Modbus RTU模式進(jìn)行通信時(shí)，接收一方可以使用CRC(循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè))校驗(yàn)碼判斷接收到的信息幀是否正確，并放棄錯(cuò)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(shí)主站請(qǐng)求報(bào)文格式

表4 修改數(shù)據(jù)時(shí)從站應(yīng)答報(bào)文格式

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

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

因?yàn)橐话愕腜C機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232口，所以必須通過(guò)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(cè)器的連接.Modbus一條線路可同時(shí)連接32臺(tái)CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，Modbus總線最多可帶256臺(tái).在組態(tài)王軟件平臺(tái)上編制程序，即可實(shí)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(cè)器的串口通信實(shí)現(xiàn)

在組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，莫迪康公司為其公司生產(chǎn)的系列PLC產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議驅(qū)動(dòng)軟件.組態(tài)王與電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的串口通信實(shí)現(xiàn)在定義設(shè)備時(shí)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(cè)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(yàn)位：1位（偶校驗(yàn)）；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(cè)器之間寄存器的對(duì)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(cè)器的寄存器地址從0000開(kāi)始，如寄存器地址從0000～FFFFH，而在組態(tài)王提供的Modbus RTU驅(qū)動(dòng)中，定義的寄存器地址則都是從1開(kāi)始的，所以當(dāng)組態(tài)王要讀取設(shè)備中的某一Modbus地址時(shí)，除了寄存器要與相應(yīng)的功能碼對(duì)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(kāi)始時(shí)，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(cè)器內(nèi)寄存器的地址從0000開(kāi)始，因此在組態(tài)王中定義寄存器的時(shí)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(cè)器的功能碼對(duì)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(guò)以上說(shuō)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(guò)表5，可知對(duì)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(shí)，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(cè)器的功能碼對(duì)照表

5 系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)組態(tài)王軟件可對(duì)下位機(jī)CSJ1系列剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控并可對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行整定等.故系統(tǒng)分為四個(gè)界面即實(shí)時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控功能.

5.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

實(shí)時(shí)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(duì)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(wú)功功率的監(jiān)控與顯示工作.用戶通過(guò)對(duì)從站地址的選擇可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)需要監(jiān)控的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖3所示.

圖3 實(shí)時(shí)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(bào)警原因，脫扣原因三部分.工作狀態(tài)部分主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)CSJ1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器實(shí)時(shí)工作狀態(tài)如合/分閘狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)等信息的監(jiān)控；報(bào)警原因部分可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CSJ1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器實(shí)時(shí)報(bào)警原因的監(jiān)控；脫扣原因部分可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CSJ1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)額定剩余動(dòng)作電流整定值，動(dòng)作時(shí)間，過(guò)載反時(shí)限整定值等參數(shù)的修改.保護(hù)功能部分可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CSJ1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)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(shí)間記錄兩部分.電量信息記錄部分實(shí)現(xiàn)對(duì)故障時(shí)CSJ1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)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(duì)故障發(fā)生時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄.

6 結(jié)論

通過(guò)使用開(kāi)放式的Modbus RTU通信協(xié)議，成功實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控主計(jì)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(cè)器相互連接起來(lái)，可以方便地形成一套電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器集中監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)將電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器各種參數(shù)，如電量信息、報(bào)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(cè)器的各種實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù).當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)線路中的被探測(cè)參數(shù)超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，能發(fā)出報(bào)警信號(hào)、控制信號(hào)，能指示報(bào)警部位并保存報(bào)警信息.電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器集中監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)分散在建筑內(nèi)的探測(cè)器進(jìn)行遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)，大大方便實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與管理.實(shí)際使用表明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性強(qiáng)，具有一定應(yīng)用價(jià)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(guó)，陶明.淺談剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器及其應(yīng)用[J].低壓電器，2009，(4)：40-43.

[3]常熟開(kāi)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(cè)器)產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)[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(shí)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(cè)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2006，27(8)：55-57.