现代信息技术的发展，给我们实验室仪器设备的智能化提供了先进技术手段，利用物联网、云计算等新一代信息技术促进实验室仪器设备智能化，使得实验室管理更加规范高效，成为了实验室建设者和管理者重要的任务。实验室仪器设备智能化的关键，在于规定统一的通信数据接口与通信方式，实现不同供应商、不同型号、不同种类的实验室仪器设备之间的互联互通，为智能实验室的建设提供技术基础，从而适应随智能实验室而产生的检验检测新模式。本文主要研究了现阶段试验设备与上层系统通信的通信实现方式，包括总体要求、网络通信模型、网络通信协议等。
1.智能电器信息化现状
把微处理器和计算机技术引入到电器，一方面增加了电器的智能化功能，另一方面为电器与中央计算机之间的数据通信奠定了基础。实现中央计算机集中控制，提高了系统的自动化程度。首先，智能电器向计算机传送电力线路状态和运行参数。其次，计算机向智能电器发出指令，改变和整定控制参数。通过信息的传递与保存，控制计算机通过对情况综合分析，能做出相应的决策，保证整个系统的稳定运作。最后，方便了用户的操作，智能电器对系统状态进行检测并传送给计算机，通过显示器或显示屏，用户可以了解系统的全貌，显示系统的运行情况。现阶段成熟互联方案均通过现场总线方式实现数据共享，减少不必要的数据采集通道。现场总线是连接智能化控制设备与控制中心开放的双向的局域通信网络。目前在我国电器领域运用较多的主要有如下几种：Profibus，DeviceNet，ModBus等
a）Profibus
Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司和研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了3～7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第3～6层，采用了应用层，作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158-2（1）标准，可实现总线供电与本质安全防爆。
b）DeviceNet
Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN（Controller Area Network）技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络，最初由美国Rockwell公司开发应用。Devicenet的许多特性沿袭于CAN，CAN总线是一种设计良好的通信总线，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/从通信方式；采用CAN的物理和数据链路层规约。
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c）Modbus
Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。ModBus网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件，亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。ModBus网络只有一个主机，所有通信都由他发出。网络可支持247个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。
2.各现场总线间的协同工作
由于不同应用场合及公司的相互竞争，各种总线协议粗略统计已达４０多种。2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准正式发布，规定了10种类型的现场总线：Type 1 TS61158现场总线；Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线；Type 3 Profibus现场总线；Type 4 P-NET现场总线；Type 5 FF HSE现场总线；Type 6 SwiftNet现场总线；Type 7 World FIP现场总线；Type 8 Interbus现场总线；Type 9 FF H1现场总线；Type 10 PROFInet现场总线。相关电器设备在以上各个总线类型中都有不同程度的应用，带通讯接口的产品要分别通过相关现场总线测试和认证才能进入，企业要同时进入各种现场总线是不现实的，目前国内有如下几种实现方式：
a）《低压电器通信公约》
由中国机械工业协会提出，上海电器科学研究所有限责任公司起草的《低压电器通信公约》是我国低压电器通用的开放协议，旨在用分层技术打破现场总线的技术壁垒，采用该标准的电器直接或通过适配器接入ModBus，Profibus-PD，DeviceBus网络。
b）混合总线系统
c）《用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通讯协议》
为进一步提高通信效率，简化系统结构，各国都在探索将智能电器直接与以太网连接。我国于2006年发布上述标准，其定义了EPA工业现场以太网现场总线控制系统模型。它是一种分布式现场总线控制系统。以EPA网络通信为实体，将若干个分布在现场的设备、小系统以及控制或监视设备连接起来，所有的设备一起协调工作，共同完成工业生产过程控制及现场I/O数据采集与控制。
3.智能化实验室环境试验设备通讯的一些思考。
综合智能电器的发展历程我们可以了解到，电器间的通讯基本是欧美大企业根据自己的产品特点自行研发应用。不同的现场总线往往无法完全兼容，后期之间通讯子网并网不仅需要增加软硬件的采购费用（用于不同总线协议转换），而且极大的降低了通讯效率。对智能化实验室设备的通讯设计应该避免各自现场总线的无序竞争，从制度顶层上进行优化设计，以利于国内企业在借鉴国际先进技术的基础上弯道超车。目前MODBUS现场总线有着比较强大的优势：一是内容公开没有版权要求，可以直接应用不需要支付额外费用，要求简单容易部署，使用广泛便于系统集成，国内已有大量的相关企业应用。二是MODBUS总线仅规定了协议层，硬件实现方式极其丰富，目前RS-232、RS-485，双绞线、光纤、无线等接口方式上均有实际案例。企业可以根据现场应用情况选择接线方式。三是MODBUS的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。MODBUS帧格式包括通信地址段、功能代码段、数据段和校验段，预留了255种功能码，实际设备通讯采用时仅需对相关功能进行定义就可实现组网。
论文作者:江亨湖,刘友华,李晨熙,伍仁库
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/18
标签：现场总线论文; 总线论文; 电器论文; 系统论文; 通信论文; 标准论文; 实验室论文; 《电力设备》2018年第18期论文;