现场总线技术在智能化低压电器中的应用及发展趋势周永涛

现场总线技术在智能化低压电器中的应用及发展趋势周永涛

周永涛王秀丽史丰硕

山东省产品质量检验研究院山东济南250000

摘要：现场总线技术在智能化低压电器产品中的应用，使得新一代的低压电器产品显示出了优越的性能和更强的生命力，是智能化低压电器产品发展的标志。

关键词：现场总线技术；智能电压电器；应用；发展趋势

1.前言

随着不同专业领域对通信内容、开放性、实时控制提出更高的要求，工业以太网技术应运而生，并有望成为下一代系统设备通信和控制技术发展的主流技术。

2.工业现场总线技术

2.1工业现场总线技术现状

前几年工业自动化总线的竞争十分激烈，各大公司一直致力于自行开发和力推各自的总线系统和产品（如西门子公司的Profibus、Rockwell公司的DeviceNet、施耐德公司的Modbus等），从IEC61158标准的制订过程也能充分反映出竞争激烈的程度。但近两年来，这种竞争趋于平缓，多种总线并存成为现实，占主导地位的工业现场总线仍是Profibus、DeviceNet、Modbus、Interbus、CANOpen等，没有新的工业总线问世。各公司的产品可支持多种总线，用户也可根据需要选择总线接口。

我国在2000年左右开始在低压电器等领域进行应用工业现场总线技术研究，目前，应用较多的总线也是DeviceNet、Profibus、Modbus等。随着电网安全性和用电质量要求的日益提高，工业现场总线技术将广泛应用于低压电器领域。

2.2工业现场总线标准

工业现场总线标准主要有：①IEC62026低压开关设备和控制设备-控制器-设备接口；②IEC61158工业控制系统用现场总线；③GB/T18858低压开关设备和控制设备-控制器-设备接口，等同采用IEC62026；④JB/T10542-2006低压电器通信规约。

3.现场总线技术在智能化低压电器中应用

3.1CAN总线技术

CAN总线全称为ControllerAreaNetwork即控制器局域网，是国际标准（ISO）的现场总线之一，也被认为是目前最有前途的总线之一。CAN总线由德国Bosch公司最早提出，它能有效支持分布式控制，有较高的实时性。CAN总线支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式。CAN总线采用了非破坏性总线仲裁方式避免冲突，在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。在完成仲裁的同时，也已经开始报文的发送，提高了效率，通信的实时性也得到了保证。CAN协议废除了传统站地址编码而代之以对通信数据进行编码，从而使网络内的节点个数在理论上不受限制。由于CAN总线具有较强的纠错力，支持差分收发，因而适合高干扰环境，且具有较远的传输距离。传统的DCS现场控制通信技术本身存在一些无法克服的缺陷，如：系统实时性、灵活性差，无法构成多主冗余系统，系统可靠性差，而CAN总线以其低成本、高可靠、少维护、实时性强等特点受到人们的关注。系统采用CAN标准的总线型网络，上位机通过CAN接口适配卡与CAN总线相连，用CAN接口适配卡可通过双绞线把中央计算机系统和智能化低压电器挂在一条总线上，构成底层通信网络低压配电系统中CAN总线设计过程中必须考虑可靠性问题。按ISO/DIS11898标准，CAN总线中用于传输数据的多绞线即使有一条接地或与电源短路甚至断线，它依然可以正常传输信息，这说明它本身有极高的可靠性，CAN总线以其高性能、高可靠性及独特的设计而受到人们的青睐。

3.2DeviceNet总线技术

DeviceNet是一种底层设备现场总线，2000年6月，DeviceNet成为有关低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口的IEC62026现场总线标准之一，它的应用日益广泛。DeviceNet进入我国虽然比较晚，但由于其突出的优点而受到了高度的重视。2002年10月8日，DeviceNet被批准为中国国家标准GB/T18858.3-2002，并于2003年4月1日开始实施。DeviceNet是一种基于CAN总线技术的符合全球工业标准的开放型通信网络，它通过一根电缆将现场智能设备连接起来，避免了繁琐昂贵的电气接线，是分布式系统的理想解决方案。

DeviceNet虽然是工业控制网的低端网络，通信速率不高，传输的数据量不大，但它沿袭了CAN总线的短报文帧传输、无破坏性的总线仲裁技术、强大的故障诊断能力和抗干扰能力等优点，主要用于实时传输、控制数据。正是基于DeviceNet的这些特点，将它用于低压电器控制网络这种通信数据量不大的网络中，可以对通信数据进行良好的配置以达到实时性、安全性和可靠性的要求。基于DeviceNet总线的控制网络系统主要由三部分组成：DeviceNet总线、上位机（主机）和智能电器节点（从站）。上位机（包括DeviceNet接口卡）实现智能电器与主机PC的高速数据交换，负责对整个智能电器控制网络系统的管理和调度。智能电器节点主要包括：微处理器基本系统、采集控制逻辑、系统监测与保护、DeviceNet通用I/O等，主要完成对现场信号检测、参数显示和控制任务，主要用于连接工业控制系统中的按钮、开关、电磁阀等现场设备。

3.3Modbus总线技术

Modbus协议在1987年由施耐德公司制定，当时它主要是用于电子控制器上的一种通信语言，用以实现控制器间、控制器与网络和其它设备间的通信。1996年施耐德公司推出了基于TCP/IP的Modbus协议，其成本低廉，适用于各种应用的解决方案，在自动化设备中有着广泛应用。2004年9月Modbus协议国家标准GB/Z19582.1-2004、GB/Z19582.2-2004、GB/Z19582.3-2004正式发布，作为工业控制领域的通信协议，Modbus显示了巨大的影响力，由于其结构简单，近年来在电力系统中得到了广泛的应用。

根据Modbus协议的数据模型可将低压电器中的参数分为四类：只读字参数、只读位参数、读写字参数、读写位参数。由于Modbus开始是应用于工业控制领域的，所以它自身的特点与电力系统中的应用习惯不太一致，因而从Modbus协议到电力系统应用功能的映射会有一些问题，要总结出低压电器中常用的应用功能，从应用功能与功能码的对应关系来实现应用功能。将Modbus协议自身的特点与电力习惯很好地结合，在使用过程中需正确分析装置中的参数，选择合适的功能码，并注意特殊应用功能和实现等方面的问题，这样就能在电力系统中更好地使用Modbus协议，从而使低压电器产品互操作性更好，更具市场竞争力。

4.工业现场总线的发展趋势

工业现场总线的发展越来越注重系统的开放性。一方面，各总线组织通过设备描述规范设备在网络上的特性，使不同厂商的设备在网络上有相同的表现，可互连互换；另一方面，系统提供方便的非标第3方设备的接入。同时，支持不同总线连接可使用户在配置系统时有更大的灵活性。开放总线的发展既使设备制造商看到支持总线的设备具有更好的市场前景，越来越多支持总线产品的出现也方便了用户选用。因此，系统开放性和支持多总线将是工业现场总线的发展潮流。

5.结束语

综上所述，随着总线技术向工业控制领域的渗透，产生了工业控制网络。它广泛地应用于生产、生活设备的控制中，它的发展也给传统的低压电器行业带来了巨大的变，也将得到更加广泛的应用。

参考文献

[1]甘永梅，李庆丰，刘晓娟，等.现场总线技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2016.

[2]陈德桂.低压电器智能化发展的几个动态[J].低压电器：通用低压电器，2017,2-5.