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1、1DeviceNetDeviceNet 总线在智能配电网络系统中的应用总线在智能配电网络系统中的应用摘要：摘要：本文将 DeviceNet 现场总线技术应用于低压配电系统，充分利用 DeviceNet 的短报文帧传 输、无破坏性的总线仲裁技术等优点，提高配电网络系统的实时性和可靠性，达到良好的效果。 关键词：关键词：DeviceNet； 智能化； 配电网络系统TheThe ApplicationApplication ofof DeviceNetDeviceNet inin IntelligentIntelligent PowerPower DistributionDistribution S
2、ystemSystemZhu Fei （Shanghai Electrical Apparatus Research Institute）Abstract:Abstract: This paper introduces a low-voltage power distribution system based on DeviceNet, makes full use of the advantages of DeviceNet, such as short message frame, the technology of non-destroyed bus arbitration, to im
3、prove the real-time permanence & reliability of the system. The results are sound. Keywords:Keywords: DeviceNet intelligent power distribution systemDeviceNet 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： 短帧传输，每帧的最大数据为 8 个字节； 无破坏
4、性的逐位仲裁技术； 网络最多可连接 64 个节点； 数据传输波特率为 125kb/s、250kb/s、500kb/s； 点对点、多主或主/从通讯方式； 采用 CAN 的物理和数据链 路层规约； 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
5、厂商设备之间的互操作 性及互换性。1 1 DeviceNetDeviceNet 配电网络系统配电网络系统2DeviceNet 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
6、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
7、、遥调、 遥控。具体实现的功能如下： （1 1）遥测：）遥测：从站向主站报送工作参数：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；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 2）遥信：）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 3）遥调：）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 4）遥控：）遥控：从站接收主站的控制信号
8、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 2 智能配电控制器硬件设计智能配电控制器硬件设计2.12.1 控制器系统框图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。3微 控 制 器 显示模块 键盘设置模块 信息存储模块 RS232/RS485 串口通信模块 CAN 独立控制器 光电隔离 CAN 收发器 测控模块 图 3 智能配电控制器硬件原理图Fig.3 Hardware Principle of Intel
9、ligent Switchgear Controller2.22.2 CANCAN 通讯模块通讯模块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 SJA10003 3 DeviceNetDeviceNet 预定义主预定义主/ /从连接组从连接组Dev
10、iceNet 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。3.13.1 DeviceNetDeviceNet 的报文传送的报文传送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。4Device
11、Net 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
12、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。3.23.2 预定义主预定义主/ /从连接组从连接组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
13、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。表表 1 1 预定义主预定义主/ /从连接组标识区从连接组标识区Tab.1 Predefined master/slave Connection Set ID标识位109876543210标识用途十六进制 范围0组 1 信息 ID源 MAC ID组 1 信息000-3FF 01101源 MAC ID从站 I/O 多点轮询响应信息 01110源 MAC ID从站 I/O 位-选通响应信息 01111源 MAC ID从站 I/O 轮询响应或状
14、态变化/循环应答信 息 10MAC ID组 2 信息 ID组 2 信息400-5FF10源 MAC ID000主站 I/O 位-选通命令信息 10多点通讯 MAC ID001主站 I/O 多点轮询命令信息 10目的 MAC ID010主站状态变化或循环应答信息 10源 MAC ID011从站显式/非连接响应信息 10目的 MAC ID100主站显式请求信息 10目的 MAC ID101主站 I/O 轮询命令/状态变化/循环信息 10目的 MAC ID110仅限组 2 非连接显式请求信息（预留） 10目的 MAC ID111重复 MAC ID 检查信息 许多传感器和执行器要实现的功能在设计时就已
15、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。3.33.3 DeviceNetDeviceNet 对象模型与设备描述对象模型与设备描述 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
16、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。5 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。组合对象 参数对象 报文路由 标识对象 连接 显式报文 I/O DeviceNet 对象 应用对象 DeviceNet 网络 图 5 DeviceNet 设备的对象模型Fig.5 Object Model of DeviceNet Equipment
