DeviceNet总线在智能配电网络系统中的应用

DeviceNet是90年代中期发展起来的一种基于CAN技术的开放型、符合工业标准的低成本、高性能的通讯网络。它的许多特性沿袭于CAN，CAN总线是一种设计良好的通讯总线，它主要用于实时传输控制数据。DeviceNet的主要特点是：① 短帧传输，每帧的最大数据为8个字节；② 无破坏性的逐位仲裁技术；③ 网络最多可连接64个节点；④ 数据传输波特率为125kb/s、250kb/s、500kb/s；⑤ 点对点、多主或主/从通讯方式；⑥ 采用CAN的物理和数据链路层规约；⑦ 应用层即第七层为DeviceNet协议，分层结构如图1所示。 Fig.1 Layer Structure of DeviceNet Protocol 　　将DeviceNet现场总线技术应用于低压配电系统，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，使系统达到良好配合，提高配电网络系统的实时性、安全性和可靠性；而其统一的设备描述又能提高不同厂商设备之间的互操作性及互换性。 1 DeviceNet配电网络系统 　　DeviceNet网络的通讯速率较低，不太适合于大数据量的传输。但由于低压配电网络系统中的通讯数据量不大，有些信息的处理可以现场化。因此，可以充分利用DeviceNet短帧传输和无破坏性的总线优先权仲裁技术，对通讯数据进行良好的配置以达到实时性的要求。如将负荷开关的状态变化和配电系统的故障信号等需要实时刷新的数据作为I/O数据，以保证优先、快速地传输故障状态信息和快速地完成故障识别，并快速地实现故障隔离和恢复供电；将其它测量量（如电压、功率等）、一般的报警信号或预警信号和一些涉及电力质量的测量量（如频率、谐波量等）以及一些脉冲量和统计量等作为显式信息来处理。 　　DeviceNet的智能化配电网络系统结构如图2所示，主要由三部分组成：DeviceNet总线、PC机（主站）和智能低压配电柜（从站）。上位PC机主要负责对整个网络系统的管理和调度；从站主要完成对现场设备的信号检测、参数显示和控制。 图2 基于DeviceNet的智能化配电系统结构 Fig.2 Intelligent Power Distribution System Based on DeviceNet 　　由主站计算机通讯可获得各从站点的电力质量信息及运行状态参数，实现遥测、遥信、遥调、遥控。具体实现的功能如下： （1）遥测：从站向主站报送①工作参数：A、B、C、N相电流值，Uab、Ubc、Uca的电压值，功率因数，有功功率，无功功率及电网频率；②故障参数：故障时的A、B、C、N相电流值，Uab、Ubc、Uca的电压值，故障类型，故障动作时间。 （2）遥信：从站向主站报送各个保护参数：开关型号、开关状态（合/分）、额定电流、长延时动作值、长延时时间、短延时动作值、短延时时间、瞬时动作值、接地动作值、接地时间。 （3）遥调：从站接收主站的命令来改变智能脱扣器的保护特性设定值。 （4）遥控：从站接收主站的控制信号来实现“分/合”的遥控功能，同时在屏幕上得到从站的反馈，确认执行。 2 智能配电控制器硬件设计 2.1 控制器系统框图 　　基于DeviceNet的智能配电控制器硬件原理图如图3所示。主要由微控制器、检测模块、显示模块、键盘设置模块、信息存储模块构成、RS232/RS485串口模块、CAN通讯模块。 图3 智能配电控制器硬件原理图 Fig.3 Hardware Principle of Intelligent Switchgear Controller 2.2 CAN通讯模块 　　80C196KC+SJA1000智能节点硬件电路如图4所示。主要由四部分构成：微控制器80C196KC、独立CAN控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137。实现数据的接收和发送等通讯任务。 图4 SJA1000 CAN通讯接口电路 Fig.4 CAN Communication Interface Circuit Based on SJA1000 3 DeviceNet预定义主/从连接组 　　DeviceNet协议规范是描述DeviceNet设备之间实现连接和交换数据的一套协议。在DeviceNet规范中，详细介绍了连接、信息协议和通讯相关的对象。对于应用极为普遍的Master/Slave网络，DeviceNet协议制定了一套预定义好的数据帧的标识分配方案。 3.1 DeviceNet的报文传送 　　DeviceNet使用更为有效的生产者/消费者模式，取代了传统的源/目的的传输方式。该模式要求对报文打包，使它具有数据标识位域。标识符还提供解决多级优先权（仲裁中使用）的手段，以便更高效地传送I/O数据，并供多个消费者使用。 　　DeviceNet定义了2种不同类型的报文，称为I/O报文和显式报文。I/O报文适用于实时性要求较高和面向控制的数据。I/O报文数据帧中的8字节数据场不包含任何与协议有关的信息，只有当I/O报文为大报文经过分割后形成的I/O报文片段时，数据域中有一个字节由报文分段协议使用。连接标识符提供了I/O报文的相关信息，在I/O报文利用连接标识符发送之前，报文的发送和接收设备都必须先进行设定。设定的内容包括源和目的对象的属性，以及数据生产者和消费者的地址。显式报文适用于2个设备间多用途的点对点报文传递，是典型的请求-响应通讯方式，常用于节点的配置、问题诊断等。显式报文通常使用优先级低的连接标识符，并且该报文的相关信息包含在显式报文数据帧的数据域中，包括要执行的服务和相关对象的属性及地址。 3.2 预定义主/从连接组 　　DeviceNet是基于连接的网络，DeviceNet中的连接提供在多种应用之间交换信息的路径。当建立1个连接时，与连接相关信息的传送就会分配1个标识符，称为连接标识符CID（Connection Identifier）。如果某个连接需要双向数据交换，则应该分配2个不同的连接标识符。 　　DeviceNet提供了一个功能很强的应用层协议，允许动态配置设备间的连接。但考虑到有些设备根本不需要也没有资源去使用这一强大功能，DeviceNet指定了一套称为预定义主/从连接组的连接标识符，如表1所示，用来简化主/从结构中I/O和配置型数据的传送。 表1 预定义主/从连接组标识区 Tab.1 Predefined master/slave Connection Set ID 　　许多传感器和执行器要实现的功能在设计时就已经预先决定了（如感受压力，启动马达等等），因此这些设备将要生产和/或消费的数据的类型和数量在上电前就已经知道了。这些设备通常提供输入数据或请求输出数据和配置数据。预定义主/从连接组可以满足设备的这些要求，它提供的连接对象的全部配置在设备上电时就完成了。在启动数据流时，主机设备唯一必须执行的一个步骤是要广播对从机内该预定义主/从连接组的所有权。 3.3 DeviceNet对象模型与设备描述 ① 对象模型。为管理和实现DeviceNet产品组件的属性（数据）、服务（方法或步骤）和行为提供了一个摸板。模型为每个属性提供了由4个数字组成的寻址方案，分别是节点地址（MAC ID）、对象类标识符、实例编号和属性编号。这4级地址与显示报文连接相结合，将数据从DeviceNet网络上的一点传送到另一点。DeviceNet设备的对象模型如图5所示。 ② 设备描述（Device Profiles）。DeviceNet规范不仅仅是一个物理连接协议规范。它通过定义标准的设备模型促进不同厂商设备之间的互操作性。属于同一设备模型的所有设备都必须支持共同的标识和通讯状态数据。设备描述是针对各种设备而定义的，其中包括设备各种特定的数据。符合设备类型描述的多个供应商提供的简单设备（如按钮、马达启动器、光电池等）在逻辑上是可互换的。 图5 DeviceNet设备的对象模型 Fig.5 Object Model of DeviceNet Equipment DeviceNet规范定义了一个电子数据文件（EDS）。EDS是一个简单的文件格式，供货商可以将产品的特殊信息提供给其它供货商。这样可以具有友好的用户配置工具，可以很容易地更新，无需经常修正配置软件工具。 4 结语 　　现场总线作为自动化领域中融合了计算机、通讯和自动控制三门学科技术，其特点可概括为：信号传输全数字，控制功能全分散，标准统一全开放。DeviceNet作为IEC已经颁布的低压电器设备通讯网络标准（IEC62026-3），以其短帧传输及无破坏性的总线仲裁技术等优点，深受低压配电系统用户的青睐。开发基于现场总线的智能低压配电系统及产品将是我国低压电器行业一个新方向。 图6略