电气防火限流技术的发展趋势

时间：2024-10-13 百科知识版权反馈

【摘要】：电气火灾监控系统已经发展为一个集成了多种电气防火技术的综合系统，该型号电气防火限流式保护器作为一种新型产品，需要同电气火灾监控系统相结合，以发挥更大的防火功效，其主要应用方案如下：远程监控技术是将网络通信技术、自动控制技术以及计算机应用技术相结合的一种技术。因此实现电气火灾的远程监控是未来电气火灾监控系统的一种发展趋势。

五、电气防火限流技术的发展趋势

（一）电气防火限流技术与电气火灾监控系统的结合

电气火灾监控系统已经发展为一个集成了多种电气防火技术的综合系统，该型号电气防火限流式保护器作为一种新型产品，需要同电气火灾监控系统相结合，以发挥更大的防火功效，其主要应用方案如下：

1.远程监控技术的研究

远程监控技术是将网络通信技术、自动控制技术以及计算机应用技术相结合的一种技术。它是利用本地计算机通过通信网络比如以太网，对远端生产现场的监控设备进行在线监视和控制，实现对生产现场分散控制网络的运行状态进行在线监控以及对监控设备进行诊断维护等功能，通常把能够实现远程监控的数据传输媒介、上位计算机监控界面、下位机监控设备叫做远程监控系统。远程监控系统一般是生产现场的各种监控设备、数据通信网络、现场监控主机、远程上位机监控软件四个部分组成。在生产现场监控设备分布比较分散或者数据不是很容易采集的地方，能够及时有效地监视生产现场监控设备的运行状态并进行有效控制，这就实现了远程监控技术在各种工业生产上的需求。

远程监控系统有两种主要的方式，一种是没有现场监控设备，而是将数据经过传感器采集后直接发送到远程计算机进行数据处理，这种远程监控除了数据传输的距离比较远一点以外，其他的特性与一般的现场监控系统也没有多大的区别，其他的部分基本上和一般的现场监控系统相同；另外一种是将现场监控系统与远程监控技术结合起来。一般是采用现场总线技术将分布于工业生产现场的各个设备上的探测传感器、监控设备等连接起来，通过这种方法从而将分立的各种设备集中控制管理起来，然后再通过网络技术用局域网将工业现场的各个管理主机的主控制器连接起来，这样就形成了一个现场设备可以分布式控制，并且可以进行远程数据通信和管理的远程监控系统。由于整个系统将基本的网络信息基础结构建立起来了，监控设备的监测、故障管理和维护进入了集中监测控制系统阶段，在整个系统的内部都基本上实现了各种数据资源和信息的共享。

电气火灾远程监控系统除了实现报警信息监控和电气火灾监控器远程配置等功能外，还应该满足实时性和可靠性要求。当电气火灾监控器发现有报警信息产生时，应当及时将报警信息通过网络传送到上位机，让工作人员能够第一时间发现险情，电气火灾监控器可以同时监控多个点的报警信息并且及时做出判断和处理，这就要求整个网络有很强的实时性。当对电气火灾监控器进行远程配置时，要保证数据传输的可靠性，避免出现误操作。除了满足实时性和可靠性的要求外，安全性也是整个监控系统必须考虑的重要问题，首先应该保证电气火灾监控器与客户端数据传输的安全性，同时保证非授权者无法获取电气火灾监控器的信息并且无法向电气火灾监控器发出错误的指令，只有授权用户可以对电气火灾监控器进行远程配置，为了满足安全性要求可以采取一些相应的加密措施，比如在客户端软件上编写客户登录界面，不仅保证整个监控系统的安全性，同时也方便客户使用。

远程监控技术是利用各种数据通信网络来作为传输媒介，全面地将自动控制技术、网络数据传输技术和计算机应用等技术结合在一起，并且具有监控记录查看方便、设计结构清晰简单、操作功能强大、管理应用简便、具有非常高的安全性和无限的无间隔扩展能力等优点。由于远程监控技术具有上述多种优点，所以远程监控技术现在被广泛地应用于各种工业生产领域中，比如煤矿、商场、油田、安防等。

建设部在2007年10月23日发布了第728号公告，颁布了文件编号为GBSO440—2007的国家标准《城市消防远程监控系统技术规范》，并从2008年1月1日起开始执行。该标准的发布为规范我国城镇消防系统的联网和促进平安城镇的建设，加大科技服务消防事业都有很大的积极的推动作用。城市消防远程监控系统对联网用户的火灾报警信息、火灾报警监控设备的运行状态信息、消防安全管理信息进行数据接收、处理和管理，向城镇消防指挥中心或其他各处消防报警中心发送已经确认的火灾报警信息，为公安消防管理部门提供历史数据查询，并为消防系统联网的用户提供信息服务的系统。

目前，国内所应用的电气火灾监控系统基本上以区域性的电气火灾监控系统、集总式的电气火灾监控系统为主，它们都是以集散控制方式为主要的安装和通信形式。这种电气火灾监控系统一般都是以一种固定的结构形成一种封闭的体系，它们不能实现不同电气火灾监控系统间的信息资源和服务的共同分享，而在德国、澳大利亚等很多发达国家和中国香港地区等，都已经建立了城镇火灾自动报警网络，建立了城镇消防远程监控中心。因此实现电气火灾的远程监控是未来电气火灾监控系统的一种发展趋势。在电气火灾监控系统中采用将网络技术、自动控制技术和计算机应用技术相结合的远程监控技术，通过在电气火灾监控中使用远程监控技术能够大大地提高电气火灾监控系统的工作效率，有利于更加方便地监控现场电气火灾监控设备的运行状况，在监控现场的电气火灾监控设备出现异常情况的时候，能够及时进行险情报警并通知现场的工作人员，尽量做到电气火灾险情早发现，早处理。这种基于网络的远程电气火灾监控系统应该实现电气火灾安全信息远程监视和远程控制，当监测现场的电气火灾监控器有电气火灾报警信息产生的时候，电气火灾报警控制器能通过网络传送数据向电气火灾报警监控中心远程自动报警，同时远程监控中心也可以控制监测现场的电气火灾监控器做出脱扣等阻止电气火灾险情进一步发展的相关动作，迅速地将险情扼杀在摇篮之中。

2.电气火灾远程监控系统的结构设计

电气火灾远程监控系统主要由电气火灾监控器、电气火灾监控主机、通信网络和远程客户端三部分组成，实现以下几个方面的功能：

（1）采集与处理功能：主要对监控现场的漏电流和温度传感器传出的模拟信号和数字信号进行检测、采集和必须的数据处理，并以处理器能够接收的信号输送到电气火灾监控器，并且以一定的形式显示出来，比如打印机、显示屏等，让现场工作人员能够很方便地观察到现场的监测数据，以便对现场情况进行分析。

（2）监控功能：将现场监测到的实时数据，还有现场工作人员发出的指令信号和设置的各种参数综合在一起通过一定的算法进行加工处理以后，把算出的结果分别作为实时数据和历史数据存储起来，以便于工作人员以后进行查阅。

（3）管理功能：利用现有的有效数据进行现场工况分析、监控设备故障诊断、电气火灾险情预测等，并以一定的形式对设备故障和电气火灾警情进行报警。控制功能：可以对现场控制器进行远程配置和修改，比如说报警阈值的设定，屏蔽功能的开启以及屏蔽值的设定等。

该系统使用多层管理模式、分布式布置、数据集中管理为主要特点，以监控为系统的核心，将预防和控制结合在一起，以预防为主要功能的自上而下的一体化远程监控管理系统，在实现远程监控报警以及继电器跳闸的基本功能基础上，通过对电气火灾监控设备和电气火灾监控主机的实时监测，各种设备维护跟踪，使相关管理部门随时在线获得准确实时的监控设备的各类管理数据，有效做好电气火灾监控设备的管理工作，提高预防电气火灾的效率，实现电气火灾监控设备管理工作信息化、现代化。结构图如图22所示。

图22　电气火灾远程监控系统的结构图

电气防火限流式保护器检测被监控现场电气线路的电流和故障情况，其中电气火灾监控现场主要包括配电室、工厂、居民楼等，并将所得到的信号经过变送电路和转换电路处理成为微控制器可以接收的数字信号，然后通过电气防火限流式保护器进行数据采集与数据预处理。电气防火限流式保护器和电气火灾监控主机之间采用通信网络1进行连接，其中在选择通信方式1要实现分布式检测和控制，由于生产现场一般比较复杂，环境也比较恶劣，所以通信网络1同时还要求满足便于在现场安装布线以及满足抗干扰等特点。其中电气火灾监控主机集中采集所有监控器的数据并完成通信网络1和通信网络2之间的通信，完成工作站与电气防火限流式保护器之间的远程通信，监测工作站连接企业网，在企业网能通过客户端浏览每个监测点，同时也可以通过客户端操作界面远程配置电气防火限流式保护器。

3.电气火灾远程监控系统通信网络的方案设计

根据以上分析内容和电气火灾远程监控系统结构图可知，该电气火灾远程监控系统主要是在现有的独立式电气火灾监控系统的基础上进行设计，因此，设计内容主要是通信网络1和通信网络2的方案设计，下面将对通信网络1和通信网络2分别进行分析：

1）通信网络1方案设计

电气火灾远程监控系统的现场设备包括漏电流传感器、温度传感器、电气火灾监控器以及电气火灾监控主机，它们的安装位置比较分散，并且现场环境恶劣，干扰信号比较强，根据这些特点就要求必须选用一种能够便于集中控制管理现场设备，并且抗干扰能力比较强的通信网络。现场总线系统打破了传统设备一对一进行连接的结构形式，它既是一种开放的通信网络，又是一种全分布式控制系统，它把作为网络节点的各种智能设备连接成自动化网络系统，并且支持双绞线、同轴电缆、光缆、红外线、电力线等，具备较强的抗干扰能力，可以采用两线制实现供电和通信，并可以满足安全防爆的要求。根据现场总线的多种优点并结合本系统现场控制系统的特点，本书选用现场总线组成通信网络1。

现场总线是20世纪80年代末90年代初国际上发展起来的一种广泛应用于过程自动化、楼宇自动化、制造自动化等自动化领域的现场智能设备互连网络。它不仅是一种基层连接网络，而且是一种开放式的新型全分布式系统，由于现场总线技术具有简单、可靠、经济等一系列突出的优点，现场总线技术越来越受到人们的重视，并广泛地应用于各种工业领域之中，目前工业上比较流行的现场总线主要有基金会现场总线、控制器局域网总线、Profibus、Modbus、Lonworks等。下面对这几种常用的现场总线分别进行介绍：

（1）基金会现场总线FF：基金会现场总线FF是一种应用在过程自动化领域并且得到广泛推广的现场总线技术，因此它的发展前景是非常的好。它具有适合工业现场应用的数据通信规范和网络操作系统。它分为低速数据通信H1和高速数据通信H2两种数据通信速率，高速时数据通信速率可以达到31.25kbps，通信距离可长达1 900m，可以支持总线供电防爆环境。低速时，通信距离也可达到750m。采用一条串行总线上连接多个设备的网络连接方法，一条总线最多可以连接32台设备。物理传输介质可以支持双绞线、光缆以及无线发射，协议符合IEC1158—2标准。其主要技术内容包括FF通信协议，可以满足各种重要系统的要求。

（2）控制器局域网总线CAN（Controller Area Network）：CAN总线是由德国的Bosch公司推出的，是国际上应用最广泛的现场总线之一，它最开始是专门应用于汽车内部各种测量传感器和执行部件之间进行数据通信的一种通信协议，在各种车载电子控制装置ECU之间进行信息交换，从而形成电子控制网络。CAN以多主机方式工作，总线上不分主机从机，数据通信方式非常灵活，CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时性要求，高优先级的数据最快可在134μs内得到传输，它还采用了非破坏性仲裁技术，大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪情况。在通信距离不超过40m时CAN总线的数据传输速率可以高达1Mbps，当直接传输距离最远达到10 km时数据通信速率也可以达到5kbps。CAN总线通信接口已经将CAN协议的数据链路层和物理层的功能结合在了一起，可实现将需要传送和接收数据进行成帧处理，其中主要包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判断等功能。将传统通信中的站地址编码进行废除而是对要通信的数据进行了编码，这是CAN总线协议中一个很大的特点，从理论上来说采用了这种地址编码方式后可以使得整个CAN网络内的节点个数不受限制，但是在现实应用中，因为受到CAN网络接口的硬件电气特性等原因的限制，节点数目是不可能实现不受限制的，比如在使用飞利浦公司生产的CAN总线驱动器PCA82C250时整个CAN网络最多只能挂110个节点。另外CAN总线采用了短帧传输数据的结构，每一帧传输的有效字节数为8个字节，可以满足控制命令、工作状态、测试数据等通常工业领域中的一般要求；同时CAN总线通信采用8个字节的短帧结构不会占用CAN总线过长的时间，从而可以使得通信的实时性得到保证，并且采用这种结构使得抗干扰能力也非常强从而使受干扰几率降低。CAN总线协议采用了CRC错误检验功能，当发现通信错误后可对传输错误提供相应的处理功能，从而可以使得数据通信的可靠性得到保证，当节点上的数据传输出现严重错误时，CAN总线还可以自动关闭该节点，以切断该错误节点与整个CAN总线的联系，以免CAN总线上的其他节点或者通信受到影响，从而加强整个总线的抗干扰能力。CAN总线优良的特性、极高的可靠性和独特的设计使其在工业过程监控设备的互联系统中得到了广泛地应用。

（3）过程现场总线Profibus：过程现场总线Profibus（Process Field BUS）是德国国家DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。PROFIBUS是一种全开放式的不依赖于设备型号的现场总线标准。它在各种工业现场自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化中都得到了广泛的应用。Profibus提供了三种数据传输类型：用于DP和FMS的RS485传输、用于PA的IEC1158—2传输、光纤。与其他现场总线系统相比，Profibus的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。

（4）Modbus总线：Modbus是MODICON公司根据该公司生产的PLC通信特点而设计的一种通信协议，从它的功能上来看，也可以把它当作是一种现场总线。要是PLC上具备Modbus通信接口，就可以使用Modbus总线很方便地进行互连接通信，Modbus总线定义了数据帧的格式以及与其他设备进行连接通信的方式，还有数据通信过程中应答响应的方式。Modbus在定义了通信功能码的基础上还定义了通信出错码，这样做有助于通信主站在通信过程中发现通信的错误内容和原因，并采取相应措施进行处理，从而使得通信的可靠性得到保证。

（5）Lonworks总线：Lonworks是由美国Echelon公司在20世纪90年代初开发的现场总线。它采用七层ISO/OSI模型的通信协议，这是在所有现场总线中唯一使用所有层模型的现场总线，在工业控制系统中的传感器总线、装置总线、现场总线等任何一层总线中它都可以使用到。一个Lonworks控制网络可以连接三个到三万个或更多的现场节点，其中这些现场节点可以应用于温度传感器、压力传感器、开关、继电器、液晶显示器、数码管或者是一些电机或者是阀门的控制功能。由于Lonworks总线组成的控制系统中不需要像其他的控制系统一样具备主控制器，因此Lonworks总线组成的分布式控制系统具有非常高的系统可靠性和系统响应速度，并且不使用主控制器还可以降低整个控制系统的开发成本。它的数据处理和数据传送都是通过一种神经元芯片来完成，同时它还使用了目前比较实用的面向对象的程序设计方法，通过使用一些网络变量将网络通信设计简化成为参数设置的方式。Lonworks总线具有多种拓扑结构并且支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，同时它还开发了各种安全防爆产品，被称作通用控制网络。

根据对以上几种现场总线的分析，现场总线是一种专门应用于工业现场的通信方式，具有经济性、可靠性、可控性、综合性、互换性和互操作性、开放性等优点，同时结合了本文所要设计的电气火灾远程监控系统的设计的性能要求，发现Modbus总线以多主机方式工作，不分主机从机，通信方式非常灵活，Modbus网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时性要求等特点非常符合电气火灾远程监控系统中通信网络1的设计要求，因此通过比较本文最后选用Modbus总线作为底层通信总线，即通信网络1的通信方式。在Modbus总线上发送的报文格式都不是固定不变的，但是发送的报文长度是有限制的。当总线上空闲的时候，总线上连接的任何节点都可以向总线上发送新的报文。

2）通信网络2方案设计

通信网络2为连接电气火灾监控主机与上位机和服务器的通信网络，电气火灾监控主机通过Modbus总线采集监控现场设备的各种数据信号，然后监控主机通过通信网络2与上位机相连进行远程监控和数据传输，通信网络2是实现远程监控的一个重要环节，也是整个系统设计的关键技术。根据通信网络1在整个电气火灾远程监控系统的功能需求，因为通信网络2主要是要实现远程通信，因此本系统中通信网络2可以选择现场总线或者目前比较流行的以太网技术进行远程通信。下面将对这两种通信技术进行比较。

现场总线在进行数据通信方面具有可靠性、实时性和灵活性等突出的优点，但是现场总线主要是一种面向工业现场底层控制的通信网络，它的局限性也是非常明显的。首先，它不能与因特网进行相互连接，不能实现信息的远程共享。其次，它不容易与上位机直接进行连接，而且现有的现场总线连接接口卡与以太网网卡相比较价格都非常昂贵。还有，无论是从通信距离还是从通信速率来说以太网都比现场总线具有非常大的优势。基于TCP/IP协议的以太网是一种标准的开放式的远程通信网络，它可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上的资源进行共享，并且由它组成的系统兼容性和互操作性都非常好，资源共享能力也很强；以太网通信数据的传输距离比较长、数据传输速率也很高；它与Internet容易进行连接，成本比较低、容易组成通信网络。组网时与计算机、服务器的连接接口非常方便，并且受到了广泛的技术支持，为以后整个远程监控系统的维护工作也提供了很大便利。因此，通过比较电气火灾远程监控系统的通信网络2选用以太网作为通信网络。

以太网是由Xerox公司创建的，并由Xerox，Intel和DEC公司联合开发的一种基带局域网规范。以太网采用载波监听多路访问以及冲突检测技术，可以在多种类型的电缆上以10MS的通信速率进行数据通信。以太网指的不是一种具体的网络，而是一种通信技术规范，它是当今现有局域网最常用的通信协议标准。该标准定义了在局域网内数据通信使用的电缆类型和信号处理办法。以太网以10～100Mbps的传送速率在互联设备之间传送信息数据包，因为双绞线电缆10BaseT以太网的成本比较低，而且可靠性比较高以及具有10Mbps的数据传输速率，因此它成为了目前应用最为广泛的以太网技术。直接扩展的无线以太网可以达到11Mbps数据传输速率，通过采用通用的软件协议许多制造供应商提供的产品都能进行通信，因此它的开放性最好。为了更加详细的了解以太网的工作原理，下面对OSI七层模型和TCP/IP模型进行一些介绍。国际标准化组织于1978年提出了一个网络体系结构模型，称为开放系统互联参考模型（OSI）。OSI有七层，从低到高依次称为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。OSI模型如图23所示。

物理层：OSI模型的最底层，它提出了整个网络的物理特性，它的任务就是透明地传送数据比特流，它需要完成的工作还包括线路配置、确定信号形式、确定数据传输模式、对信号进行编码、连接传输介质，其中传输介质有双绞线、同轴电缆、光缆等。

图23　OSI模型

OSI模型虽然比较完整，但同样也非常复杂。除了底三层实现了以外，其余层次都没有真正实现，现在已基本不用。虽然OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但是它的概念比较清楚，体系结构也比较完整。TCP/IP的协议目前得到了非常广泛的应用，但是它本身原来并没有一个明确的体系结构。可以认为TCP/IP是一个四层的体系结构，它包含应用层、运输层、网络层和网络接口层。不过从实质上讲，TCP/IP只有三层，即应用层、传输层、网络层，因为最下面的网络接口层没有什么具体的内容，图24为TCP/IP的层次结构图。