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  • 頭條創(chuàng)新的消防電源監(jiān)控系統(tǒng),應(yīng)用二總線技術(shù),成本低,安全可靠
    2019-08-06 作者:王悅、廖有為 等  |  來源:《電氣技術(shù)》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院的研究人員王悅、廖有為等,在2019年第2期《電氣技術(shù)》雜志上撰文(文章標(biāo)題為“基于二總線通信的消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計”)指出,為了保證建筑內(nèi)的消防設(shè)備在預(yù)防火災(zāi)和發(fā)生火災(zāi)時能及時有效的運作,需要設(shè)置消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)來保證其電源的良好工作狀態(tài)。在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種基于二總線通信的消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)控器的通信模塊采用了EV620模塊,其內(nèi)含PowerBus技術(shù)的增強型主站控制IC:PB620。PowerBus總線通過調(diào)制供電電纜上的控制信號,替代了傳統(tǒng)分離的控制電纜和供電電纜,并大幅度提高通信穩(wěn)定性;通過采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103CBT6芯片對監(jiān)控傳感器進行設(shè)計,對數(shù)據(jù)進行采集和通信處理,實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸;通過對系統(tǒng)軟件進行設(shè)計,使其穩(wěn)定可靠的運行,滿足國標(biāo)要求,保證消防設(shè)備電源的正常運作。

    現(xiàn)代建筑內(nèi)部,均配備消防安全系統(tǒng)。消防設(shè)備平日里由市電供電,當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時,為了防止火災(zāi)引起電路著火就要斷開市電,轉(zhuǎn)為備用電源供電。目前消防備用電源主要有3種類型:①有獨立供電系統(tǒng)的消防專用供電線路;②用電單位的自備柴油發(fā)電機組,如圖1所示;③由蓄電池組作為備用電源組成的交、直流供電電源的應(yīng)急電源(靜態(tài)EPS),EPS組成如圖2所示。

    在3種消防備用電源中,消防專用供電線路在發(fā)生火災(zāi)時不能長時間安全供電,所以常用柴油發(fā)電機和EPS作為應(yīng)急電源供電。柴油發(fā)電機應(yīng)急電源中,電池組故障和壽命是影響其正常工作的一個重要部分。另外,發(fā)動機,控制電路,穩(wěn)壓部分等的電路是否正常,以及燃料是否充足也是影響發(fā)電機正常工作的另一個原因。

    從EPS組成結(jié)構(gòu)圖可以看出,EPS由幾個部分組成,關(guān)鍵部分為電池組,同柴油發(fā)電機一樣,電池組存在壽命短、其中一塊出故障就會影響整個電池組的問題,其他電路部分也可能出現(xiàn)故障,從而使EPS不能正常供電。

    創(chuàng)新的消防電源監(jiān)控系統(tǒng),應(yīng)用二總線技術(shù),成本低,安全可靠

    圖1 柴油發(fā)電機組應(yīng)急電源

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    圖2 EPS組成

    由于這3種消防供電電源都有一定的弊端,設(shè)備線路之間也可能存在故障情況,因此需要實時監(jiān)測消防設(shè)備電源是否處于完好狀態(tài),以保證在發(fā)生火災(zāi)或在火災(zāi)預(yù)防中,建筑內(nèi)的消防系統(tǒng)可以及時有效的運作;而消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)就可以解決這一問題,實時監(jiān)控消防設(shè)備的電源工作情況。

    1 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

    1.1 系統(tǒng)的基本組成

    2011年12月30日頒布,2012年8月1日開始實施的由國家標(biāo)準(zhǔn)委員會編制的GB 28184—2011《消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)》,對消防電源監(jiān)控系統(tǒng)做出明確規(guī)定,消防電源監(jiān)控系統(tǒng)是“用于監(jiān)控消防設(shè)備電源的工作狀態(tài),在電源發(fā)生過壓、欠壓、過流、缺相等故障時能發(fā)出警報的監(jiān)控系統(tǒng)”。消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)嚴(yán)格符合國標(biāo)規(guī)定,由消防設(shè)備電源狀態(tài)監(jiān)控器(以下簡稱監(jiān)控器)、傳輸線纜和與其連接的電壓信號傳感器、電壓/電流信號傳感器(以下簡稱監(jiān)控傳感器)等設(shè)備組成。系統(tǒng)連接如圖3所示。

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    圖3 消防電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    1.2 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的功能和特點

    本系統(tǒng)具有多種功能,可靠性強,能安全穩(wěn)定的監(jiān)視所要監(jiān)控的消防設(shè)備電源的狀態(tài)。主要功能特點有:

    ①供電功能,監(jiān)控器采用直流24V為與其相連接的傳感器供電;②故障報警功能,能在故障時100s內(nèi)發(fā)出故障聲、光信號,并顯示記錄故障的部位、類型和時間;③自檢功能,監(jiān)控器能對本機及所配接的傳感器進行功能檢查,監(jiān)控器的自檢不影響非自檢部位的報警功能;

    ④信息顯示與查詢功能,本系統(tǒng)能在監(jiān)控器上采用文字、數(shù)字和字母(符)顯示,能顯示當(dāng)前所接傳感器采集到的相應(yīng)消防設(shè)備電源電流電壓信息、監(jiān)控模塊總數(shù)、故障總數(shù)等;⑤主備電源轉(zhuǎn)換功能,主備電源能相互切換且不影響監(jiān)控器的正常工作;⑥分級操作功能,監(jiān)控器設(shè)置了普通權(quán)限和管理權(quán)限對監(jiān)控器進行不同級別的操作;

    ⑦數(shù)據(jù)存儲功能,監(jiān)控器能存儲5400條故障記錄或5400條中斷記錄,且無保存時間限制;⑧打印功能,微型打印機漢字打印輸出歷史記錄的詳細(xì)數(shù)據(jù);⑨通信功能,監(jiān)控器采用3路二總線和2路CAN總線通信方式,監(jiān)控器與電壓電流傳感器通過二總線通信方式進行控制,采用CAN2.0通信方式,有較高的傳輸速率,每條總線的傳輸距離為1000m;

    ⑩可將開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸入作為其他信號輸入到監(jiān)控設(shè)備;復(fù)位功能,故障排除后,故障信號可自動或手動復(fù)位,且在復(fù)位后,監(jiān)控器能在100s以內(nèi)重新顯示尚存在的故障。

    2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計

    消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要為電源狀態(tài)監(jiān)控器和監(jiān)控傳感器設(shè)計。監(jiān)控器為其所接傳感器提供24V直流供電,通過3路二總線通信方式進行監(jiān)控器與傳感器間的數(shù)據(jù)傳輸,2路CAN總線可用作監(jiān)控器系統(tǒng)級聯(lián)使用,RS 485通信接口可用于與上位機或圖形顯示裝置等進行數(shù)據(jù)傳輸。圖4所示為本系統(tǒng)一種三相雙電源電壓電流信號傳感器與監(jiān)控器組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

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    圖4 一種三相雙電源傳感器與監(jiān)控器連接結(jié)構(gòu)圖

    2.1 二總線技術(shù)

    本系統(tǒng)采用二總線方式實現(xiàn)監(jiān)控器對監(jiān)控傳感器的供電與數(shù)據(jù)通信,二總線通信適用于遠(yuǎn)距離檢測、數(shù)據(jù)采集、火災(zāi)報警燈等領(lǐng)域;并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、分工明確、成本低、可靠性高;此外二總線系統(tǒng)還具有接口簡單、總線數(shù)少、功耗較低等特點[。

    將二總線技術(shù)應(yīng)用到消防設(shè)備電源狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中,監(jiān)測傳感器不需要單獨供電,不必串入配電系統(tǒng)中,只需要通過二總線從監(jiān)控器中為其提供24V直流電即可。二總線系統(tǒng)只有兩根線,其中一根作為電源和信號的參考地線;另一根線有3種用途:同時作為電源線、信號發(fā)送線和信號接收線。這樣就實現(xiàn)了供電和傳遞信號共用總線的目的,減少了布線成本,對于二總線無極性連接,也減少了施工過程中的接線錯誤和調(diào)試工作量。

    2.2 通信模塊電路

    監(jiān)控器通信模塊電路采用北京強聯(lián)公司自廠生產(chǎn)的IC,即EV620,其內(nèi)含采用PowerBus技術(shù)的增強型主站控制IC,即PB620。PowerBus電源總線屬于低壓總線。通過在供電電纜上調(diào)制控制信號,替代了傳統(tǒng)分離的控制電纜和供電電纜,并大幅度提高通信穩(wěn)定性。

    PowerBus總站控制器PB620能適應(yīng)現(xiàn)場使用的各種線材、并實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的功能。電纜可以鋪設(shè)為總線型、樹形或星形等任意方式,極大方便施工布線,并且可以防止錯接發(fā)生,簡化施工維護。PB620可對PowerBus總線提供電源管理功能,實現(xiàn)對總線的供電、通信和故障監(jiān)測。

    可支持總線電流20A(2400bit/s),最大總線電壓可達48V,具有透明的串口協(xié)議,兼容原RS 485系統(tǒng),可支持通信速率為9600bit/s和2400bit/s的半雙工通信。監(jiān)控器的通信模塊電路如圖5所示。

    2.3 監(jiān)控傳感器STM32F電路

    監(jiān)控傳感器的設(shè)計采用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103芯片,STM32F103CBT6是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的單片機,具有32位閃存,128kB的Flash存儲器,多達20kB的SRAM,在72MHz頻率下運行,能快速處理系統(tǒng)中實時采集的消防設(shè)備電源的工作狀態(tài)。

    STM32F103有一套全面的節(jié)能模式,即睡眠模式、停止模式、待機模式,允許設(shè)計低功耗的應(yīng)用程序,低功耗設(shè)計可滿足電源和通信采用兩線制的要求。STM32F103電路如圖6所示,對數(shù)據(jù)進行采集和通信處理,實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

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    圖5 監(jiān)控器通信模塊電路

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    圖6 監(jiān)控傳感器STM32F103電路模塊

    3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

    監(jiān)控系統(tǒng)程序是基于Rt_thread操作系統(tǒng),由C語言編寫,使用KEIL公司的MDK編譯器編譯。監(jiān)控器由主控程序、界面顯示程序(主界面、供電中斷顯示界面、故障顯示界面、供電中斷記錄界面、故障記錄界面、系統(tǒng)設(shè)置界面)、CAN通信程序、485通信程序、報警故障處理程序和輸出程序組成。監(jiān)控傳感器程序由主控程序、數(shù)據(jù)處理程序和中斷處理程序(數(shù)據(jù)采樣中斷、通信中斷、按鍵和顯示中斷)組成。

    3.1 監(jiān)控器的軟件設(shè)計

    監(jiān)控器的軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。由圖7可知,監(jiān)控器開始進行初始化,隨后進行自檢,檢查是否有自身故障及傳輸連接故障。若有,則會發(fā)出聲光報警,等待工作人員檢查處理;若無,則按人機交互界面下傳達給監(jiān)控器的命令進行相應(yīng)的操作,進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

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    圖7 監(jiān)控器軟件設(shè)計流程圖

    監(jiān)控器通過二總線方式對監(jiān)控傳感器的數(shù)據(jù)進行采集、處理、存儲、顯示等。采集到的數(shù)據(jù)與提前設(shè)定的閾值進行對比,若超過閾值范圍,即發(fā)生了過壓、欠壓、缺相等故障,監(jiān)控器則進行聲光報警等動作。

    3.2 監(jiān)控傳感器的軟件設(shè)計

    監(jiān)控傳感器的軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。

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    圖8 監(jiān)控傳感器軟件設(shè)計流程圖

    監(jiān)控傳感器通電后,首先進行初始化,初始化設(shè)置參數(shù)和外設(shè),顯示界面等;然后實時采集設(shè)備的電源工作狀態(tài),傳至STM32F103CBT6中進行AD轉(zhuǎn)換,分析處理數(shù)據(jù),進行存儲;最后與設(shè)定的閾值進行比較,判斷是否發(fā)生故障,是否需要報警。

    監(jiān)控傳感器主要對所監(jiān)控的設(shè)備電源工作狀態(tài)的信息進行采集、處理、報警。與監(jiān)控器間用二總線的方式進行通信,其中監(jiān)控傳感器的兩總線中斷程序如圖9所示。數(shù)據(jù)從串口傳入,產(chǎn)生中斷,判斷其為接收中斷還是發(fā)送中斷。若為接收中斷,則判斷指針是否為類RTU方式;若是RTU方式,則將數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū),否則清空指針清空緩沖區(qū),中斷返回。若非接收中斷,則進行數(shù)據(jù)發(fā)送程序。

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    圖9 監(jiān)控傳感器兩總線中斷程序流程圖

    結(jié)論

    消防設(shè)備正常運行的根本是其供電電源是否保持良好的工作狀態(tài),故消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生,保證建筑物內(nèi)的消防設(shè)備在發(fā)生火災(zāi)及其他情況下不斷電,能及時有效的消除隱患,防患于未然。

    本文設(shè)計了一種雙電源三相電壓電流信號傳感器與監(jiān)控器組成的監(jiān)控系統(tǒng),其中監(jiān)控器有3路二總線、2路CAN總線和1路RS 285通信接口。與市面上大部分消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)不同的是,本系統(tǒng)不僅有CAN總線通信和RS 485通信,而且主要有3路二總線,將數(shù)據(jù)由監(jiān)控傳感器上傳到監(jiān)控器,二總線技術(shù)的應(yīng)用,使得系統(tǒng)布線簡單,成本降低,可靠性提高,無極性連接使得調(diào)試工作減少,安裝出錯率降低。

    本文所設(shè)計的系統(tǒng)是一種可靠、安全的消防電源監(jiān)控系統(tǒng),可廣泛推廣使用。