（电气工程专业论文）modbusdevicenet现场总线协议转换装置及其在低压电器领域的应用.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r e f es om a n yf i e l d b u sp r o t o c o l sa n dt h e ya r ea p p l i e di nd i f f e r e n t f i e l d s t h e r e f o r e w ea r en o wi nt h es i t u a t i o no fm a n yf i e l d b u s e se x i s t i n g b e c a u s eo ft h es i m p i c i t yo fm o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l m o d b u sr t u c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sf r e q u e n t l yu s e di nl o wv o l t a g ee l e c t r i c a l a p p a r a t u sp r o d u c t s a so n ep a r to ft h ea d v a n c e dc o m m o ni n d u s t r yp r o t o c o l c i p f r a m es u p p o r t e db yo d v a t h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o di sc o m p l e t e l y u s e di nt h ed e v i c e n e tc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 d e v i c e n e ti so n eo ft h em o s t c o m p r e h e n s i r eu s e f u lp r o t o c o l si nt h ew o r l da n di th a sb e e ni n c l u d e di n t h es t a n d a r do fc h i n a g b t 1 8 8 5 8 3 2 0 0 2 f o rt h i sr e a s o n t h e r ea r eh i g h r e s e a r c hv a l u ea n dm a r k e tv a l u ei nr e s e a r c ho ft h ep r o t o c o lt r a n s f o r m a t i o n t e c h n i q u eo fd e v i c e n e ta n dm o d b u s a n dd e v e l o p m e n to fm o d b u s d e v i c e n e t c o m m u n i c a t i o na d a p t e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n ds o m er e s u l t sa r ea s f o l l o w s i f i r s t t h i st h e s i se l a b o r a t st h ed e v e l o p m e n to f f i e l d b u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt h r o u g hr e f e r r i n gt h er e le v a n tt h e o r i e s t o o l sa n d m e t h o d so fc o m p u t e rn e t w o r kp r o t o c o le n g i n e e r i n g i tn o to n 1 ya n a l y z e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c e n e ta n dm o d b u sf i e l d b u sb u ta l s ot h r e em a i n a s p e c t so ft h ep r o t o c o le n g i n e e r i n gw h i c ha r ed e s i g n m o d e l i n ga n d i m p l e m e n t a t i o n t h e nt h r o u g ht h em e t h o do fo b j e c to r i e n t e d i ta n a l y z e s t h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo fd e v i c e n e tf r o mt w os i d e s e x t e r n a l n e t w o r ko b j e c t sa n di n t e r n a lo b j e c tm o d e l a n di td e t a i l e d l yp a r s e st h e d e v i c e n e t so b j e c t o r i e n t e dm o d e l f r a m ea n de o m m u n i c a t i o ne t c a tl a s t au s e f u la n da p p l i c a b l em e t h o do fp r o t o c o lt r a n s f o r m a t i o ni sr a i s e d t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h em o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n db yu s i n gt h e d u a lp o r tr a mt or e a l i z et h ed a t ae x c h a n g e 2 a ne a s yc o n f i g u r a b l em o d b u s d e v i c e n e tc o m m u n i c a t i o na d a p t e rw i t h s e l f o w n e di n t e l l e c t u a lp r o p e r t yh a sb e e nd e v e lo p e ds u c c e s s f u l t h e h 海大学硕士学位论文 h a r d w a r ed e s i g nc o n s i s t so ft w op a r t s o n ei st h ed e v i c e n e ti n t e r f a c e m o d u l ew i t hm c ua n dc a nc o n t r 0 1 e re t c t h eo t h e ri sm o d b u si n t e r f a c e m o d u l ew i t hm c ua n dr 8 4 8 5t r a n s c e i v e re t c t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e s m o d b u ss t a ti o n p r o t o c o ls o f t w a r e p cc o n f i g u r a ti o ns o f t w a r e t h e p r e d e f i n e dm a s t e r s l a v ec o n n e c t i o np r o t o c o ls o f t w a r ea n ds o f t w a r e f u n c t i o nm o d u l e sa sf o l l o w s t h em e s s a g er e c e i v i n ga n ds e n d i n gm o d u l e i d e n t i f i c a t i o no b j e c t m o d u l e e x p l i c i tm e s s a g ea n di m p l i c i tm e s s a g e m o d u l e e t c 3 t h e a d a p t e rh a sp a s s e dt h et e s to fg b t1 8 8 5 8 3 2 0 0 2i nt h e l a b o r a t o r yo fc n a l t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h em o d b u s d e v i c e n e t a d a p t e rf u l l ym e e t st h ed e v i c e n e tf i e l d b u ss t a n d a r d p a r t i c u l a r l y t h e a p p l i c a t i o no ft h ea d a p t e ri nt y p i c a lp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e ms h o w st h a t t h eq u a l i t yo ft h ea d a p t e ri sr e l i a b l e i th a sb e e nc o n f i r m e dt h a tt h e a d a p t e rr e a c h e si n t e r n a t i q n a la d v a n c e dl e v e lt h r o u g ht h er e t r i e v i n gi n s h a n g h a is c i e n t i f i ci n f o r m a t i o ni n s t i t u t e k e y w o r d s d e v i c e n e t m o d b u s f i e l d b u s o b je c t o r ie n t e dm e t h o d p r o t o c 0 1t r a n s f o r m c o m m u n ic a t i o na d a p t e r c o n f i g u r a b l e 1 1 1 原创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果 参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 雀日期丛生丕垆 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 论文及送交论文复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 邋翩虢塑坠竺胁 撕 2 册莎 o 占 上海大学硕士学位论文 第一章概述 计算机技术 通讯技术和微电子技术的迅猛发展 互相渗透与有机结合 使 信息技术得到了高速发展 并将人类社会带进信息社会 在信息技术高速发展的 同时 自动化领域也发生了深刻的技术变革 产生了自动化领域的开放系统互连 的通讯网络 现场总线控制网络 形成了全分布式网络集成自动化系统 基于 计算机网络技术 现场总线技术 控制系统技术等融合的现场总线控制网络技术 属于综合性 实用性的技术 因此现场总线控制技术己成为世界上新的自控技术 热点 被誉为跨世纪的自控新技术 近年来 对现场总线技术协议的研究及开发 成为自动化领域的一大热点 1 1 课题的研究背景 随着社会的进步和科技的发展 现场总线技术发展非常迅速 被认为是新一 代自动化设备的标志性技术 也是我国改造传统工业的有力工具 是信息化带动 工业化的重点方向 目前已有十多种国际标准现场总线协议 国内还处在学习宣 传阶段 采用协议工程技术制订和分析现场总线协议几乎是空白 国内在这方面 浙大中控提出e p a 工业以太网协议是一个开创性的工作 随着标准化时代的到 来 发达国家纷纷从技术战略发展到标准战略 从技术立国到知识产权立国 我 国也需要更多的标准来促进社会生产力的发展o d e v i c e n e t 现场总线是一种比较先进的现场总线网络协议 其c i p c o m m o n i n d u s t r i a lp r o t o c 0 1 构架代表了未来总线协议发展的主流方向 d e v i c e n e t 出现较 晚 国际电工委员会 i e c 于2 0 0 0 年公布了i e c 6 2 0 2 6 现场总线标准 低压开 关装置与控制装罨用控制设备之间的接口标准 d e v i c e n e t 现场总线协议是i e c 公布的四种设备层总线协议之一 并己于2 0 0 2 年l o 月8 日被批准为国家标准 g b t 1 8 8 5 8 3 2 0 0 2 低压开关设备和控制设备控制器一设备接口 c d i 第3 部 分 d e v i c e n e t i e c6 2 0 2 6 3 2 0 0 0 i d t 2 0 0 3 年4 月1 日开始实施 目前 d e v i c e n e t 的供货商数量在众多总线中仅次于p r o f i b u s 占有世界两个最大市场 美国和日本5 0 以上的份额 从全球来看每年新增的结点数和p r o f i b u s 不相上 上海大学硕士学位论文 下 o d v a 目前有会员8 7 1 个 是会员最多的现场总线组织 已认证的产品有 6 0 0 多种 已投用的节点突破了5 0 0 万个 尽管d e v i c e n e t 在国内第一个取得了国家标准 并且得到了广泛的应用 但目前国内对d e v i c e n e t 的研究还很少 开发商大约有7 8 家左右 自主开发 的产品层次比较低 尚未大量进入市场 另外 2 0 0 4 年度国家科技型中小企业 技术创新基金项目指南 的现场总线控制系统部分中明确提出 在电力 交通等 基础设施建设行业 鼓励优先使用p r o f i b u s c o n t r o l n e t d e v i c e n e t 现场总线技 术 所以其自主研究开发显得尤为重要 m o d b u s r t u 通讯规约目前是国内低压电器产品所采用的主流通讯规约 国 内主要的低压电器生产制造厂商所生产的智能型低压电器产品均内置m o d b u s r t u 通讯规约 因此研究m o d b u s d e v i c e n e t 协议转换技术并开发 m o d b u s d e v i c e n e t 通讯适配器是当前低压电器生产制造厂商的紧迫任务 本课题研究的意义在于面向解决多现场总线标准的产品互连问题 增加各 类现场总线网络产品的互可替换性及各类网络的互可操作性 从而为网络产品的 最终用户在使用上带来更广泛的选择性和更大的灵活性 为用户提供开放的自动 化系统和改造原有系统高性价比的解决方案 课题立足于输配电行业 对促进低 压配电系统中现场总线技术的应用有深远的意义 本课题的研究正是基于这样的 现实情况 对此问题进行研究和探讨 1 2 现场总线概况及分析 现场总线是应用在生产现场 在测量控制设备之问实现双向串行多节点数字 通信的开放型控制网络技术 现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名 词 是测控领域的通信与网络技术 1 工业数据通信系统在生产设备之间传递数 字信息 是形成控制网络的基础和支撑条件 是控制网络技术的重要组成部分 随着计算机技术 通讯技术 集成电路技术的发展 以全数字式现场总线 f i e l d b u s 为代表的互联规范 正在迅猛发展和扩大 由于采用现场总线将使 控制系统结构简单 系统安装费用减少并且易于维护 用户可以自由选择不同厂 商 不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点 现场总线技术正 越来越受到人们的重视 近十几年由于不能建立统一的现场总线国际标准 现场 上海大学硕士学位论文 总线发展的种类较多 约有4 0 余种 如德国西门子公司s i e m e n s 的p r o f i b u s 法国的f i p 英国的e r a 挪威的f i n t e c h e l o n 公司的l o n w o r k s p h e n i x c o n t a c t 公司的i n t e r b u s r o b e rb o s c h 公司的c a n r o s e m o u n t 公司的h a r t c a r l o g a r a z z i 公司的d u p l i n e 丹麦p r o c e s s d a t a 公司的p n e t p e t e r h a n s 公司的f m u x 以及a s i a e t r a t u rs e n s o ri n t e r f a c e m o d b u s s d s a r c n e t 国际标准组织 基金会现场总线f f f i e l d b u sf o u n d a t i o n w o r l d f i p b i t b u s 美国的d e v i c e n e t 与c o n t r o l n e t 等等 i d o d b u s m o d b u s 通讯规约是最早由m o d i c o n 公司提出的应用于电子控制器上的一种 通讯语言 通过此规约 控制器相互之间 以及控制器经由网络 例如以太网 和其它设备之间可以通信 目前 m o d b u s 已经成为一通用工业标准 被广泛的 应用于工业控制 电力配电等行业的自动控制系统中 近几年来 随着m o d b u s 应用协议不断扩展 己将w e bs e v e r t c p i p 工业以太网等关键技术引入到 m o d b u s 应用协议解决方案中 形成了m o d b u s 应用协议族 1 m o d b u s 协议通讯 采用r s 4 8 5 主从通讯方式 有a s c i i 美国信息交换码 和r t u 远程终端设备 两种传输模式 m o d b u s 以其低成本 易开发性和透明度高的特点 已经被很多产品制造商 所采用 并且在输配电系统 智能配电系统中得到了大量的应用 1 特别是 m o d b u s r t u 通讯规约 已经被国内绝大部分低压电器元件厂商所接受 而具有 m o d b u s r t u 通讯规约的低压电器产品已经成为现在的主流产品 c a n c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k b i 控制器局域网络 属于工业现场总线的范 畴 是德国的b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测 试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议 后来逐步发展到过程工 业 机械工业 机器人 机床 传感器等领域 c a n 总线是最早成为国际标准 的现场总线 被认为是最有前途的现场总线之一 与一般的通信总线相比 c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性 实时性和灵活性 由于其良好的性能及独特 的设计 c a n 总线越来越受到人们的重视 它在汽车领域上的应用是最广泛的 世界上一些著名的汽车制造厂商 如b e n z 奔驰 b m w 宝马 p o r s c h e 保 上海大学硕士学位论文 时捷 r o l l s r o y c e 劳斯莱斯 和j a g u a r 美洲豹 等都采用了c a n 总线 来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信 同时 由于c a n 总线本身的特点 其应用范围目前己不再局限于汽车行业 而向自动控制 航空 航天 航海 过程工业 机械工业 纺织机械 农用机械 机器人 数控机床 医疗器械及传感器等领域发展 c a n 已经形成国际标准 并已被公认为几种最 有前途的现场总线之一 其典型的应用协议有 s a ej 1 9 3 9 i s 0 1 1 7 8 3 c a n o p e n c a n a e r o s p a c e d e v i c e n e t n m e a2 0 0 0 等 d e v i c e n e t d e v i c e n e t 现场总线是一种基于c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 的低成本的通 信总线 将工业设备 如限位开关 光电传感器 阀组 马达启动器 过程传感 器 条形码读取器 变频驱动器 面板显示器和操作员接口 连接到网络 从而 免去了昂贵的硬接线成本 d e v i c e n e t 是一种简单的网络解决方案 在提供多供 货商部件间的可互换性的同时 减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时 间 d e v i c e n e t 的直接互连性不仅改善了设备间的通讯 而且同时提供了相当重 要的设备级诊断功能 这是通过硬接线i o 接口很难实现的 d e v i c e n e t 具有如下一些技术特点 1 1 最大6 4 个节点 2 1 2 5 k 2 5 0 k 5 0 0 k b i t s 通讯速率 3 点对点 多主或主 从通讯 4 可带电更换网络节点 在线修改网络配置 5 采用c a n 的物理层和数据链路层规约 使用c a n 规约芯片 得到国际 上主要芯片制造商的支持 6 支持位选通 b i t s t r o b e 轮询 p o l l i n g 循环 c y c l i n g 状态变化 c o s c h a n g eo fs t a r e 和应用触发 h e a r t b e a t 的数据传送 7 低成本 高可靠性的数据网络 8 既适用于连接低端工业设备 又能连接像变频器 操作终端这样的复杂 设备 9 采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息 1 0 有通讯错误分级检测机制 通讯故障的自动判别和恢复功能 t 海大学硕士学位论文 l l 得到众多在自动化行业居于领先地位的制造商的支持 如r o c k w e l l o m r o n h i t a c h i c u t t e r h a m m e r a b b 等 d e v i c e n e t 制造商协会 0 d v a 拥有3 0 0 多个会员 遍布世界各地 2 0 0 2 年o d v a 推出新的核心网络技术c i p 构架 c 1 p c o m m o ni n d u s t r y p r o t o c 0 1 是一个单一的 开放式 与介质无关的协议 是设计工业控制设备的 基于对象的一种方法 它是独立于特定网络的应用层协议 提供了访问数据和控 制设备操作的服务集 面向对象的描述方法提供了3 种网络的一致接口 同时将 安全 s a l t y 功能扩展至i j c i p 构成称之为c i ps a f e t y 的安全网络 c i ps a f e t y 协议能够提供诸如安全i o 模块 互锁开关 安全护罩及安全网络控制器等设备 的故障安全通讯 在安全应用中可以达至t j i e c 6 1 5 0 8 标准的s i l 3 级 在c i p 构架下 d e v i c e n e t 重新定义为 d e v i c e n e t c i p0 1 1c a n 同时基于 c i p d e v i c e n e t 依据其自身具有的s a f e t y 特点可扩展为d e v i c e n e t s a f e t y 在c i p 统一构架下 d e v i c e n e t 上的任何节点对整个网络 不同介质 安全网络 标 准网络 都可以实现无缝连接 这些优势进一步提高了d e v i c e n e t 的适应性与 应用领域 成为技术最先进的设各级现场总线之一 基金会现场总线f f 现场总线基金会包含1 0 0 多个成员单位 负责制订一个综合i e c f l s a 标准的 国际现场总线 它的前身是可互操作系统协议i s p i n t e r p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 一基于德国的p r o f i b i s 标准 和工厂仪表世界协议w o r l d f i p w o r l df a c t o r y i n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 一基于法国的f i p 标准 i s p 和w o r l d f l p 于1 9 9 4 年 6 月合并成立了现场总线基金会 基会会现场总线采用国际标准化组织i s o 的开 放化系统互联o s i 的简化模型 1 2 7 层 另外增加了用户层 p r o f i b u s p r o f i b u s 自1 9 8 4 年开始研制现场总线产品 现已成为欧洲首届一指的开放 式现场总线系统 欧洲市场占有率大于4 0 广泛应用于加工自动化 楼宇自动 化 过程自动化 发电与输配电等领域 1 9 9 6 年6 月p r o f i b u s 被采纳为欧洲标 准e n 5 0 1 7 0 第二卷 p n o 为其用户组织 核心公司有 s i e m e n s 公司 e h 公 司 s a m s o n 公司 s o m n g 公司等 1 p r o f i b u s 技术特性 p r o f i b u s 以1 s 0 7 4 9 8 为基础 以开放式系统瓦联网络o s i 上海大学硕士学位论文 o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n 作为参考模型 定义了物理传输特性 总线存取 协议和应用功能 p r o f i b u s 家族包括p r o f i b u s d p p r o f i b u s p a p r o f i b u s f m s p r o f i b u s d p d e c e n t r a l i z e dp 嘶曲e r y 是一种高速和便宜的通信连接 用于自动 控制系统和设备级分散的i o 之间进行通信 p r o f i b u s f m s f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n 用来解决车间级通用性通信任务 与l l i l o w e r l a y e r i n t e r f a c e 构成应用层 f m s 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信 服务 l l i 协调了不同的通信关系并向f m s 提供了不依赖设备访问数据链路层 p r o f i b u s p a p r o c e s s a u t o m a t i o n 专为过程自动化而设计的 它可使传感器和执 行器接在一根共用的总线上 根据1 e c 6 1 1 5 8 2 国际标准 p r o f i b u s p a 可用双绞 线供电技术进行数据通信 数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议和描述现场设 备的p a 行规 当使用电缆耦合器 p m f i b u s p a 装置能很方便的连接到 p r o f i b u s d p 网络 w o r l d f l p w o r l d f i p 协会成立于1 9 8 7 年3 月 以法国c e g e l e c s c h n e i d e r 等公司为基 础开发了f i p 3 l 厂仪表协议 现场总线系列产品 协会有1 0 0 多个成员 产品 在法国市场占有率大于6 0 欧洲约2 5 1 产品适用于发电与输配电 加工自 动化 铁路运输 地铁和过程自动化等领域 1 9 9 6 年6 月w o r l d f i p 被采纳为欧 洲标准e n 5 0 1 7 0 w o r l d f i p 是一个开放系统 不同系统 不同厂家生产的装置都 可以使用w o r l d f i p 应用结构可以是集中型 分散型和主站一从站型 w o r l d f i p 现场总线构成的系统可分为三级 过程级 控制级和监控级 这样用单一的 w o r l d f i p 总线就可以满足过程控制 工厂制造加工系统和各种驱动系统的需要 了 c o n t r o l n e t c o n t r o l n e t 的基础技术是在r o c k w e l la u t o m a t i o n 企业于1 9 9 5 年1 0 月公布 1 9 9 7 年7 月成立了c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l 组织 r o c k w e l l 转让此项技术给该组 织 组织成员有5 0 多个如a b b r o b o t i e s h o n e y w e l l i n c y o k o g a w a c o r p t o s h i b a i n t e r n a t i o n a l p r o c t e r g a m b l e o m r o ne l e c t r o n i c si n c 等 传统的工厂级的控制体系结构有五层即工厂层 车间层 单元层 工作站层 设备层组成 而r o c k w e l l 自动化系统简化为三层结构模式 信息层 e t h e m e t 6 海大学硕士学位论文 以太网 控制层 c o n t r o l n e t 控制网 设备层 d e v i c e n e t 设备网 c o n t r o l n e t 层常传输大量的i o 和对等通讯信息 具有确定性和可重复性的 紧密联系控制 器和i o 设备的要求 它具备如下特点 i c o n t r o l n e t 在单根电缆上支持两种 类型的信息传输 有实时性的控制信息和i o 数据传输 无时问苛求的信息发送 和程序上 下载 2 c o n t r o l n e t 技术采取了一种新的通信模式 以生产者 客户 模式取代了传统的源 目的模式它不仅支持传统的点对点通讯 而且允许同时向 多个设备传递信息 生产者 客户模式使用时间片算法保证各节点实现同步 从 而提高了带宽利用率 3 c o n t r o l n e t 使用同轴电缆可达6 k m 节点数9 9 个 两 个节点间距离最长达1 0 0 0 m 4 8 个节点距离可长达2 5 0 m 采用光纤和中继器后 通讯距离可达几十公里 c o n t r o l n e t 应用于过程控制 自动化制造等领域 从上面对其中现场总线的分析不难看出 各种总线均有特色 目前国际上已 有4 0 多种现场总线 但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用领域 分析原 因大致有两个 一是技术原因 由于自动化领域涉及到行业的方方面面 要制定 能满足不同行业标准 互连不同类型网络的统一标准有很大技术难度 二是商业 利益驱动 国际上各著名的大企业 大公司拼命扩大自己已有技术在国际标准中 占有的份额 以占领更多的市场 造成各公司 各种总线互不相让 导致多种现 场总线共存的局面 而且有专家预言 这种多总线并存的局面还将在一定范围内 长期存在 1 3 协议转换技术的发展现状 由于目前的现场总线有几十多种 任何一种产品不可能支持所有的现场总 线 每家公司只能以一 两种现场总线产品为主 这涉及到异构控制网络互连 即不同通讯协议的相互转换 协议的相互转换也就成为当前一个热门课题 国外 主要从事现场总线协议转换的厂商有瑞典h m s 公司 德国h i l s h e r 公司 美国 w o o d h e a d 公司等 国内从事这方面研究有上海电器科学研究所 主要从事 m o d b u s d e v i c e n e t 现场总线产品 北京自动化研究所 主要从事m o d b u s p r o f i b u s d p 现场总线产品 等单位 协议的相互转换通常有两种方式 a 基于o p cs e r v e r 软件解决 上海大学硕十学位论文 其原理通常是将计算机作为网关 计算机上插入不同的现场总线主站卡 通过不同现场总线的o p cs e r v e r 来进行异型现场总线系统的互连 特点 成本低 方法简单 但不灵活 可靠性较差 b 基于硬件的解决方法 其原理通常是设计不同现场总线协议网关产品 现场总线协议的多样性 决定了现场总线协议网关产品的多样性 常见的产品有 a m o d b u s d e v i c e n e t b m o d b u s p r o f i n e t c m o d b u s p r o f i b u sd p d m o d b u s e t h e r n e t l p 等等 特点 成本高 但应用灵活 可靠性高 主站可以是p c 机 也可以是 p l c 等其他硬件设各 1 4 本文主要贡献及内容安排 本课题来源于上海市科委的专利二次开发项目 带有d e v i c e n e t 现场总线 接口的低压断路器智能控制器 编号 0 3 7 2 5 2 0 1 5 该项目旨在通过d e v i c e n e t 现场总线通讯接口 实现低压断路器与应用环境中的其它电器设备组成通讯网 络 本课题是其中的重要科技攻关部分 主要研究和工程实现m o d b u s 通讯规约 与d e v i c e n e t 现场总线协议的转换装置 并用于实际应用 由于低压电器产品的特殊性 目前已有的m o d b u s d e v i c e n e t 通讯适配器并 不适合在低压电器领域应用 本课题的主要内容就是对d e v i c e n e t 这种现场总线 协议使用面向对象的分析方法及协议工程的一些方法工具进行研究分析 并在此 基础上通过软硬件设计实现了一个具有自主知识产权并且适合低压电器应用领 域的m o d b u s d e v i c e n e t 通讯适配器 根据课题的研究内容 论文共分八章 第一章介绍了课题研究的背景 以及研究内容简介 课题来源和意义等 第二章介绍低压电器的最新发展及现场总线技术在低压电器领域的应用 第三章对m o d b u s 协议 d e v i c e n e t 协议作详细研究并提出通过双口r a m 进 行协议转换的方法 上海大学硕士学位论文 第四章根据d e v i c e n e t 标准对m o d b u s d e v i c e n e t 通讯适配器硬件做详细设 计 第五章论述了m o d b u s d e v i c e n e t 通讯适配器的软件设计 按照面向对象的 程序设计方法 使用单片机c 语言构造了全部协议涉及的对象 以及状态机等 形成了完整的d e v i c e n e t m o d b u s 协议软件框架 第六章介绍了m o d b u s d e v i c e n e t 通讯适配器的g b t 1 8 8 5 8 3 2 0 0 2 标准测 试 标准测试包括e m c 测试和d e v i c e n e t 一致性测试两部分 第七章介绍了m o d b u s d e v i c e n e t 通讯适配器在配电系统中典型应用 第八章是对本课题的工作总结及进一步研究工作展望 海大学硕士学位论文 第二章低压电器及其现场总线应用需求 本章首先介绍了低压电器及其制造厂商的现有情况 并且较为详细地分析了 低压电器产品的发展趋势 最后 介绍了现场总线技术在国内外低压电器产品中 的应用情况 2 1 低压电器概况 低压电器通常是指在低压配电系统和控制系统中起开关 控制 保护 检测 指示和报警等作用的元件或装置 它是国家安全用电的重要保证 也是低压用电 系统可靠运行的基础 在国民经济中有着不可替代的重要地位与作用 其品种繁 多 量大面广 几乎渗透到所有用电领域 我国低压电器产品的发展经历了全面 仿制 自行设计 更新换代 引进技术 跟踪国外新产品等几含阶段 经过多年 的发展 我国低压电器在产品品种 水平 生产总量 新技术应用 检测技术与 国际标准接轨等方面都取得了重大成就 基本上满足我国国民经济发展的需要 我国现在生产的低压电器产品约有1 0 0 0 多个系列 产值约2 0 0 亿人民币 生产企业1 5 0 0 多家 目前低压电器实行强制3 c 认证 截至2 0 0 3 年底 低压电 器元件获3 c 认证1 3 0 0 0 多个单元 低压成套装管获3 c 认证6 0 0 0 多个单元 1 据权威部门统计 2 0 0 3 年我国主要的低压电器产品产量约为 框架断式断 路器 a c b 5 0 万台 塑料外壳式断路器 m c c b 1 5 0 0 万台 含配电保护与电动 机保护 交流接触器 c o n t a c t o r 4 0 0 0 万台 热继电器 t h e r m a lr e l a y 1 2 0 0 万台 微型断路器 m o b 1 4 0 0 0 万极 上述5 大类产品产值约占低压电器总产值 8 0 以上 据海关统计 2 0 0 1 年主要低压电器出口为6 8 3 6 万美元 进口为7 4 3 0 万美元 逆差为5 9 4 万美元 2 0 0 2 年出口增长1 7 5 达8 0 3 0 万美元 进口增 长2 1 3 达9 叭3 万美元 逆差为9 8 3 万美元 以上这些统计是指低压电器元 件单独进出口数据 与成套产品配套进出口的未统计在内 1 我国低压电器生产企业大致分为3 类 第一类是国有企业包括己改制企业 如上海人民电器 一 常熟开关厂 产值占国内总产量2 5 左右 并且以中 高 档产品为主 第二类是三资企业包括独资 合资企业 如施奈德 a b b g e 等在 中国的合资公司 产值占国内总产量2 5 左右 并且以高档次产品为主 第三 上海大学硕十学位论文 类是民营企业 如正泰集团 得力西集团 大全集团 杭申集团 产值占国内总 产量5 0 左右 不过以低档次产品为主 从上面的统计不难看出 无论是国有 企业还是民营企业 产品能级与三资企业相比 存在能级低的问题 造成这样一 个局面的原因如下 1 基础研究薄弱 科研与产品开发投入少 发达国家低压 电器重大系列产品开发投入资金折合人民币一般达数亿元之巨 而我国一般投资 在几百万至上千万 相差太多 2 新产品开发大部分仍以仿制为主要手段 真 正具有自主知识产权 有自己特色的产品少 创新意识薄弱 3 高校和科研单 位与企业在组织新产品开发时 一般较注重基本系列开发 不注重派生规格 附 件 配套件开发 4 不注意产品外观设计与外观质量 这在相当程度上影响了 设计院在许多工程项目上选用国内产品 5 工艺装备和材料不适应低压电器新 产品发展 无论是材料还是制造技术都严重的影响了低压电器制造业的发展 6 我国大部分生产企业生产的低压电器产品在产品标准上明显滞后于i e c 标 准 国际上的i e c 标准发展迅速 而g b 标准往往滞后五年左右 2 2 低压电器发展趋势 我国低压电器行业经过5 0 多年的发展 技术水平在一直不断的提高 目前 基本形成了比较完整的体系 就低压电器品种 规格 性能 基本满足国民经济 发展的需求 以框架式空气断路器为例 到目前为止已经发展到第四代产品 第 一代低压电器是5 0 年代末期 7 0 年代中期自主开发完成的 如d w l 0 系列框架 断路器 目前这代产品由于高耗材 高耗能的原因在市场上禁止使用 第二代低 压电器产品是7 0 年代中期 8 0 年代末期完成的以国外技术转让及在此基础上自 主开发的更新换代产品 如上海人民电器厂引进a e g 公司的m e 系列框架断路 器产品 还有联合开发的d w l 5 系列断路器 第三代低压电器产品是8 0 年代末 期 9 0 年中期开发完成的 主要由上海电器科学研究所 上海人民电器厂等联 合设计 跟踪国外新技术自主开发的产品 如d w 4 0 系列产品 它采用c a d 设 计 并成功的综合运用了电子技术和信息技术 目前市场占有率最大 第四代低 压电器产品是9 0 年代末期 现在 国内自主研制推出产品 综合运用了智能保 护 通讯等技术 具有前几代产品的许多优点 同时更体现出模块化和小型化的 特点 但由于这代产品在2 0 0 4 年正式推向市场 时间较短 系列不齐全 能够 上海大学硕士学位论文 提供这代产品的制造厂商很少 目前市场占有率还很低 但相信具有较好的发展 势头 从需求的角度来看 低压电器的发展与电力事业的发展是密切相关的 据测 算 2 0 0 1 年 2 0 0 5 年全国发电量增幅在4 左右 2 0 0 8 年 2 0 1 0 年在4 5 左右 2 0 0 1 年 2 0 1 0 年每年均新增装机容量为2 1 g w 左右 如此大的电力系统增幅 不但要求低压电器产品的数量与之相配套 更需要低压电器产品的技术含量与之 相配套 通过降低生产 安装和维护成本 从而降低企业的成本投入 同时满足 行业的发展需求 这就要求低压电器产品应用的深度和广度应有进一步的提高 未来一段时间低压电器行业将瞄准高新技术 对现有较好的传统产品进行二次开 发 巩固传统产品的市场 同时 研制 开发我国新一代的智能化 可通信低压 电器产品 包括智能化的万能式断路器 塑壳式断路器 电动机起动器 电动机 综合保护器 变频调速器 现场总线通信模块 现场总线与低压电器元件之间的 接口模块 现场总线主机设备及通信芯片 各类可连接现场总线的元件 改进与 完善传统低压电器产品 逐步缩短同国外先进水平的差距 发展新一代智能低压电器产品应具有如下的主要特征 1 带有通信接口 能与多种开放式现场总线进行双向通信 实现低压电 器可通信 网络化 2 强调系统集成 产品包括硬件 软件 同时 低压电器元件与成套装 置应同步开发 3 强调标准化 新一代产品除结构 技术性能标准化外 其通信协议 通信规约必须标准化 不同公司产品具有较好的互操作性 4 提高产品综合性能 包括技术性能 外观 使用性能 维护性能 5 强调环保要求 逐步发展 绿色 产品 包括产品材料选用 制造过 程及使用过程不污染环境 6 高可靠性 包括开展可靠性设计 产品生产过程进行可靠性控制 可 靠性出厂检验及可靠性增长 特别强调电子器件可靠性及电磁兼容要求 发展新一代智能低压电器产品应具有如下的总体目标