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总线技术在低压电器领域的应用与发展

0 引言

随着信息技术的飞速发展,工业自动化和楼宇自动化技术有了极大的提高,新产品层出不穷。近年来,这些技术的发展已快速地渗入到低压电器、工业过程控制等领域,使得低压电器等领域智能化和可通信技术也快速发展。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。

1 工业现场总线技术

1.1 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IEC 61158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。

1.2 工业现场总线标准

工业现场总线标准主要有: ① IEC 62026低压开关设备和控制设备2控制器2设备接口;② IEC 61158工业控制系统用现场总线; ③GB /T 18858低压开关设备和控制设备2控制器2设备接口,等同采用IEC 62026; ④ JB /T 10542-2006低压电器通信规约。

1.3 工业现场总线在低压电器中的应用

工业现场总线技术广泛应用于低压电器中。一方面,国内外新一代低压电器元件都具有内置或外置的通信接口,能与工业现场总线相连接;另一方面,嵌入现场总线系统的低压配电和控制成套装置也逐渐推出,因而嵌入现场总线技术将成为新一代低压电器元件和成套装置的一个重要标志。

基于DeviceNet、Profibus、Modbus 3种总线技术,结合配电和控制成套装置技术的特殊要求而开发的智能网络配电和控制系统也已诞生。3S-Net系统就是一个支持多总线、开放的典型智能网络配电和控制系统。该系统可广泛用于变电站自动化、智能化开关柜,控制柜,工厂企业智能配电和控制系统等各种场合。下面以3S-Net系统为例,介绍工业现场总线在智能网络配电与控制系统中的应用。

1.3.1 3S-Net智能网络配电和控制系统的特点

(1) 具有开放性和支持多总线;

(2) 可提供设备运行状态的完整信息;

(3) 可降低电气设备运行和管理成本,提高质量、增强可靠性;

(4) 可十分方便地嵌入各种类型的开关柜、控制柜;

(5) 全汉化的上位机软件可使系统组态简易,配置轻松,操作简便、快速;

(6) 运用不同总线的设备支持厂商众多,方便用户选择。

1.3.2 3S-Net智能网络配电和控制系统的构成

3-2Net智能网络配电和控制系统由上位机组态软件、可接入系统的设备及系统附件组成。

(1) 上位机组态软件。可方便地集成Devicenet、Profibus-DP、Modbus总线,也可组成混合的总线系统。其特点是操作简便、快速,配置轻松,系统全局的报警信息及管理,趋势显示与归档,实时性强,中文人机界面友好。

(2) 可接入系统的设备。目前,可接入系统的设备有万能式框架断路器(ACB) 、低压真空框架断路器(VCB) 、塑壳断路器(MCCB) 、剩余电流保护断路器(RCB ) 、自动转化开关(ATS) 、接触器、电动机保护器、软起动器、电量仪表、I/O模块等;支持系统的设备制造商有常熟开关制造有限公司、杭州之江开关厂、Rockwell公司、西门子公司、施耐德公司等。

(3)系统附件。构成系统的附件有DeviceNet通信适配器、Profibus-DP通信适配器、DeviceNet网络延伸器、集线器、分支器等。

1.3.3 3S-Net智能网络配电和控制系统的典型方案

3S-Net智能网络配电和控制系统典型方案如图1所示。

1.3.4 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。

2 建筑电气总线技术

随着技术发展和经济的增长,建筑物内的电器设备和自动化程度迅速提高。现代网络技术同样渗入如低压电器设备等建筑电气领域,由于建筑电气领域通信与控制的使用环境、连接的对象和信号传递的要求不同于工业自动化领域,故形成了专门的建筑电气总线。

2.1 建筑电气总线技术特点

(1) 建筑物的空间范围大。现代大型建筑可能有几万甚至几十万平方米,拥有几千个房间,网络的延伸距离长、结构复杂,连接的设备多。

(2) 楼宇内部设备数量虽多,但设备间的协调配合要求或关联程度却比工业自动化系统差得多,一般来讲信息的密度和时间要求也不高。

(3) 楼宇设备如照明、空调都不是频繁操作,故建筑电气总线无需象工业自动化总线那样高速扫描网络上的从站,而只在需要时发送报文,通过网络上的耦合器或路由器,将报文局限在必要的路径内。通过传递机制的设计降低网络负荷,以便使用低成本和较低速率的物理介质。

2.2 主要的建筑电气总线技术

目前,主要的建筑电气总线有BACnet、LonWorks、E IB 等, LonWorks和E IB 是设备层的总线,BACnet是管理层的总线。

BACnet是一个开放的建筑电气总线,选用已成熟的局域网技术,简化OSI/RM,形成包容许多局域网的简单而实用的四级体系结构。四级结构包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。BACnet协议由楼字自控设备功能和信息数据的表示方式、5种规范局域网通信协议及它们间相互通信采用的协议等几部分组成。BACnet具有很高的性价比,市场应用前景十分广阔,其优势在于: ①独立于任何制造商,无需专用芯片,并得到众多制造商的支持; ②具有完善和良好的数据表示和交换方法; ③按BACnet标准制成的产品有严格的一致性等级; ④产品有良好的互操作性,有利于系统的扩展和集成。

LonWorks在智能建筑中占据重要地位,提供点对点双向通信的单层分布式网络,但其单层一级网络包容了传感器层、设备层和控制层3层意义; 此外, LonMark 诞生可使不同制造商应用LonWorks技术制造的产品互相操作, LonMark协会由暖通空调组、家用设备组、照明组、工业组、本质安全组、网络管理组、石油组、冷冻技术组、出入控制组组成,其实用性更强,在建筑物自动化领域是理想的实时控制总线。

EIB是1990年由ABB、Siemens等欧洲著名电气产品制造商为核心组成的E IBA协会制定的总线标准。按照开放的EIB标准生产的各种元器件能够相互兼容和交互操作,品种达4 000多种,几乎覆盖了建筑中各行业和满足各种用途的需要,被广为使用。其目标是一个标准、一个系统平台、一个多供货商的市场、产品可互连以及统一的市场说明。

2.3 建筑电气总线涉及的主要系统

建筑电气总线涉及的主要系统有智能供电系统、报警系统(火灾、防盗) 、通信系统、通风空调系统、门窗控制系统、照明系统、家用电器控制系统和能源表计量系统等,从而可构成完整的楼宇自动化系统。

2.4 建筑电气总线技术标准

建筑电气总线技术标准主要有ISO 16484楼宇自动化和控制系统。

2.5 建筑电气总线技术发展趋势

目前,建筑电气三大总线技术均发展迅速,各自的协会均有近百家的会员,在相当长的一段时间里将引领建筑电气总线技术的发展。随着楼宇自动化要求日益增多,不同的建筑电气总线在一段时间内并存且各自不断完善,但也将相互渗透和趋于统一、混合、重组,不久的将来可能会出现统一的楼宇自动化系统。

我国对建筑电气总线技术的研究与应用还刚刚起步,但随着建筑业的蓬勃发展,尤其是智能楼宇(楼宇自动化)需求日益增多,建筑电气总线技术在我国的应用与发展将驶入快速通道,具有美好的前景。

3 工业以太网技术

近年来,工业以太网技术发展迅速,这个原用于IT领域的标准,在信息网扩展中得到迅速的发展,其不断提高的性能和迅速降低的成本是现有任何工业自动化网络无法比拟的,这使得工业自动化领域的一些公司不约而同地将注意力集中在利用以太网的资源上,新一代的工业自动化网络几乎都建立在以太网基础之上,使之成为当前的技术热点,并有望成为下一代低压电器设备通信和控制的主流技术。

3.1 工业以太网技术现状与特点

以太网技术优势有: ①数据传输速率高, 目前已达到100Mb/s,并能提供足够的带宽; ②能在同一总线上运行不同的传输协议; ③在整个网络中,运用变互式和开放的数据存取技术; ④允许使用不同的物理介质和构成不同的拓朴结构。

以太网用于工业控制的改进如下:

(1) 实时性。实时性是信息网与工控网最主要的差别,现代的工控网都采用周期与非周期报文两种机制。周期报文用于传递控制命令、实测数据等时间要求高的少量参数,具有高的优先级和简单的报文结构,保证快速性;非周期报文用于参数设置、程序上载/下载、系统配置等操作,优先级低,但可完成复杂的操作。工业以太网是要利用以太网的资源实现工业通信的要求,许多标准都采用有连接的TCP / IP传递非周期报文,而利用无应答的报文结构简单的UDP规约传递周期报文,同时通过专用的硬件处理协议以提高速度。当然,以太网的冲突会造成数据帧的破坏,并需要经过延时重发,如果冲突几率提高就不能保证实时性,好在以太网的通信速率很高,只要适当控制网络负荷量,网络的实时性可以解决,各种不同组织对此都有不同的解决方案,从而产生不同的结果。

(2) 安全性。以太网是开放的网络,如今控制管理一体化的网络方便了管理和远程操作,但也带来安全问题,如何防止外界对控制系统的干预是需要考虑的问题。

(3) 工业使用环境的要求。在商业用环境下发展起来的以太网,转到工业应用时,很多部件(如电缆、连接器、路由器、网卡)都需要作环境适应性修改。

(4) 时钟同步。分散控制系统的时钟同步技术是为网络提供一个共同的时间基准,同步精度决定了所记录事件的时间精度,高精度的时间基准对于系统是非常重要的。

3.2 主要的工业以太网技术组织

现在主要的工业以太网技术组织如表1 所示。

3.3 工业以太网技术标准

目前,还没有统一的工业以太网国际标准,以上工业以太网组织都在积极争取使各自的协会标准成为国际标准,最新版的IEC 61158中就已经增加了Ethernet/ IP和Profinet等网络协议类型,相信未来几年会有更多的工业以太网协议成为国际标准的一部分。

3.4 工业以太网技术的发展

由于各种工业以太网技术在实时性、开放性、实现的功能上都会有很大差异,统一的工业以太网协议可能在相当长一段时间内还无法实现。但是网络的实时性、安全性和适应工业环境等方面有很多共性技术,通过合作可建立统一的基础,将有利于工业以太网技术的快速发展和在低压电器等领域的推广应用。

freeghost110 · 发表于 2007-4-10 21:31:00

3.1 EIB总线系统的发展进程

20世纪80年代中期，随着微电子技术和通讯技术的迅猛发展，自动控制领域尤其是工业界的过程控制领域对现场底层设备之间的通讯和控制问题提出了越来越高的要求，促使了控制技术的又一次大变革，即现场总线技术的产生。现场总线技术从出现开始，就以其在性能和结构上的巨大优势吸引了专家和用户的注意，众多知名的自动化集团公司纷纷独自或联合推出了各有特色的现场总线协议标准。这些优秀的总线标准在全世界得到了广泛的应用。

相对于对实时性、精确性及通讯效率等要求极高的工业自动化领域二言，建筑自动化领域的要求相对要低一些，从经济成本角度考虑，上面那些造价昂贵的现场总线技术并不非常适合于建筑领域。但是作为建筑本身的发展而言，随着用户对建筑提出的功能要求越来越高，满足这些功能而使用的现代化技术也日益复杂，在所谓的智能建筑中就集成了现代的通讯技术、微电子技术等多项尖端技术。这些技术的应用，不仅给建筑带来了较重的建设成本压力，其运行和维护的管理成本也越来越高，正是建筑对安全性、经济性、舒适性、应变性等各方面的不断提高的要求成为建筑领域的现场总线技术标准―European
Installation Bus, EIB（欧洲安装总线）技术产生和发展的基础。

1990年，欧洲著名的电气产品制造商为核心组成联盟，制定了EIB技术标准并成立了中立的非商业性组织EIBA（欧洲安装总线协会），总部设在比利时的布鲁塞尔。这个协会的成立极大的推动了EIB标准的发展，迄今为止，已有一百多家制造厂商成为了EIBA的会员，按照开放的EIB标准生产能够相互兼容和交互操作的各种元器件，各类产品品种多达4000多种，几乎覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要。经过十多年的发展，EIB不仅成为事实上的欧洲标准，也被成功地引入世界各地，2000年时在IEC国际现场总线标准大会上被作为提名国际标准之一。1999年，EIB技术开始被引入中国，在短短的三年多时间内，以其优越的性能和质量获得了很大的成功，2001年3月，为配合EIB技术的推广，在同济大学建立了亚洲规模最大的EIB认证技术培训中心。正是由于EIB标准的国际化，因此在推广中通常会形象的称之为“电气安装总线”技术。

3.2 EIB总线系统基本原理

现代的建筑离开电是无法想象的。无论是传统的照明和插座，还是现代化的通讯、安保等技术，都离不开电源的供应。EIB技术本身在传统电气安装技术基础上引入现场总线概念而发展起来的，它对传统电气安装技术而言是一次突破性的革命，它具有现场总线技术的核心优点如系统结构简单，设计、安装和维护方便，全分散控制等，解决了建筑由于涉及工种和功能过多而导致系统过于独立和操作复杂的问题，是当今技术领域非常优秀的技术标准。

3.2.1 总线传输介质

作为传输介质的EIB总线目前可支持双绞线（Twist Pair）、电力线(Power
Line)、无线电(Radio)和红外线(Infrared)四种介质。其中双绞线系统是应用最广泛的介质，它采用2×2×0.8的标准EIB总线，具有良好的抗干扰性。电力线系统多用于对旧建筑的改建，利用建筑中敷设的电力线作为载体传送信号。无线和红外系统则用于一些难以敷设线路的场合。目前在中国市场上提供的主要以双绞线系统为主。

3.2.2 系统拓扑结构

                  EIB总线系统有非常灵活的组态，可以适用于不同大小的电气安装系统――小到普通的一个房间，大至一栋大楼或一个小区，都可以在布局上分层次设计安装。线路（Line）是EIB的最小安装单元，每条线路上最多可连接和工作的总线元件为64个;通过线路耦合器（Line
                  Coupler）可以将多达15个线路连接组合成一个更大的拓扑单元称之为域（Area）；通过主干耦合器（Backbone
                  Line
                  Coupler）又可将15个域相互连接和组合起来。这样，EIB总线系统最多可连接多达14400个总线元件，可控制的用电设备点数更是数量惊人。事实上，当某一条线路需要连接更多的元件的话，还可以通过连接线路中继器（Line
                  Repeater）的办法再连接多192个总线元件。根据EIB标准规定，每条线路的总线最大长度为1000米。通过中继器的使用，我们可以用EIB来实现一些大距离跨度的控制如桥梁、小区等的电气照明控制。

3.2.3 信号传输

作为一个全分布式的现场总线系统，系统中的每一个元件都是一个智能体，它类似于通信中的每一个节点（Peer）,元件之间通过电信号（Telegram）交换信息，从而实现控制和被控制的操作。在一个建筑中，各个电气设备的动作完全是个随机事件，如在某一个时刻，可能同时有几个灯开关被揿下，某个房间要打开一幅窗帘而另一个房间要关闭一个空调阀门。动作的随机产生意味着在通讯总线上的电信号是随机出现的，且在同一个时刻可能要有若干个信号同时要传送。EIB和其它现场总线协议一样，采用的是串行异步的传输方式，为了提高可靠性和达到最大传输速率，EIB应用了CSMA/CA（具有避免冲突的载波侦听多路访问），通过这种总线访问技术，使得在多个总线元件同时发送信号时就不会发生信号丢失现象，而且EIB有自己的优先权定义以保证信号按照一定的次序先后传送。

3.2.4 寻址

                  为了保证系统中各个元件之间准确无误地进行信息交换，EIB引入了“地址”的概念。在EIB协议标准中，定义了两种类型的地址：物理地址（Physical
                  Address）和组地址（Group
                  Address）。物理地址时用来标识每一个元件的身份的，在系统中，每一个元件都有一个属于自己的唯一的物理地址，为了方便调试，这个地址一般都按照该元件在整个拓扑中的位置来设定。有了物理地址，元件可以很方便地进行标识，并通过总线下载自己被赋予的应用程序。和物理地址的唯一性不同，每一个元件可以被赋予一个或多个组地址。事实上，组地址是用来进行通讯用的。当一个元件要实现某个目的而发出电信号后，在整个拓扑上的元件，只要其组地址和总线上传输的电信号中包含的组地址相同，它就能响应这个信号中包含的动作指令。利用组地址的概念，可以轻易实现传统电气安装技术中很难实现的“一控多”和“多控一”任务。

3.2.5 总线元件

EIB问世十多年，在一百多家会员厂商的共同研发努力下，共生产了4000多种功能元件，可以说，建筑中和电有关的几乎所有功能，EIB都有相应的模块来实现。这是一个了不起的成就，它也体现了开放系统的巨大优越性：无论那个厂商，以一己之力，世很难开发功能如此齐全的全系列产品的。这些不同厂商的元件可以完全无障碍地进行组合，在功能的界面下调试和正常工作。

EIB
的元件从功能上可以分为三大类：传感器、执行器和系统附件。尤其是取代传统面板按钮开关的EIB多功能开关，外形和安装都和传统的86型开关类型，但在一个面板上可以实现照明、空调、窗帘等多种功能，真正实现了多系统的集成。

3.3 EIB总线系统的特点

从EIB的技术层面上，我们额国内外建筑中采用的各个智能化系统相比较，可以看出在现阶段，EIB技术的特色和优势是非常明显的，最大的特色体现在其兼容性和开放性方面。建筑的成本分为构造成本和使用成本两大块。长期以来，人们习惯认为用一笔巨大的投资将建筑建设完成后投入使用即算是完成了，但随着高技术的不断采用和不断发展，尤其是在一些现代化程度较高的建筑中，后期的成本要远高于建设成本。据有关统计，以二十年为统计周期，建设的成本只占25％而运行维护的成本高达75％。因此，在系统设计考虑中，必须事先考虑其将来的运行和维护费用，同时也要考虑管理的便捷性。在这一点上，由于EIB得到了众多厂商的支持，产品又完全可以兼容，这就可以最大程度地保护用户的利益，不会一旦选用某个产品而今后所有的维护升级都必须依赖这个厂商。在建设过程中，多家厂商的产品兼容也可以使用户得到最好的价格和服务。

和许多类似的产品相比，EIB有一个很大的特点，那就是进行系统设计、编程和调试的工具软件ETS（EIB Tool
Software）并不是由某一家厂商开发和提供的，而是由中立的协会EIBA开发和销售的，各个厂商按照标准的格式开发每个元件的数据库，这些数据库通常是可以通过互联网免费获得的。

EIB是一个智能化的电气安装系统，它的每一个元件的功能可以根据要求的变化而变化，只要简单地更改一下程序即可。对于一些建筑空间经常发生变化的场所如大开间用于出租的写字楼，由于空间的变化而带来使用区域和使用功能的变化，EIB系统可以很好地适应变化而无需重排管线。

在传统的电气安装中，如果一个房间需要多种功能，通常需要安装多个厂商的不同产品，相应的带来了复杂的布线，更带来了烦杂的调试和维护工作。EIB系统可以实现多种功能的集成，在一个面板上可以完成多种控制功能，再配以红外遥控等，不仅减少了布线，更简便了检修维护工作。

3.4 EIB总线系统的应用

从20世纪90年代以来，中国的经济得以高速增长，智能建筑、智能小区、智能住宅的概念也日益为普通百姓所熟悉。所谓智能化的实质，就是在建筑中使用了大量高技术设备，以满足用户不断增长的功能要求。EIB总线系统从上世纪末进入中国以后，短短几年中得到了广泛的应用，证明其功能和市场定位填补了当前的中国市场空白，其灵活的系统结构决定了从大型的智能化大楼到普通的居民，都可以得到具体的应用。经过对这些年EIB在中国的应用情况的分析，可以看出它主要适用于：

§ 住房建筑尤其是独立型住宅如别墅等

§ 公用建筑

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