DeviceNet现场总线的电源配置解读

DeviceNet现场总线的电源配置*佟为明孙凡金哈尔滨工业大学罗克韦尔实验室150001摘要：DeviceNet现场总线是一种性能优异的工业控制网络。DeviceNet网络设备供电问题是在实际应用其系统时必须解决的一个关键问题。DeviceNet网络一般采用网络供电方式，因此必须对其电源配置进行研究。给出了DeviceNet网络电源配置的基本原则和方法，并以单电源终端连接和中心连接为例介绍了网络电源的配置过程。关键词：DeviceNet，电源配置，终端连接，中心连接1引言作为工业控制网络的现场总线，是控制技术、计算机技术和通信技术发展的结合点，是当今自动化领域技术发展的热点之一[1]。与其它现场总线相比，由罗克韦尔自动化公司推出的DeviceNet现场总线具有开放、成本低、可靠性高等独特的优点，现已成为国际标准、欧洲标准和中国标准，特别适合于高实时性要求的工业现场的底层控制[2]。在应用DeviceNet现场总线时，为保证其系统正常可靠工作，必须合理地解决网络设备的供电问题。现场总线网络设备的供电方式分为网络设备（节点）自行供电和网络供电（DeviceNet支持这两种供电方式）。网络设备自行供电可保证设备供电独立、安全可靠，单一设备的电源出现故障或断线不会影响其它设备的正常运行。但因每个设备均有自己独立的电源模块，均需相应的电源电缆及连接器，故设备成本较高、体积较大，整个网络的安装布线较为繁琐；特别是当网络设备较多时，这些问题尤为突出。网络供电只需一个或几个电源通过总线向网络设备进行供电。与设备自行供电相比，它不需要过多的电源连接器和电缆，故具有成本低、安装布线简单、占用空间小等优点。但网络供电需要解决电源配置问题。DeviceNet现场总线一般采用网络供电方式，本文对其电源配置问题进行了研究。2电源配置总线供电时DeviceNet网络的节点连接如图1所示。节点节点节点节点节点电源线信号线节点24V电源电源分接器图1总线供电的DeviceNet节点的连接DeviceNet干线可长达500m（1641ft）;支线可长达6m(20ft);支线累加长度可达156m（512ft）。DeviceNet可使用粗缆和细缆作为总线的干线和通过分接器（图1中未给出）将节点连接到干线的支线。粗缆的外径为12.2mm、额定电流为8A，细缆的外径为6.9mm、额定电流为0.75~3A。DeviceNet总线使用五芯电缆，其中电源线、信号线各为两芯，另外一芯用于屏蔽，如图2所示。总线电源的配置极其灵活，可根据实际需要配置为单电源或双电源/多电源。CAN_HShieldCAN_LRedWhiteBareBlueBlack图2DeviceNet使用的5芯电缆DeviceNet电源电压为DC24V。通常，DeviceNet网络只需配置一个电源。若应用系统对电流容量要求较高而单电源无法满足时，可将DeviceNet网络配置为多电源供电。干线可由任何类型电缆构成，但选择的电缆类型、连接器类型以及收发器会在一定程度上限制网络电流。电源的电流必须大于网络上负载所需要的电流。电源配置的步骤如下：（1）将网络上每一个节点需要的电流值相加，得到总电流IA，配置的电源电流必须大于IA。（2）测得网络长度L。（3）根据L和所使用电缆的类型，由所用电缆对应的最大电流IB与网络长度L关系曲线可获得最大（干线）电流，若IB大于IA,则网络电源安装位置合理。若IB小于IA，则需重新选择网络电源的安装位置，直到满足IB大于IA。图3为使用粗缆时最大电流与网络长度的关系曲线。876543210IB(A)050100150200250300350400450500L(m)图3使用粗缆时最大电流与网络长度的关系曲线DeviceNet网络支线的最大电流I取决于支线的长度l（见表1），且通过下式描述：I=4.57/l式中，I和l的单位分别为A和m。表1支线的最大允许电流支线长度(m)0.30.91.52.33.04.56.0最大允许电流(A)3.03.03.02.01.51.00.753单电源配置DeviceNet总线的单电源配置可分为单电源终端连接、单电源中心连接、单电源非终端连接或中心连接。使用单电源终端连接或单电源中心连接可大大降低配置复杂度和网络配置费用。下面给出使用粗缆时DeviceNet单电源的配置方法。3.1单电源终端连接单电源终端连接是将网络电源配置在网络的终端位置，如图4所示。它是最简单、也是比较常用的网络电源配置方案。V-214m电源节点1节点3节点2节点4节点5V+电源分接器图4单电源终点连接0.1A0.15A0.05A0.25A0.1A由图4IA=0.1A+0.15A+0.05A+0.25A+0.1A=0.65A根据图3，网络长度L为214m时所对应的最大电流IB为1.5A，因IB大于IA，故此网络电源配置方案合理。3.2单电源中心连接单电源中心连接是将网络电源配置在网络长度的中心处，如图5所示。网络电源因其所处的位置而将DeviceNet网络在物理上分成两部分：L1段和L2段。为确定网络电源配置的合理性，分别计算L1段和L2段上所有网络节点所需要的电流之和IA1、IA2。根据L1和L2，通过图3得到它们所对应的最大电流IB1和IB2。若IA1和IA2均小于其相应的IB1和IB2，则该电源配置合理；若IA1和IA2有一个大于其相应的IB1和IB2，则需重新配置网络电源：将电源沿着超载的方向移动，再分析网络电源配置的合理性；若IA1和IA2均大于其相应的IB1和IB2，则只能考虑双电源/多电源配置方案。122m电源节点1节点4节点2节点5节点6V+电源分接器图5超载的单电源中心连接节点3V-122mL1L21.1A1.25A0.5A0.25A0.25A0.85A图5中,L1=L2=122m,IA1=1.1A+1.25A+0.5A=2.85A,IA2=0.25A+0.25A+0.85A=1.35A。通过图3，网络长度为122时IB1=IB2=2.63A。因IB1小于IA1，而IB2大于IA2，故在此网络电源配置中，L1段处于超载状态，L2段未处于超载状态，需重新对电源进行配置。将电源向过载方向移动，进而重新进行计算和分析。图6为经过调整的网络电源配置。91m节点4节点2节点5节点6节点1V+电源分接器图6调整后的单电源中心连接节点3V-电源153mL1L21.1A1.25A0.5A0.25A0.25A0.85A图6中，L1=91m，L2=153m，IA1=1.1A+1.25A+=2.35A，IA2=0.5A+0.25A+0.25A+0.85A=1.85A。通过图3，网络长度为91m和153m时，IB1和IB2分别为3.51A和2.10A。IA1和IA2均小于相应的IB1和IB2，因此调整后的电源配置合理。4双电源/多电源配置DeviceNet网络可通过两个或两个以上的电源同时对总线供电，以满足大电流工业控制系统应用的要求。双电源配置可为双电源两终端连接、双电源一终端连接、双电源非终端连接。多电源配置具有电源共享、冗余供电、可靠性高等优点。在多电源的配置中，每个电源均需通过串接二极管给总线供电，如图7所示。串接二极管的作用是防止各个电源因电压不同而导致电流向电源的倒灌。多电源配置时，应注意只能有一点接地。多电源配置的原则和方法与单电源配置的原则和方法相同。24V电源节点节点节点节点节点电源线信号线节点24V电源电源分接器图7DeviceNet的双电源/多电源网络供电电源分接器5结论（1）DeviceNet现场总线具有开放、低价、可靠等优点，其电源配置是保证其网络可靠工作的重要条件之一。（2）DeviceNet网络电源配置灵活，可配置为单电源或双电源/多电源。（3）DeviceNet网络电源的配置需根据一定的原则和方法进行，主要依据是负载电流总和、所用电缆类型和网络长度这三个因素；当然电源电流必须满足负载要求。参考文献：[1]佟为明，林景波.现场总线概述.低压电器,2002,(4)：34-39[2]佟为明,陈向阳,李凤阁.DeviceNet现场总线技术.微处理机,2002,(1)：1-3,7作者简介：佟为明，1964年10月生，哈尔滨工业大学电器教研室主任，博士，教授，博士生导师，中国电源学会理事，中国电源学会特种电源专业委员会理事，《低压电器》编委会委员；发表学术论文80余篇；主要研究方向：变频电源与谐波抑制，现场总线技术，永磁电器，继电保护，电磁兼容技术。孙凡金，1977年5月生，哈尔滨工业大学电机与电器学科博士生；研究方向：现场总线技术。