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1、河北工业大学 硕士学位论文 智能接触器的DeviceNet总线通信模块的设计 姓名：张小彦 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：李文华 20091101 河北工业大学硕士学位论文 I 智能接触器的智能接触器的 DeviceNet 总线通信模块的设计总线通信模块的设计 摘摘 要要 接触器是一种远距离操作的自动控制电器，适用于频繁地接通和断开交直流主电路及 大容量控制电路，广泛应用于电力、化工、交通、冶金和建筑等行业，在社会生产中发挥 着重要的作用。随着微处理器技术、电力电子技术、通信技术等在低压电器中的广泛应用， 开发具有网络通信功能的智能电器成为当今低压电器领域研究的热点。接触器的智
2、能化也 得到了快速发展，出现了不同种类的智能接触器产品。 本文以低压电器领域的典型产品接触器为例，开发具有网络通信功能的智能接触器通 信模块。本文的主要工作包括： 首先，对智能接触器研究现状进行了分析和总结，主要需要解决的问题是：智能合闸、 节能保持和智能分断。通过分析和对比当今国内外智能接触器控制技术，总结出智能接触 器的控制方案。并且，本文分析和研究了 DeviceNet 总线协议，包括 DeviceNet 物理层、 数据链路层、和应用层，讨论了 DeviceNet 报文格式和各种对象模型的功能和数据通信的 过程。 其次，对于 DeviceNet 通信模块的硬件设计，本文选用 PIC18F
3、458 单片机作为通信模 块的处理器芯片，该单片机内嵌 CAN 控制器。其中，CAN 收发器芯片采用 PCA82C250T， 节点采用非隔离的连接方式，并按照 DeviceNet 协议规范设计了通信模块的电源电路、拨 码开关和 LED 的接口电路等。 第三，本文以 Woodhead 公司的 SST-DN3-PCU-1 主站卡作为网络分析仪，分析了 DeviceNet 主从之间的数据通信过程。通过对智能接触器通信功能进行需求分析，提出了 通信模块的软件设计方案，包括对象模型的建立、重复 MAC ID 检测、显示信息连接、I/O 连接等，还有一些其它的程序部分，如：为了实现 CAN 层数据的传输而
4、做的一些 中断、时钟和 CAN 初始化等工作。 关键词：关键词：智能接触器，DeviceNet，通信模块，单片机，CAN 智能接触器的 DeviceNet 总线通信模块的设计 II RESEARCH OF DEVICENET FIELD BUS COMMUNICATION MODULE FOR INTELLIGENCE CONTACTOR ABSTRACT Contactor is a kind of Auto-Control electrical apparatus for remote operation. It is fit for turning on or turning off A
5、C/DC main circuit and large capacity controlling circuit. It is widely used in electric power, chemical, transportation, metallurgy and construction industry, and plays an important role in social production. In recent years, with the application of microprocessor technology, power electronic techno
6、logy and communication technology in low-voltage apparatus, the design of intelligent contactor having the function of fieldbus communication is hot in todays low-voltage electrical research field. Intelligence of AC contactors develops quickly and deferent kinds of intelligent AC contactors have de
7、veloped. Taking the case of the typical product-contactor of low-voltage apparatus, this paper develops the module of the intelligent contact which has the function of network communications. The major tasks of this article are: First of all, in the intelligence of AC contactors, the main problems s
8、hould be solved are intelligent closing, energy-saving run and intelligent opening. This paper made a contrast and analysis for the control technique of intelligent contactors, and concluded the control program of intelligent contactor on this basis. And it also analyzed the DeviceNet fieldbus proto
9、col, including physical layer, data link layer and application layer, and analyzed the message format, the function of object model and the process of data communication. Secondly, in the design of DeviceNet communicating module, the SCM -PIC18F458, which embedded with CAN controller, is chosed as t
10、he CAN processor chip. The PCA82C250T is adopted as CAN transceiver chip. According to the DeviceNet protocol, this paper introduces the design of the power supply circuit, the interface circuit of LED and dip switch, the connection of the CAN processor chip ,and so on. Thirdly, this paper analyzes
11、the process of data communication between the master and slaver, using SST-DN3-PCU-1(produced by Woodhead) as the network analyzer. According to the requirements analysis of intelligent contactor, the software design of communication module is proposed, including the establishment of DeviceNet objec
12、t model, duplicate MAC ID detection, explicit message connection, I/O connection and CAN initialization, and so on. Keywords: Intelligent AC Contactor, DeviceNet, Communicating Module, SCM, CAN 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器，常用于 控制电动机、电力机组、
13、工厂设备负载等。目前，我国仍然大量使用八十年代设计的 CJ20 系列交流 接触器，部分使用九十年代设计的 CJ40 系列产品交流接触器，其性能指标与国外产品相比差距较大。 但是随着科技的进步，新材料和新技术不断涌现，为接触器在分断能力、触头寿命和可靠性等方面性 能的提高提供了强有力的技术支持。如今，接触器不仅能够接通和切断电路，而且具有了低电压释放 保护、过电压保护，以及实时检测各相电流和电压的功能。低压电器已经朝着高可靠性、智能化、网 络化的方向发展，以适应当今工业控制领域对低压电器产品要求。 由于接触器广泛应用于电力、石油、化工、制造等生产生活的各个角落，使用量也极大，其功能 的完善性和可
14、靠性将对工业和社会生活的各个领域带来极大的方便，研制新一代智能接触器已经是现 代工业和社会生活的迫切需要。 在PLC网络中，以美国罗克韦尔自动化公司 (RockwellAutomation)，日本的欧姆龙公司(OMRON) 等联合推出的由以太网(EtherNet)、控制网(ControlNet)、设备网(DeviceNet)三层网络为构架的自动化网 络系统，代表着国际上自动化技术的最高水平1。将接触器与DeviceNet现场总线相结合，开发出具有 网络化的智能接触器是目前低压电器发展的新趋势。 1-2 智能电器的国内外发展现状及展望智能电器的国内外发展现状及展望 智能电器融合了现代电器理论、电
15、力电子技术、计算机模拟和仿真技术、人工智能技术、传感技 术、微处理器技术和现场总线技术等各种技术，它具有齐全的保护功能、电器参数和运行状态检测、 故障诊断与显示等功能，它是开关电器适应现代电器工业发展的必然趋势。随着我国电力工业，传统 的低压电器已经不能满足人们在智能电网方面对其的要求，人们要求低压电器不仅局有高可靠性和安 全性，还要求其具有自动故障判断、故障处理和通信功能。具有智能化的可通讯低压电器是未来的发 展趋势。 目前，在我国电器市场上，二十世纪七、八十年代的第二代产品低压电器产品占了主要的部分， 而智能化、多功能高性能的低压电器产品的市场占有率却很低，在 10%左右。随着国外跨国公司
16、（如 ABB、西门子和施耐德等）进军我国市场，我国低压电器公司将迎来更大的挑战。只有开发出新一代 的智能化低压电器产品，才能使我国的低压电器企业在激烈的市场竞争中占有一席之地。 智能接触器的 DeviceNet 总线通信模块的设计 2 新一代的低压电器产品要求具有智能控制操作功能和网络通信功能。 智能电器控制的新技术包括： 智能化的控制技术、柔性技术、总线技术、虚拟技术、EMC/EMI技术和限流技术。在智能控制操作方 面，国内外对接触器的智能控制做了大量的工作，主要采用电磁铁软着陆的控制方案减少触头弹跳和 铁芯振动来提高电气寿命。在接触器的合闸控制方面，主要采用的方法是：找出合闸相角与触头磨损 的关系，采用智能控制方式对于接触器进行定相合闸，但其缺点是仅能应用于单相分断；在提高接触 器的分断能力方面，美国Eaton公司采用的异步组合式智能控制方案。该方案的实现方法是采用 3 个 接触器组合起来，代替三
