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智能电子电器现状及发展趋势

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发表于 2019-12-17 22:19:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 elejg 于 2019-12-17 22:24 编辑

智能电器是采用微机控制技术、现代传感器技术、模拟量数字处理技术及计算机数字通信技术,具有自动检测和识别故障类型及操作命令类型的功能,能够根据故障和操作命令类别来控制电器元件操作机构动作的电器元件。

一.智能电器的基本特点
1. 现场参量处理数字化
这是智能电器区别其他采用集成电路实现控制功能的电器设备的最重要标志。由于采用危机处理和控制技术,电器设备运行现场的各种被测参量全部采用数字处理,不仅大大提高了测量和保护精度,减小产品保护特性的分散性,而且可以通过软件改变处理算法,不需要修改硬件结构设计,就可以实现不同的保护功能。

2. 电器设备的多功能化
采用微处理器或单片微机对电器设备运行现场的各种参量进行采样和处理,自能电器可以集成用户需要的各种功能。

3. 电气设备的网络化
只能电器监控单元以微处理器为核心,实际上就是独立的计算机控制设备,可以把他们当做计算机通讯网络中的通讯节点,采用数字通讯技术,组成电器智能通信网络,完成信息的传输,实现网络化的管理、设备资源的共享。

4. 真正实现分布式管理和控制
现场设备具有完善的、独立额处理事故和完成不同操作的能力,可以组建成完全不同于集中控制或集散控制系统的分布式控制系统。

5. 可以组成真正的全开放式系统
采用计算通信网络中的分层模型建立起来的电器智能化通信网络,可以把不同生产厂商、不同类型但具有相同通讯协议的自能电器互联,实现资源共享。


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 楼主| 发表于 2019-12-17 22:19:48 | 显示全部楼层
本帖最后由 elejg 于 2019-12-17 22:22 编辑

二. 智能电器的发展
1.传统电器

       20世纪60年代是电器发展的传统时期,产品以电磁类保护电器为主。我国在仿制的基础上设计开发的第一代统一设计的产品以CJ10DW10DZ10JR16B等为代表,这些产品尺寸大、耗材多、性能指标不理想、品种规格也不齐全。那时的电器产品只是简单的电磁装置,毫无智能化概念。

2. 智能电器

20世纪70年代开始,随着微电子技术的进一步发展,出现了电子电器及装置。由于包括晶闸管在内的电力电子器件具有体积小、重量轻、功耗小、效率高和响应快等特点,由它构成的变流装置具有可靠性高、寿命长、容易维护等优点。它的“以弱控强”的特点,能在强电与弱电间起到桥梁、纽带作用,实现了应用微电子技术控制电力系统和电器设备的梦想,拓展了微电子技术在电器控制方面的应用空间,使微电子技术在电器智能化控制方面的应用日趋广阔。到了20世纪80年代,随着微处理器的广泛应用,使电器及其装置具备了自诊断和记忆功能,自动化程度及可靠性有了较大提高。智能化电器对微处理器的基本要求是硬件通用化,应用灵活化,具有记忆、计算、查表能力,指令系统适合实时控制,执行速度快等。目前,微处理器已形成多系列、多品种的局面,我国所使用的微处理器有MCS251P ICMSP430DSP等几十种系列,为智能化电器的发展提供了有利条件。接口技术指微处理器与外围设备之间联系的技术,包括硬、软件技术。接口电路多种多样,常用的有微处理器通用接口,键盘、显示器接口,打印机接口和A/DD/A接口等。软件技术是智能元件的灵魂,微处理器与数字电路的本质区别就在于它具有软件系统,很多硬件电路能实现的,软件也能做到,因此在硬件电路设计时,可以考虑用软件来部分或全部实现。在硬件不变的情况下,应用微处理器开发的智能化电器系统具备较大的适用性和升级能力。因此,微处理器的应用为智能电器的发展奠定了基础。

     我国第一代智能电器诞生于20世纪90年代。西安交通大学电器教研室在1987年采用MCS-48单片机开发出了国内第一台同类型保护装置。随着单片机功能日益完善、传感器技术、计算机网络和数字通信技术的高速发展,在短短20多年内,智能电器已经从简单的采用微机控制取代传统机电控制功能的单一封闭式装置,发展到具有比较完整的理论体系和多学科交叉的电器智能化系统,成为电器工程领域中电力开关设备、电力系统继电保护、工业供配电系统级工业控制网技术新的发展方向。从本世纪初开始全面进行可通信低压电器的研制。相关标准制订包括总线通讯协议、低压电器通信规约、通信适配器等系统配套产品标准、可通信低压电器标准。

      第三代低压电器全面实现可通信产品包括:可通信万能式断路器、可通信塑壳断路器等,这些产品均能与多种现场总线连接。其系统的主要特点是具有开放性、允许多主站、多总线配置;支持多厂商设备、方便用户选择;全汉化、专用工程组态软件,组态方便、快捷、正确;适合国内大部分开关柜;第三方设备接入方便;系统配套件、附件齐全等。我国第三代低压电器已基本实现智能化、可通信、网络化。我国可通信、网络化电器发展基本跟上世界发展潮流。可通信、网络化电器的应用刚刚起步,智能电器功能尚未全面发挥,系统配套性尚有差距。部分关键技术、产品核心技术,总线协议等与国外有较大差距。

      低压电器功能的进一步完善与扩展———综合智能化。低压电器使用与维护带来全新的概念,给成套设备带来革命性变化,设计、选用程序发生了根本性变化。

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 楼主| 发表于 2019-12-17 22:20:09 | 显示全部楼层
本帖最后由 elejg 于 2019-12-17 22:21 编辑

三、智能电器概念的新发展
  智能电器从传统电器发展而来,随着微电子技术、微处理器技术的发展,智能电器的发展也进入了一个崭新的阶段,同时智能电器概念也得到了全新的发展。
进入20世纪90年代,因电网自动化要求,电气操作人员希望能采用远程控制方式了解和控制电网的电气状态和参数,便于集成管理,同时实现终端控制以及工厂办公自动化的发展,于是迫切需要智能型可通信电器的不断发展和完善。随着微机通信技术的发展,出现了兼有监测、保护、控制和通信功能的智能化开关电器及装置,能与中央控制计算机进行双向通信,组成监控、保护与信息传递的网络系统。这时的智能电器概念可定义为具有自动监测自身故障、自动测量、自动控制、自动调节与远方控制中心通信功能的电器设备。
此时的智能化电器及装置应包括信号检测的随机性、灵敏性和精确性;信号的处理、逻辑思维及准确的判断性;有效、灵敏的执行功能及指令、信息的可通信性。随着信息、网络技术的发展,智能电器的概念也将赋予新的内涵,进入可通信、网络化的新时代。智能电器的可通信技术主要有普通串口通信技术、现场总线技术和以太网技术

1.微机普通串口通信技术发展充实了智能电器的概念
微机串口通信可以分为同步和异步通信两种。同步通信是按照软件识别同步字符来实现数据的发送和接收的;异步通信则是一种利用字符的再同步技术的通信方式。在串行通信中,数据是在两个站之间传送的。按照数据传送方向,串行通信可分为半双工(Half Dup lex) 和全双工(Full Dup lex)两种制式,普通串口通信是目前应用最为广泛的方式之一。优点是使用简单、廉价、灵活性好,在许多通信费用不大的场合得到了广泛的应用。但信息的传送速度较慢,且底层缺乏可靠性保证和组网机制。串口通信在智能电器中的广泛应用更加充实了智能电器的概念。

2.现场总线技术使智能电器概念的内涵更加丰富

现场总线以数字信号取代模拟信号,在3C即计算机(Computer)、控制(Control)和通信(Communication)技术的基础上,大量现场检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用,许多控制功能从控制室移至现场设备,一大批数字化、智能化的高新技术产品应运而生,自动化仪表与控制系统以崭新的面貌呈现在广大用户面前。现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统,是用于工业控制的计算机系统的工业总线。国际电工委员会IEC 61158对现场总线的定义为:“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。”现场总线能使现场设备之间实现双向串行多节点数字通信,被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络和全分布式现场控制系统。与普通串口通信相比,现场总线技术在带宽、实时性等方面具有突出的优点,其代表是由西门子为主的十几家德国公司、研究所共同推出的Profibus现场总线技术。

CAN是一个最有影响的现场总线,由德国Robert Basch 以及几个集成电路制造商一起开发,最初专为汽车工业设计,后来推广到各个领域。目前已由ISO/TC22 技术委员会批准为ISO11898(通信速率<1 Mb/s)和ISO 11519(通信速率≤125kb/s)。CAN是现场总线中惟一被批准为国际标准的现场总线。

Modbus协议是Modicon公司于1979年开发的一种通信协议。它是一种在工业领域被广为应用的真正开放、标准的网络通信协议。SCADAHMI通过Modbus协议可以很容易地将带串行通信口的设备集成在一起。通过Modbus协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备间可以通信。它已经成为一通用工业标准。

Profibus现场总线于1996315日被批准为欧洲标准,即D IN 50170 V. 2Profibus产品在世界市场上已被普遍接受,市场份额占欧洲首位,年增长率25 %。目前,在世界范围内支持Profibus标准的产品已超过1500多种,已安装运行的Profibus设备已超过200万台。DeviceNet是由Allen2Bradley公司(Rockwell自动化)开发的一种基于CAN的开放的现场总线标准。

DeviceNet协议最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。因此,这种通信是基于面向连接的(点对点或多点传送)通信模型建立的。这样,DeviceNet既可以工作在主从模式,也可以工作在多主模式。200212月,DeviceNet规范被中国国家标准化管理委员会批准为国家标准,并于20034月起实施。Devi2ceNet协议是一个简单、廉价、高效的协议,适用于最低层的现场总线。DeviceNet所提供的直接互连性不仅改善了设备间的通信,而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能。现场总线技术在智能电器中的应用,使智能电器概念的内涵更加丰富。

3.以太网技术将智能电器的概念推向高潮

以太网技术是当今世界上最流行也是最成熟的统一的总线网络技术,具有很多优点,尤为突出的是具有极高的带宽(10Mb/s100Mb/s等更高速率)和较好的兼容性。以太网是局域网的标准接口,光纤、ATM等广域网在末端也提供以太网接口。所以,不仅可通过以太网直接与后台计算机相连,还可通过不断进步的广域网技术拓展通信距离。以太网技术广泛应用于智能电器,是智能化电器的发展方向。将以太网网络技术应用到智能化电器中,可进一步提升智能电器的概念。

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 楼主| 发表于 2019-12-17 22:20:26 | 显示全部楼层
本帖最后由 elejg 于 2019-12-17 22:24 编辑

四、国内外智能电器发展现状
    20世纪末,国际上一些著名的大公司基于CPU技术不断进步和发展,纷纷推出新一代的智能型可通信的低压断路器,比如施耐德公司的M、MT开关,西门子公司的3WL /3VL 断路器, ABB公司的F、Emax等系列低压断路器。西门子公司推出的新一代断路器SENTRON WL /VL 较以前产品有了很大的提高。特别是在网络连接方面,具有Profibus2DP、Cubicle BUS、以太网、RS2232C等多种总线接口(Cubicle BUS为断路器内部数据总线)。西门子通过模块化结构和内部数据总线使SENTRON可以方便灵活地配置和减少内部接线。施耐德公司的Masterpct系列断路器支持Modbus和BatiBUS,同时还提供用于连接Profibus和以太网的外置网络模块。

   工业以太网进军工业自动化的状况与20世纪90年代初PC机进军工业自动化的状况极为类似。以太网是当今世界上最流行也最成熟的统一的总线网络技术,在高速数据传输方面更具优势,具有价格低、速度高、易于组网、用户费用更为便宜等优点,代表了电气控制的发展要求,它将越来越多地运用于各种类型的低压断路器通信技术中。目前,工业以太网技术已经渗透到我国电网建设中,相信将来智能化断路器的以太网可通信技术必有广泛应用的一天。目前一些主要断路器厂商虽然尚未在自己的产品中支持以太网技术,但都为用户提供连接以太网的解决方案,大多采用协议转接方法对以太网进行支持。西门子公司主推Profibus现场总线,断路器产品通过通信模块连接至Profibus总线,然后通过Profibus网络的主站连接至以太网。断路器附件BDA (断路器数据适配器)则起到远程/就地调校工作,不用于现场监控通信场合。

   施耐德公司通过EGX 或CM4000 + ECC实现Modbus协议与TCP/IP协议的转换。目前,国内对智能电器的研究主要集中在:
①设备的在线检测;
②新的信号采集及处理方法、机理研究;
③电器本体的研究;
④智能电器可靠性及控制部分抗干扰能力的研究;
⑤通信的实现方法。 国内的宝控公司SC800系列产品以智能型控制器为核心,以MODBUS协议为基础,可通过RS232/485进行通信,实现“遥测、遥控、遥调、通信”等4大功能。

五.结束语
    作为传统电器学科中的一个新的发展领域,电器智能和电器智能化的研究及产品的开发应用在国内外相关领域内受到了极大关注,随着现代文明的发展与进步,智能电器作为电能传输与控制的主要设备,电器元件和开关设备必定改变传统的设计和控制模式,必定有着广阔的发展前景。
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